小型断路器设计研发与制造研究

俞金荣

【摘 要】小型断路器在我国各行各业中应用广泛，由于其结构复杂而且故障率高，极其容易引起供电故障，造成严重经济损失。简要介绍了小型断路器的主要结构类型、工作原理以及其发展历程，对小型断路器的基本故障做了分类，并对计算机辅助设计、新材料应用、先进生产工艺在小型断路器上的应用作了阐述。

【关键词】小型断路器；设计研发；制造

中图分类号： TM561 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）17-0004-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.002

【Abstract】The small circuit breaker is widely used in all walks of life in our country.Because of its complex structure and high failure rate，it is extremely easy to cause power failure and cause serious economic loss.This paper briefly introduces the main structure type，working principle and development course of small circuit breaker，classifies the basic faults of small circuit breaker，and expounds the application of computer aided design， new material application and advanced production technology on small circuit breaker.

【Key words】Miniature circuit breaker；Design and development；Manufacture

0 引言

近年来，我国居民和企业对于电能的需求量迅速增加，导致电网的容量激增，同时现代企业对供电稳定性的要求也愈加苛刻[1]。小型断路器在供电过程中起着保护用电的作用，其重要性不言而喻，随着电网容量的增加，小型断路器出现故障的频率也越来越高。

1 小型断路器概述

小型断路器（MCB）主要应用在配电系统中，负责保护线路过载、短路[2]。随着工业技术的不断发展，小型断路器在民用电器、工业企业和建筑行业的应用越来越广泛，是极其重要的电器元器件。电网容量的激增对小型断路器的体积大小、智能化程度、可靠性要求更加苛刻。只有对其进行科学合理的设计、研发，以及提高工艺技术，并进行一定优化设计，才能生产出符合要求、安全可靠的小型断路器。

1.1 小型断路器的发展

我国小型断路器（MCB）的发展历程从时间上来看，大致可以划分为四个历史阶段[3]：

（1）仿制階段。上个世纪50年代，仿造苏联A3100型断路器，研制了DZ1型小型断路器。但是该系列小型断路器（MCB）存在很多缺点，例如体积太大、分断性能差等缺点。60年代，在此基础上进一步完善，据此研发了第一批小型断路器（MCB）DZ10型。在此后的二十年内，该系列经过不断改进，分断能力不断提高。

（2）自主尝试阶段。60年代中后期，研发了第一代漏电保安器，该漏电保安器采用DZ5-20系列断路器。此后十多年内，我国又成功地自主设计的电流动作型电磁式漏电断路器，短路分断能力达到了380V-3kA和5kA。

（3）引进吸收阶段。80年代以后，引进美国的西屋公司、德国的F&G;公司以及日本的寺崎电器公司的先进技术，在此基础上逐渐发展了CM1型、TMM30型、TG系列的BD、BF型，以及JXM2型、HSM1系列、S系列小型断路器。

（4）自主研发阶段。进入新世纪以来，以上海电器科学研究所为代表的国产小型断路器开始进行研发阶段。2005年，上海电器科学研究所牵头，联合了几家具有研发实力的企业，共同研发了我国第四代低压电器，其中就包括新一代小型化塑壳断路器。这一系列产品的总体技术水平已经与国际领先水平持平，这意味着我国已经能基本摒弃仿制模式，开创了新时代。其中，上海永继电气股份有限公司开发的JVM16系列小型断路器达到国际水平。

1.2 小型断路器基本结构

根据低压断路器结构上的差异，可以分为两大类，分别是万能式低压断路器和塑料外壳式低压断路器[4]。小型断路器归属于塑料外壳式低压断路器，单极宽度是18mm，虽然尺寸较小但分断能力大。

目前小型断路器（MCB）主要由动、静触头、灭弧室、热脱扣器、磁脱扣器、操作机构、接线端子和塑料外壳等几大部件组成[5]。同时具备短路保护和热保护两种保护功能，其中磁脱扣器（螺管电磁铁）负责短路保护，而热脱扣器（双金属片）负责热保护。小型断路器的动、静触头结构一般是U型触头，如下图所示：

1.3 小型断路器工作原理

小型断路器的作用体现在两方面：正常工作时，不频繁地合、分电路或者启、停电动机；线路出现异常，迅速切断电路，防止故障升级。其具体工作原理如下：短路保护中，一旦线路出现异常情况，立即将触头进行分断，此时触头之间的电弧电压会激增，从而限制电流，起到保护作用；磁保护中，一般采用螺管电磁铁，通过电磁铁动铁芯带动脱扣机构断开触头，从而获得电弧电压来抑制短路电流，并且可以通过对电弧的切割和冷却来快速灭弧[6]。

图1 U型触头主要结构

过载保护中，一旦线路出现电流异常情况，双金属片因过电流而发热弯曲，推动操作机构动作，从而立即将动、静触头进行分断，起到保护电路的作用。

2 当前小型断路器基本故障类别

目前来说，小型断路器的主要故障有触头烧损严重、外壳击穿、时间电流特性精度偏低和短路分断能力不可靠等问题。为了保证正常供电，以及保障人们的生命安全，需要对小型断路器的典型故障类型进行分析和探究，国内所生产的小型断路器主要存在以下问题：

2.1 设计不足产生的故障

国内小型断路器分断性能太低，实际上大多低于6kA，远远低于电网对于短路保护要求的标准值。需要分断能力的提升，最高分断能力达到25KA及以上；小型断路器大多没有短路短延时保护作用，这很容易造成越级跳闸故障，进而引起断电；由于不同使用场合对短路瞬时脱扣的要求标准不一样，而目前大多数可选的类型仅为B、C、D型，难以满足要求。因此需要进行K曲线的研究和提高保护精度的研究；关于断路器的辅助配件，大多数小型断路器仅仅只是配备了备用辅助触头、欠电压和过电压保护装置和报警触头，这还不够完善。需要结合计算机技术和物联网的发展趋势进行技术攻关，从而实现对电网质量的能效管理和智能管理。

2.2 生产制造产生的故障

当前，我国生产小型断路器的厂家多达数百家，但是其生产能力参差不齐，大多数厂家仍然采用手工装配，生产工艺也比较落后。即使部分先进厂家已经采用了自动检测线进行生产，仍然没有配置自动装配线，关键生产工艺也没有实现自动化。这导致所生产的断路器质量稳定性较差，而且不能保证同一批次产品的一致性。

2.2.1 外壳故障

如果断路器的外壳厚度不够，或者断路器外壳的材料成分比例不对，都会导致断路器的外壳材料达不到所预期的性能要求。一旦断路器在分断短路电流时，其产生的电弧能量很大，极其容易造成断路器外壳的破裂。另一方面，在分断过程中，产生的电弧具有烧蚀作用，长此以往，会导致断路器内部严重碳化，在进行验证介电性能时，这种碳化最终会引起断路器耐压击穿。

2.2.2 触头故障

如果触头的材料选择不当或不符合要求，或者在分断过程中操作机构动作太慢，导致触头被严重烧毁。进而导致小型断路器的手柄虽然已经合闸，但是动触头和静触头却无法正常接触，产生不通电的现象。

3 计算机仿真助力小型断路器设计研发

隨着计算机性能的不断提升，以及算法的不断改进，目前计算机CAD/CAM/CAE辅助设计已经在车辆、船舶、航空航天等多个领域应用，并且取得了良好的效果。在断路器领域，鉴于小型断路器的外形复杂，材料性能要求高，而且容易受到周围温度场、磁场、电场等影响，因此，采用有限元软件对其进行模拟仿真试验，对小型断路器的研发设计很有必要。

在小型断路器外形设计方面，CAD和CAM技术可以根据设计的曲面，对模型的边界条件和离散方式进行定义、控制和初始，迅速准确地建立起三维曲面，最后经过渲染，输出三维图形。CAD和CAM可以直观的对断路器进行设计，代替传统模具，具有很高的效率，且可视化效果良好。

在性能设计方面，小型断路器涉及到多个物理场的耦合，CAE技术可以辅助完成其中的很多性能试验分析。ANSYS软件作为一种应用广泛的有限元软件，针对断路器有专门的模块，可以对断路器进行运动分析、受力分析甚至是塑料压注成型分析。Workench作为多物理场耦合平台，可以分析断路器在电磁场、温度场、应力场综合作用下的性能，为小型断路器的设计提供帮助。同时，CAE成本低、效率高，可以结合优化方法，引入虚拟技术，对断路器进行优化设计。VSA公差分析软件可以进行产品各个零部件的尺寸链分析并找出关键影响因子，为尺寸公差优化提供依据。

同时，作为现代小型短路器的发展方向之一，智能化设计和研发对于小型断路器至关重要。在小型断路器中植入微处理器，可以完善小型断路器的多功能化，提高断路器保护功能的多样化和智能化。

4 新材料在小型断路器设计上的应用

4.1 塑料外壳材料

针对塑料外壳的材料选用，必须要考虑小型断路器实际工作环境的特殊性。一般来说，塑料材料需要满足一定的安全认证，例如3C认证、UL认证等；同时塑料材料还需要满足一定防火要求，可燃性UL94可以对材料被点燃后熄灭的能力进行评价，目前来说，它是适用最广的可燃性能指标。

4.2 触头新材料技术

由于小型断路器的额定电流大小不一，短路分断能力也存在很大差异，这些造成了触头材料的使用寿命很短。所以，在选用材料时，尤其是触头材料，需要慎重考虑以下影响因素：触头的导热以及导电性。目前，Ag-W和Ag-C是触头的普遍使用材料，但是Ag-C在大电流分断时会使得电弧侵蚀量显著上升，Ag-W燃弧后产生钨氧化物会沉淀至触头上，长期以往，容易造成接触电阻值逐渐增大，性能变差。随着新材料技术的发展，Ag-W-C的新组合已经在研发中，试验结果表明，该材料的接触电阻值很小，而且不容易受到电弧的侵蚀，同时具备很好的抗熔焊性。这对断路器的短路分断能力的提升有很大帮助。

5 先进制造工艺在小型断路器制造上的应用

5.1 塑料外壳制造工艺

小型断路器塑料外壳制造加工时，鉴于注塑工艺的特殊性，需要保证其壁厚在一定标准区间内。如果塑胶件的壁厚过薄，会导致注塑时产生的粘性阻力太大，阻碍流动，进而导致塑胶熔料难以迅速、完整地填满型腔。此时，为了得到更高的充满速度和注射压力，就需要采用注射设备进行辅助填充；如果塑胶件的壁厚过厚，会导致零件难以迅速冷却。一般来说，当零件的壁厚增厚至原来的一倍时，其冷却时间大约是原来的四倍。此时，过厚的壁厚使得零件成型周期大大延长，降低生产制造效率，增加了成本。另一方面，塑胶件的过厚壁厚难以保证注塑的均匀性，不利于散热，导致零件出现气孔、翘曲等不良现象。

5.2 环境友好型工艺

在未来的小型断路器研发及制造过程中，都应该坚持环境友好理念，严格采用环保材料，同时做好材料的回收。例如：在选择塑料外壳时，尽量选用无卤阻燃的可回收材料，触头尽量不选用含隔材料。减少电镀工艺的使用，除了外露的导电零件，其它内部导电零件尽量不采用电镀工艺，以避免电镀对环境的不利影响。灭弧室的导磁栅片不采用传统的镀镍或镀铜工艺，而采用特殊工艺处理的新材料直接冲压零件。

5.3 数字化制造工艺

目前，随着各种传感器技术突飞猛进和信息化技术的日趋成熟，利用数字化手段实现断路器的生产制造工艺的转型升级是未来发展趋势，也是企业提升产品质量和降低成本的关键举措。企业在数字化工厂改造时需要分以下四步进行：一是精益生产，工业工程师对生产流程进行梳理，提升各个工序的管理水平和生产效率；而是透明工厂，IT工程师把IT管理软件进行优化和固化在管理系统中；三是自动化工厂，自动化工程师根据企业条件用各种机器设备替代人力。对小型断路器来说，主要实现以下几大生产工序的自动化：金属零件冲压自动化并与焊接自动化配套在线生产、线圈加工自动化并焊接自动化配套在线生产、塑料零件在线自动化生产、产品装配自动化和在线检测自动化；四是数字化工厂，基于同一个底层的数据库，把人、自动化设备、IT系统连接在一起，为现实工厂在虚拟世界里建立一个“数字化双胞胎”，从而实现对整个產品生命周期的全方位管理和质量控制。

6 总结展望

小型断路器因其良好的线路过载和短路保护功能，被广泛应用于企业、商业和小区住宅。由于现在居民和工业对电能的依赖程度越来越大，导致电网容量激增，同时现代企业对于供电稳定性的要求也更加苛刻，这就对小型断路器的要求也随之越加苛刻。小型断路器零部件多，结构复杂，技术含量比较高，工作环境恶劣，极其容易出现故障。目前而言，小型断路器在设计研发和生产制造等方面都存在一些不完善的地方，会引起严重故障。因此，未来的小型断路器将会朝着智能化、多功能化方向发展，这就必须加强计算机辅助设计、新材料应用、先进生产工艺这几方面在小型断路器上的应用，以保证供电的稳定性和可靠性，满足未来智能电网和万物互联互通的需求。

【参考文献】

[1]龚骏昌.小型断路器现状及发展趋势[J].电器与能效管理技术，2016（1）：1-7.

[2]李敏，李燕，徐大胜，等.小型断路器的选材与结构设计[J].电器与能效管理技术，2014（14）：31-34.

[3]潘锋.小型断路器分断过程的动力性能研究[D].上海交通大学，2007.

[4]周志敏.小型断路器的发展与应用[J].电气开关，2002， 40（5）：1-4.

[5]何瑞华.我国新一代低压电器发展趋向[J].电器与能效管理技术，2013（3）：1-6.

[6]顾翔，尹天文，蒋顾平，等.小型化塑壳断路器的技术发展动向[J].电器与能效管理技术，2013（9）：1-3.