低压断路器热脱扣器的设计分析

吴亦儿

摘要：低压断路器是低压配电系统中的重要组成部分，不仅可以正常接通与分断负荷电流，还可以自动脱扣分断短路电流，在电路中发挥保护功能。而低压断路器中的脱扣系统的设计实现低压断路器的保护性功能。本文主要探讨低压断路器脱扣系统的其中一种热脱扣器的设计分析。

关键词：低压断路器；热脱扣器；双金属元件；设计

热脱扣器是按照流过脱扣器电流的热效应而动作的一种过载脱扣器，是低压断路器中用于过载长延时的保护装置。热脱扣器的功能，决定了低压断路器的性能，决定了电力低压系统的安全性与可靠性。

一、热脱扣器的设计原理

由于微电子技术的发展和智能电器的出现，电子脱扣器取代了一部分热脱元件的功能，但双金属片元件在热脱扣器中，由于结构简单、成本较低、制造方便、加工工艺简单、不受电磁干扰影响、动作特性稳定等优势，目前双金属片元件还是热脱扣器的主要组成部分。

热脱扣器其工作原理是以电流的热效应为基础，当低压断路器通入过载电流时，截流导体就会发热，将热量传到双金属片，使双金属片受热弯曲，推动脱扣杆达到脱扣行程，使低压断路器断开电路，起到一个保护低压电力系统的作用。

二、热脱扣器的设计实现

双金属片设计：双金属在低压断路器智能脱扣器中，起到重要的作用，其为复合材料，由两层或多层不同温度膨胀系统的金属合金材料结合而成，具备热敏性特征，根据外部温度的变化，产生不同的弯曲变形S。

（一）结构设计

低压断路器热脱扣器中的双金属片结构，一般采用平直型、U型的设计方法，方便做出直线运行。双金属元件还可以根据热脱扣器的设计要求，设计碟形圆片状态，在作用力大时用于精密、细小的直线运行。当脱扣器有旋转运动时，就要把双金属结构，设计成直螺旋型元件。

双金属元件的加热方式也是直接影响双金属元件的结构设计一个重要因素，在低压断路器中，双金属元件主要是通过电流加热使其弯曲变形，当电流超过某设定值外，双金属元件产生推力F推动脱扣杆，达到断开电流作用。

例举：低压断路器热脱扣器中平直形双金属元件的设计如下：

在上图中，热脱扣器双金属元件设计为悬臂梁的平直形双金属片，当双金属片通过过载电流产生的热量时，发生弯曲变形S，当变形受到脱扣杆的阻档时，相应会对脱扣杆产生一個作用力F，和受热变形时产生一个内应力σ，这两个参数决定热脱扣元件的性能优劣。需要满足以下条件：S≥L（脱扣行程），F≥F（脱扣力），σ≥[σ]（材料的最大许应力），计算公式如下：

S =KL2τ[]δ （mm）

F =3EJ[]L3S=KEbδ2[]4L τ（N）

σ=E[]2（α2-α1）（θ-θ0）（N/mm2）

式中：δ—双金属片的厚度（mm）；

L—双金属片的有效长度（mm）；

τ—双金属片的温升（℃）（τ=θ-θ0）；

Κ—比弯曲，可从双金属片材料手册中查到（1/℃）；

E—弹性模量（N/mm2）；

J—双金属片截面惯性矩（mm4）；

b—双金属片的宽度（mm）；

α1、α2—分别为主动层和被动层的线胀系数。

（二）双金属片的选材与加工工艺

根据脱扣器的设计额定等级选用不同膨胀系系数与允许使用的温度的双金属材料。要实现脱扣功能，在相同的受热条件下，主动层的热膨胀系数要大于被动层的热膨胀系数，从而让双金属片弯向脱扣杆方向。具体的选用材料可以根据设计要求和供应商的开发能力来研发选用。如现有低压断路中所用的双金属片是包含三种材料压制形成，主动层为比弯曲K高的复合材料，主要有锰镍合金、镍锰铁合金等；被动层为比弯曲K低的复合材料，主要是镍铁合金，中间再加上一层铜作为两合金材料的导电体，让热量的传递更合理性，保证设计的准确性更高。

双金属片的冲压工艺中，冲压边缘位置，不能有毛刺，制作时要打磨毛刺，消除脱扣器结构的内应力，因为热脱扣器冲压时，就会在双金属结构产生内应力，降低了双金属的灵敏度，所以应该消除结构的内应力，选择低温热处理技术，此项技术实施期间，注重温度、次数等因素的控制，可以实行多次热处理，以便提高双金属在脱扣器中的作用。

（三）热脱扣器的组装工艺

1）点焊技术。

完成双金属片的设计，选材，生产之后，然后双金属片与连接板、加热电阻元件、软连接等热脱扣器的其它零件组装在一起，一般采用点焊的方法。点焊技术，直接关系到脱扣器后期使用的稳定性，尤其是双金属片与连接点的焊接位置。焊接时，注重双金属片的导电性能，维护双金属在热脱扣器设计中的规范性。

2）机械装配。

脱扣器的机械设计与实现，均是精细化的过程。热脱扣器利用双金属实行机械装配，装配期间要降低机械外力作用，采用调试的方法，调整机械装配，装配的工具，尽量不要直接作用到脱扣器的机械元件中，选用专业工具，调整机械装配的方法，注重调节热脱扣器机械部件的初始位置，规范把控脱扣行程，避免机械装配后的脱扣器，承载过大的机械外力。

三、结语

热脱扣器，是低压断路器脱扣系统中不可缺少的部分。完善与优化热脱扣器中双金属片的设计，才能更好保护低压断路器的电力系统，维护电力低压系统的安全性与可靠性。

参考文献：

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