小型断路器热脱扣稳定性的分析计算
? 小型断路器热脱扣稳定性的分析计算小型断路器热脱扣稳定性的分析计算姜义非(上海西门子线路保护系统有限公司, 上海201514) 姜义非(1976—),男,工程师,主要从事低压电器的设计、开发测试等工作。摘要：小型断路器(MCB)在结构设计时,同规格MCB适用不同产品标准时,如IEC 60947和IEC 60898,需要对约定电流范围内的热弯曲位移和热推力进行校核计算,以匹配脱扣机构的脱扣位移和脱扣力。结合产品实例,计算了直条型双金属的热弯曲和热推力,推算和总结MCB具备热脱扣稳定性的必备条件,给出了提高MCB一次交验合格率的建议。关键词：小型断路器; 热双金属元件; 热弯曲; 热推力0 引言同规格的小型断路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)可以适用两种不同产品标准,即IEC 60947和IEC 60898,两种标准在约定电流下对产品的热脱扣特性要求不同。在这种情况下,需要对热双金属的热弯曲位移和热推力进行校核计算,以匹配脱扣机构的脱扣位移和脱扣力,由此满足标准要求,并通过优化设计,提高MCB 的脱扣稳定性。 1 MCB热脱扣稳定性原理分析MCB热脱扣过程,就是热双金属热推力克服机构阻力做功的过程,也是热双金属弯曲位移和机构脱扣位移之间协作的过程。为便于说明,以IEC 60898-1约定脱扣电流为准,定义如下参数: (1)
牵引杆初始位置P0; (2)机构脱扣时,牵引杆位置PT; (3)则MCB机构脱扣位移ΔP为(1) ΔP在产品结构设计时确定。
(4)MCB在预设定后,定义热双金属的初始位置X0; (5)MCB
通以1.13In的电流,达到温度平衡时,定义热双金属稳态位置X1.13In; (6)MCB通以1.45In的电流,达到温度平衡时,定义热双金脱扣位置X1.45In; (7)热双金属1.13In下初始稳态弯曲
位移ΔX0为(2) (8)热双金属在标准约定电流下弯曲位移ΔXT为(3) 相对MCB上某基准点,P0 、PT、ΔP是定值。X0、X1.13In、X1.45In为动值,与预设值有关,ΔX0、ΔXT
为相对定值。热双金属热弯曲和牵引杆位移之间的关系构成了MCB的脱扣特性。分析ΔXT和ΔP的位置关系,即可判定断路器脱扣稳定性。正常理想状态:ΔP应在ΔXT内,如图1所示。脱扣特性最稳定,脱扣时间在范围内呈正态分布,处于理想状态。图1 MCB正常理想状态早跳临界状态:若X1.13 In >PT,即ΔXT区间位于ΔP区间右侧,测试中MCB则处于早跳状态,如图2所示。图2 MCB早跳临界状态晚跳临界状态:若X1.45In PT,即ΔXT区间在PT线左侧,测试中MCB则处于晚跳状态,如图3所示。图3 MCB晚跳临界状态若ΔXT>>ΔP,则脱扣设定时间范围宽,由此可提高一次校验合格率FPY和1 h抽检合格率。若ΔXTP,则出现MCB达到稳态位置X1.13In时,牵引杆已经有一定脱扣位移,量值为ΔP-ΔXT,MCB易早跳,脱扣设定时间范围窄,一次校验合格率FPY
低、1 h抽检合格率随机性大,如图4所示。图4 MCB达稳态位置 2 机构脱扣位移和脱扣力根据脱扣栓和脱扣臂的
相对脱扣位移ΔM,计算可得机构的脱扣位移ΔP,在产品结构设计定型后,为定值。计算机构的脱扣位移如图5所示。图5 计算机构的脱扣位移脱扣位移计算式为(4) 以某型5SJ 产品为例:OA=6.5 mm;OB=7.4 mm,ΔM=0.75 mm(理论上的
脱扣位移,即脱扣栓和脱扣臂间的啮合尺寸)。安装凸轮臂后,对机构的脱扣位移距离进行微调,实际脱扣位移ΔM=0.42 mm,则ΔP=0.42×7.4/6.5=0.48 mm。产品脱扣力平均测试值为0.7～1.2 N。 3 热双金属热弯曲特性计算分析以同型号同规格的产品5SJ/06A适用不同标准为例,计算热双金属的热弯曲和热推力,以匹配不同标准要求的脱扣位移和脱扣力,同时验证脱扣稳定性。5SJ/06A对应热双金属牌号及参数如表1所示。表1 5SJ/06 A对应热双金属牌号及参数参数产品类型5SJ6/06A5SJ5/06A适用标准IEC60898IE60947双金牌号FPA721-140FPA721-140热弯曲率×10-6/℃28.628.6比弯曲
×10-6/K14.314.3线性温度范围/℃-20～200-20～200弹性模量×10-5/(N·mm-2)1.341.34电阻率/(μΩ·cm)141.3141.3
长/宽/厚度/mm34/5/0.734/5/0.7 将MCB通以1.05In、1.13In、1.30 In、1.45 In的电流,在热双金属温升达到稳态后,采集温升数据,如表2所示。表2 热双金属温升数据参数数据电流1.05In1.30In1.13In1.45In温度T/℃77.4104.585.7120.2温升Δ
T/K50.477.558.793.2 注:环境温度:27℃;位置:热双金属(中)。
3.1 热双金属热弯曲计算根据直条型热双金属热弯曲位移计算公式(1)计算热双金属在1.05 In、1.13 In、1.30 In、1.45 In 时的稳态位移脱扣位移ΔXT。(5) 式中: K——温曲率; L ——有效长度; ΔT——温升; t——厚度。以ΔX1.13In为例,即=1.14 mm 整理数据如表3所示。表3 热双金属稳态位移和脱扣位移参数标准
IEC60947-2IEC60898-1I1.05In1.30In1.13In1.45InΔ
X0/mm0.981.511.141.82ΔXT/mm0.530.530.680.68 3.2 热双金属热弯曲位移验证理论计算的热弯曲与实际情况存在差异,有必要对计算结果进行试验验证。验证在测挠仪上进行,装置如图6所示。图6 测量装置在5个工位上夹持试样热双金属以求平均数,夹持底部焊接位置,测量探头对准牵引杆接触位置,分别在27、50、80、120 ℃测得热双金属的温度-位移数据如表4所示。表4 热双金属温度-位移数据参数数据温度/℃276090120位移/mm0.0100.5941.1381.690
FPA721-140/0.7的线性工作温度范围为-20～200 ℃,因此在其线性范围内,拟合求得热双金温度-位移曲线,如图7所示。图7 热双金属温度-位移曲线计算求得77.4、104.5、85.7、120.2 ℃时,热双金稳态位移ΔX0,并计算求得脱扣位移ΔXT,如表5所示。表5 热双金稳态位移和脱扣位移参数
I1.05In1.30In1.13In1.45In温度/℃77.4104.585.7120.2Δ
