小型斷路器熱脫扣穩(wěn)定性的分析計(jì)算

1、小型斷路器熱脫扣穩(wěn)定性的分析計(jì)算? 小型斷路器熱脫扣穩(wěn)定性的分析計(jì)算 小型斷路器熱 脫扣穩(wěn)定性的分析計(jì)算 姜 義 非 (上海西門子線路保護(hù)系 統(tǒng)有限公司 , 上海 201514) 姜義非 (1976 ),男,工程師 ,主要 從事低壓電器的設(shè)計(jì)、開發(fā)測(cè)試等工作。 摘 要：小型斷路 器 (MCB) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) ,同規(guī)格 MCB 適用不同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時(shí) , 如 IEC 60947 和 IEC 60898, 需要對(duì)約定電流范圍內(nèi)的熱彎曲 位移和熱推力進(jìn)行校核計(jì)算 ,以匹配脫扣機(jī)構(gòu)的脫扣位移和 脫扣力。 結(jié)合產(chǎn)品實(shí)例 ,計(jì)算了直條型雙金屬的熱彎曲和熱推 力,推算和總結(jié) MCB 具備熱脫扣穩(wěn)定性的必備條件

2、,給出了 提高 MCB 一次交驗(yàn)合格率的建議。 關(guān)鍵詞：小型斷路器 ; 熱 雙金屬元件 ; 熱彎曲 ; 熱推力 0 引 言 同規(guī)格的小型斷路 器 (Miniature Circuit Breaker,MCB) 可以適用兩種不同產(chǎn)品標(biāo) 準(zhǔn),即 IEC 60947 和 IEC 60898, 兩種標(biāo)準(zhǔn)在約定電流下對(duì)產(chǎn)品 的熱脫扣特性要求不同。 在這種情況下 ,需要對(duì)熱雙金屬的熱 彎曲位移和熱推力進(jìn)行校核計(jì)算 ,以匹配脫扣機(jī)構(gòu)的脫扣位 移和脫扣力 ,由此滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 ,并通過優(yōu)化設(shè)計(jì) ,提高 MCB 的脫扣穩(wěn)定性。 1 MCB 熱脫扣穩(wěn)定性原理分析 MCB 熱脫 扣過程 ,就是熱雙金屬熱推力克服機(jī)構(gòu)阻

3、力做功的過程,也是熱雙金屬彎曲位移和機(jī)構(gòu)脫扣位移之間協(xié)作的過程。 為便 于說明 ,以 IEC 60898-1 約定脫扣電流為準(zhǔn) ,定義如下參數(shù) : (1) 牽引桿初始位置 P0; (2)機(jī)構(gòu)脫扣時(shí) ,牽引桿位置 PT; (3)則MCB機(jī)構(gòu)脫扣位移 P為(1) P在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定。(4)MCB 在預(yù)設(shè)定后 ,定義熱雙金屬的初始位置 X0; (5)MCB 通以 1.13In 的電流 ,達(dá)到溫度平衡時(shí) ,定義熱雙金屬穩(wěn)態(tài)位置 X1.13In; (6)MCB 通以 1.45In 的電流,達(dá)到溫度平衡時(shí) ,定義熱 雙金脫扣位置 X1.45In; (7) 熱雙金屬 1.13In 下初始穩(wěn)態(tài)彎曲 位移

4、X0為(2) (8)熱雙金屬在標(biāo)準(zhǔn)約定電流下彎曲位移XT為 (3)相對(duì) MCB上某基準(zhǔn)點(diǎn),P0、PT、 P是定值。X0、X1.13ln、X1.45ln為動(dòng)值，與預(yù)設(shè)值有關(guān)， X0、 XT 為相對(duì)定值。 熱雙金屬熱彎曲和牽引桿位移之間的關(guān)系構(gòu) 成了 MCB的脫扣特性。分析 XT和厶P的位置關(guān)系 即可判 定斷路器脫扣穩(wěn)定性。正常理想狀態(tài)： P應(yīng)在 XT內(nèi)，如圖1 所示。脫扣特性最穩(wěn)定 ,脫扣時(shí)間在范圍內(nèi)呈正態(tài)分布,處于理想狀態(tài)。 圖 1 MCB 正常理想狀態(tài) 早跳臨界狀態(tài) ：若 X1.13 In >PT,即厶XT區(qū)間位于 P區(qū)間右側(cè)，測(cè)試中MCB則處于早 跳狀態(tài),如圖 2 所示。 圖 2 M

5、CB 早跳臨界狀態(tài) 晚跳臨界狀 態(tài):若X1.45ln PT,即厶XT區(qū)間在PT線左側(cè)，測(cè)試中MCB則 處于晚跳狀態(tài)，如圖3所示。 圖3 MCB晚跳臨界狀態(tài) 若厶 XT>> P則脫扣設(shè)定時(shí)間范圍寬，由此可提高一次校驗(yàn)合格 率FPY和1 h抽檢合格率。 若厶XTP,則出現(xiàn)MCB達(dá)到穩(wěn)態(tài) 位置X1.13ln時(shí),牽引桿已經(jīng)有一定脫扣位移 ，量值為 P-A XT,MCB 易早跳 ,脫扣設(shè)定時(shí)間范圍窄 ,一次校驗(yàn)合格率 FPY低、1 h抽檢合格率隨機(jī)性大，如圖4所示。 圖4 MCB達(dá)穩(wěn) 態(tài)位置 2 機(jī)構(gòu)脫扣位移和脫扣力 根據(jù)脫扣栓和脫扣臂的 相對(duì)脫扣位移 M,計(jì)算可得機(jī)構(gòu)的脫扣位移 P,在產(chǎn)品

6、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型后 ,為定值。計(jì)算機(jī)構(gòu)的脫扣位移如圖5 所示。 圖5 計(jì)算機(jī)構(gòu)的脫扣位移 脫扣位移計(jì)算式為 (4) 以某型 5SJ 產(chǎn)品為例：OA=6.5 mm;OB=7.4 mm, M=0.75 mm(理論上的 脫扣位移 ,即脫扣栓和脫扣臂間的嚙合尺寸 )。安裝凸輪臂后 , 對(duì)機(jī)構(gòu)的脫扣位移距離進(jìn)行微調(diào)，實(shí)際脫扣位移 M=0.42mm,則 P=0.42 X 7.4/6.5=0.48 mm。產(chǎn)品脫扣力平均測(cè)試值 為0.71.2 N。 3熱雙金屬熱彎曲特性計(jì)算分析以同型號(hào)同規(guī)格的產(chǎn)品5SJ/06A適用不同標(biāo)準(zhǔn)為例，計(jì)算熱雙金屬的熱 彎曲和熱推力 ,以匹配不同標(biāo)準(zhǔn)要求的脫扣位移和脫扣力 ,同 時(shí)驗(yàn)證脫

7、扣穩(wěn)定性。 5SJ/06A 對(duì)應(yīng)熱雙金屬牌號(hào)及參數(shù)如表 1 所示。表1 5SJ/06 A對(duì)應(yīng)熱雙金屬牌號(hào)及參數(shù)參數(shù)產(chǎn)品類型 5SJ6/06A5SJ5/06A 適用標(biāo)準(zhǔn) IEC60898IE60947 雙金牌號(hào) FPA721-140FPA721 -140 熱彎曲率X 10-6/C 28.628.6 比彎曲X 10-6/K14.314.3線性溫度范圍/C -20200-20200彈性模 量 X 10-5/(N mm-2)1.341.34 電阻率 /(卩 Q cm)141.3141.3 長/寬/厚度 /mm34/5/0.734/5/0.7 將 MCB 通以 1.05In、1.13In、 1.30 I

8、n、1.45 In 的電流,在熱雙金屬溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,采集溫升數(shù)據(jù),如表 2所示。 表 2 熱雙金屬溫升數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)電流 1.05ln1.30ln1.13ln1.45ln 溫度 T/C 77.4104.585.7120.2 溫升T/K50.477.558.793.2注:環(huán)境溫度：27C ;位置：熱雙金屬(中)。3.1 熱雙金屬熱彎曲計(jì)算 根據(jù)直條型熱雙金屬熱彎曲位移 計(jì)算公式 (1)計(jì)算熱雙金屬在 1.05 In、1.13 In、1.30 In、1.45 In 時(shí)的穩(wěn)態(tài)位移脫扣位移 XT o (5)式中：K 溫曲率；L 有效長度； T溫升；t厚度。以厶X1.13ln為例,即 =1.14 mm整

9、理數(shù)據(jù)如表3所示。表3熱雙金屬穩(wěn)態(tài)位 移和脫扣位移參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60947-2IEC60898-1l1.05ln1.30ln1.13ln1.45lnX0/mm0.981.511.141.82 XT/mm0.530.530.680.68 3.2 熱雙 金屬熱彎曲位移驗(yàn)證 理論計(jì)算的熱彎曲與實(shí)際情況存在差 異，有必要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證在測(cè)撓儀上進(jìn)行，裝置如圖6所示。圖6測(cè)量裝置 在5個(gè)工位上夾持試樣熱 雙金屬以求平均數(shù) ,夾持底部焊接位置 ,測(cè)量探頭對(duì)準(zhǔn)牽引桿 接觸位置，分別在27、50、80、120 C測(cè)得熱雙金屬的溫度- 位移數(shù)據(jù)如表4所示。表4熱雙金屬溫度-位移數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù) 據(jù) 溫度

10、 / C 276090120 位移 /mm0.0100.5941.1381.690FPA721 -140/0.7的線性工作溫度范圍為 -20200 C，因此在 其線性范圍內(nèi) ,擬合求得熱雙金溫度 -位移曲線 ,如圖 7所示。 圖 7 熱雙金屬溫度 -位移曲線 計(jì)算求得 77.4、 104.5、 85.7、 120.2 C時(shí)，熱雙金穩(wěn)態(tài)位移 X0,并計(jì)算求得脫扣位移 XT,如表 5 所示。 表 5 熱雙金穩(wěn)態(tài)位移和脫扣位移參數(shù)I1.05ln1.30ln1.13ln1.45ln 溫度 /C 77.4104.585.7120.2 X0/mm0.9101.4001.0561.684 XT/mm0.49

11、00.4900.6280.628對(duì)比表3、表5脫扣位移 XT,試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)較理論數(shù)據(jù)偏小，應(yīng)該是試驗(yàn)誤差造成。 MCB 實(shí)際工作中 ,熱雙金屬受溫度傳 導(dǎo)影響(兩端溫度低)，脫扣位移 XT比這兩者之值還要小。3.3熱彎曲位移對(duì)脫扣特性的影響熱脫扣分析中， XT和 P的差值越大，則MCB的脫扣特性越穩(wěn)定。比較5SJ5/06A和 5SJ6/06A, XT 依次為 0.490、0.628 mm,其中 5SJ5/06A 熱 彎曲脫扣位移 XT接近機(jī)構(gòu)脫扣位移 P=0.48 mm,是其熱 測(cè)穩(wěn)定性低的主要原因。 也使得該規(guī)格產(chǎn)品在兼容兩標(biāo)準(zhǔn)時(shí) , 很難提高一次校驗(yàn)合格率。 在這種情況下 ,優(yōu)化一些因素可

12、 以提高 MCB 的熱脫扣穩(wěn)定性。 首先 ,依據(jù)熱雙金屬的工作 熱平衡方程：(6)式中：m熱雙金屬質(zhì)量；c熱雙金屬比熱容； Q' 穩(wěn)態(tài)散失熱量；I2約定脫扣電流； 11約定不脫扣電流；R熱雙金屬電阻。若忽略穩(wěn)態(tài)熱量散失 ,則 (7) 代入式 (5),則 (8) 其中 ,I2、 I1 為標(biāo)準(zhǔn)約定 電流,是定值 ；對(duì)于定型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言 ,熱雙金屬尺寸 L 為定值,m、c為雙金材料本身特性。由此可簡化熱雙金彎曲 位移為D=KR/t (9)由式(9)可知,MCB脫扣穩(wěn)定性相關(guān)熱雙 金屬彎曲位移正比于溫曲率K、阻值R(實(shí)際有效阻值)，反比于厚度 t。 對(duì)于上述例舉斷路器 ,提高其脫扣穩(wěn)定性

13、 ,可以選 擇溫曲率 K 更大、電阻率更高的熱雙金屬牌號(hào) ,或者用厚度 較薄的熱雙金屬。對(duì)于溫曲率K,特定牌號(hào)的熱雙金屬材料，其為定值，可依據(jù)選型表選型。 對(duì)于阻值R,可以理解為熱雙 金屬焊接后通流段的有效阻值。從兩方面提高或改善阻值 : 焊接位置不變，選型電阻率較高的熱雙金屬： 改變焊接 位置 ,增加焊接兩點(diǎn)間的長度 ,來提高熱雙金屬的有效阻值,從而提高產(chǎn)品脫扣穩(wěn)定性。 不過上述改進(jìn)需要對(duì) MCB 的溫升、 功耗、分?jǐn)嗵匦赃M(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于熱雙金屬厚度t的選擇，限制頗多 ,除了材料復(fù)合技術(shù)的限制外,更需要進(jìn)行熱力計(jì)算 ,對(duì)其驅(qū)動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行校對(duì) ,否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p害產(chǎn)品的脫扣穩(wěn)定性。4雙金驅(qū)動(dòng)負(fù)荷計(jì)算

14、熱脫扣過程就是熱雙金屬熱推力克服機(jī) 構(gòu)做功的過程。熱雙金屬熱彎曲變形受到抑制后,將產(chǎn)生推力。 如果這個(gè)推力小于脫扣阻力 ,熱雙金屬將產(chǎn)生應(yīng)力。該應(yīng)力若大于熱雙金屬的屈服應(yīng)力極限 ,熱雙金屬將產(chǎn)生永久變 形,也將失去脫扣穩(wěn)定性。因而有必要對(duì)熱雙金屬不同穩(wěn)態(tài)下的熱推力進(jìn)行校核計(jì)算。 直條形熱雙金屬推力計(jì)算式為 (10) 式中：E彈性模量；B有效寬度。參照表1參數(shù)，以熱雙金屬FPA721-140為例，其有效工作寬度4 mm,有效長度30 mm。計(jì)算熱雙金屬在約定電流1.05ln、1.13 In、1.30 In、1.45In時(shí)的熱推力F,以F1.05ln為例。 =1.67 N熱雙金屬在幾 種穩(wěn)態(tài)電流下

15、的熱推力如表 6所示。 表 6 熱雙金屬在幾種 穩(wěn)態(tài)電流下的熱推力參數(shù) 1.05ln1.30ln1.13ln1.45ln溫升 T/K50.477.558.793.2F/N1.672.571.953.10 由表 6可見,該熱雙 金屬在幾種穩(wěn)態(tài)電流下所產(chǎn)生的熱推力 F 均大于機(jī)構(gòu)脫扣最大阻力 (1.20 N), 因此認(rèn)為其驅(qū)動(dòng)負(fù)荷對(duì) MCB 脫扣特性不構(gòu) 成影響。 5 結(jié) 語 (1)在 MCB 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱雙金屬匹配計(jì) 算中，熱雙金屬約定電流下的脫扣位移 XT>>機(jī)構(gòu)脫扣位移P是脫扣特性穩(wěn)定的保障，同時(shí)必須對(duì)約定電流下的熱推 力 F 進(jìn)行校核計(jì)算 , 以匹配驅(qū)動(dòng)負(fù)荷。 (2)在結(jié)構(gòu)定

16、型情況下 提高M(jìn)CB熱脫扣穩(wěn)定性，應(yīng)從改善熱雙金屬溫曲率K、提高其有效電阻R和降低材料厚度t這三方面來考慮。(3)適當(dāng) 減小脫扣機(jī)構(gòu)的脫扣位移P降低機(jī)構(gòu)的脫扣力，可提高產(chǎn)品脫扣穩(wěn)定性。 【參 考 文 獻(xiàn)】 1 熱雙金熱彎曲試驗(yàn)方 法:GB/T8346 2008S. 2邵東陽.熱雙金屬元件在小型熱 斷路器中的應(yīng)用分析J.江蘇電器，2005(2):17-18. 3周茂祥. 低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè) M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,1992. Stability Analysis and Calculation on MCB Thermal Tripping JIANG Yifei (Siemens Circ

17、uit Protection System Co., Ltd., Shanghai 201514, China) Abstract ： While in MCB structure design or different standard applied on same MCB, such as IEC 60947 or IEC 60898, for bi-metal,it needs checking and calculation for thermal deflection and thermal push force, which is on different condition with standard tripping current,in order to match the bi-metal tripping characteristic with MCB mechanism.This article has a detailed description for impact elements and pro