摘要: 介绍了HNW3-1600 万能式断路器主要性能和结构特点，阐述了小型化断路器降低温升、提高性能指标、提高断路器稳定性及智能化的方法和措施。
关键词: 万能式断路器; 小型化; 稳定性; 性能指标
中图分类号: TM 561 文献标志码: A 文章编号: 1001-5531(2010)22-0059-04
0 引言
随着我国配电行业的不断发展，低压电器产品尤其是低压断路器也在不断发展。国际著名电器厂商相继推出了新一代产品，万能式断路器正在向高性能体积比、高稳定性、高智能方向发展。江苏辉能电气有限公司推出的HNW3-1600 万能式断路器，正是顺应了发展趋势，满足了市场对于产品的更高要求。
1 型号规格及性能指标
HNW3-1600 万能式断路器的外形尺寸及主要性能指标如表1 所示。
2 结构特点
2. 1 体积小
HNW3-1600 万能式断路器的外形尺寸较HNW2-2000 断路器小，具体比较如表2 所示。
2. 2 温升低
HNW3-1600 万能式断路器的温升如表3 所示。
2. 3 稳定性高
HNW3-1600万能式断路器结构新颖，运行稳定，主要特点如表4 所示。
2. 4 智能化
HNW3-1600万能式断路器可配套多种智能控制器，具有过载长延时、短路短延时、短路瞬时等基本保护功能，同时，具有电流不平衡保护、相序保护等高保护功能。断路器能够对电网质量、设备信息等进行有效检测和记忆，并可配用不同的现场总线，如Modbus、DeviceNet，实现数据的远程传输、检测、控制，可充分满足成套装备的配电自动化要求。
3 课题和措施
研发HNW3-1600万能式断路器过程中，主要技术难题及解决的方法和措施如表5 所示。
3. 1 降低连接处接触电阻
断路器结构如图1所示。序1 与序2、序4 与序5 采用螺钉连接，属于静态连接;序5、序6 接触部分采用银合金电阻钎焊，并通过压缩弹簧压紧连接，属于动态连接;序3 采用板状弹簧，以一定压力连接序2、序4，方便断路器本体插接时能自由断开和连接，属于动态连接。
3. 1. 1 降低静态连接处的接触电阻
与HNW2 系列万能式断路器相比，HNW3-1600 万能式断路器具有静态连接多、接触电阻影响大的特点。为了降低序1 与序2、序4 与序5 静态连接的接触电阻，随机抽样进行了温升试验，并对断路器温升分布进行了检测和记录，发现在静态连接处温升高于其余部分。经过分析，温升高的原因可能是导体接触面平整度低。
采用压感纸对连接端面进行了检测，同时，采用压力机对连接端面进行直接加压后得到的接触面积小于理论面积，采用钢尺在连接端面刮拭得到的摩擦面也局限在边缘或螺纹孔处。经过详细调查发现，平整度差是导致接触电阻大的主要原因，平整度差是由设计方案缺乏工艺性导致的。通过修改导体外形结构、优化加工工艺，HNW3-1600 万能式断路器静态接触面积显著增大。
3. 1. 2 降低动态连接处的接触电阻
断路器桥形触头如图2 所示，接触片厚度2 mm，尽管装有32 片接触片，但接触片与导体的接触面还是偏小，导致接触电阻较大，当输入满负荷电流时，桥形触头的温升偏高。桥形触头水平放置在胶木底架内，散热性差，导体与桥形触头的接触时间愈长，温升就愈高。另一方面，桥形触头的支架是铸铝，熔点低，强度差，当桥形触头长时间满负荷工作时，在高温和应力的作用下，铝框架容易发生蠕变，接触片与导体的接触面积、接触压力变小，使接触电阻增大，温升提高，恶性循环导由图1可知，HNW3-1600 万能式断路器的桥形触头与导体的理论接触面积增加了100%，减小了接触电阻;新桥形触头支架采用优质材质，由发热产生的蠕变变小;同时，新桥形触头空间分布有利于充分增大散热效率。
通过降低动态、静态连接处的接触电阻，增大桥形触头接触面积，改变桥形触头材质和空间分布，在既定的小空间内，HNW3-1600 万能式断路器满足了GB 14048. 2 对温升的考核要求。
3. 1. 3 降低分断试验后温升
根据GB 14048. 2 标准，(额定极限运行分断容量)分断(O － CO － CO 过程)后，接线端子的温升必须在规定值以下。由于分断时触头的损伤非常大，而小型化后这种状态将变得更加恶劣，所以，减轻断路器分断时的触头损伤成为控制温升的重要研究课题。
通过理论分析认为，触点可以分为两大部分:① 弧触点，承载带电分合闸的电弧能量;② 主触点(银合金)，长期承载工作电流。
电弧在产生后，迅速地从主触点运动至弧触点，电弧能量由弧触点承担;同时，在主、弧触点周围安装的产气材料在高温下产生高压气体，有利金属相向气相电弧的转变;高压气体在灭弧室内外部形成压力差，驱动电弧向灭弧室运动，有利提高电弧电压，减小电弧对触点的烧灼。
HNW3-1600 万能式断路器动、静触头的前端进行了延伸，并装配了弧触点。分断时，电弧能量在动触头前端积累，减少了主触点上的损耗。这样，在程序II 试验后的温升被控制在规定值以下。
3. 2 提高稳定性
3. 2. 1 二次端子设计
断路器所用二次端子对接模式主要有针孔、滑片对接方式。针孔对接方式主要分为2 大部分:固定部分和可动部分。可动部分固定在本体上，随本体一起运动;固定部分固定在抽屉座上。该结构具有端子回路数较多、结构紧凑等优点。但笔者在应用时却发现，该结构存在兼容性低的问题。
经分析，该结构要安装在与侧板安装状况相关的支架上。断路器侧板具有不对称性和无规律性，检测、安装人员必须根据实际情况相应调整二次端子的位置，确保断路器二次回路可靠导通。
不同的断路器的二次端子具有不一致的位置，用户需要仔细核对断路器编号，以确保本体与抽屉座的配合，保证二次端子可靠导通。
HNW3-1600 万能式断路器所用二次端子采用滑片式插接设计，分为2 大部分:① 可动部分固定在本体上随本体一起运动，导电部分为弹性导电片;② 固定部分固定在抽屉座上，允许左右一定距离的自由运动空间，2 大部分具有相互导向功能。HNW3-1600 万能式断路器运动过程中，固定部分根据可动部分自动判断位置，实现对接。
HNW3-1600 万能式断路器所用二次端子采用螺钉对外连接，连接处配有绝缘罩保护结构。该设计符合人性化设计，具有防尘和提高绝缘性能的效果。
经过改进后，HNW3-1600 万能式断路器提高了抽屉座与本体的兼容性，满足了生产需求。
3. 2. 2 抽屉座设计
通过整理客服信息发现，用户对抽屉式断路器的投诉主要包含以下部分:① 断路器本体无法抽出;② 断路器无法远程合闸、分闸;③ 断路器本体无法现场合闸。
分析处理结果发现，用户在断路器错误状态下执行了操作，导致断路器不能正常工作甚至损坏。进一步分析又发现，抽屉座位置指示存在误差范围，抽屉座缺乏声音和位置锁定等辅助提示功能，是位置判断困难的主要原因;其次，插接力大、插接困难导致用户错误认为断路器已经处于预期位置或断路器已经损坏而不敢进一步操作断路器;再者，本体在分离位置无限位功能，本体在倾斜状态下滑出抽屉座，导致断路器损坏。因此，保证正确的位置指示、合适的判断标准、合适的插接力、增加分离位置限位功能对提高抽屉式断路器的稳定性具有重要意义。
通过设计三位置指示、锁定功能、“分离”位置限位功能、优化桥形触头和导体表面光洁度及配合角度降低了插接力，保证了位置的精确度，提高了断路器的稳定性。
3. 2. 3 辅助触头设计
辅助触头是在断路器中作控制、信号、联锁等用途的开关元件，具有输出端子数量众多。接线繁杂，安全距离狭小，负载多样，交流、直流、电压等级等需求不确定的特点。为此，新开发的辅助触头必须具有兼容和性能稳定的特点。
HNW3-1600 万能式断路器所用辅助触头具有交、直流两用特性，标准配置回路具有4NO4NC相互独立回路。各个回路具有独特的触头灭弧系统，能够长期稳定承载DC 250 V 1. 5 A 容性或感性负载。各个回路接线端子采用条形连接器直接连接，配套绝缘护套，使用安全，插接可靠。
为满足电气连锁等控制功能需求，HNW3-1600 万能式断路器所用辅助触头允许配置14 路独立的常开、常闭触点输出。
4 提高性能
根据GB 14048.2—2008标准规定，HNW3-1600万能式断路器要能够在0.5s 或1s内承受额定短时耐受电流。在分断试验(O－CO或O－CO－CO)后，还必须验证5%的电寿命和温升。为实现以上目标，公司运用Ansys 软件对断路器分闸过程进行了优化仿真，重新设计了操作机构部件、动静触头以降低触头颤动，提高断路器动热稳定性;采用了全新的软连接焊接方法，以降低焊接处的回路电阻;改进了灭弧室，加强引弧性能，增大灭弧室内、外压力差，提高电弧运动速度。经过改进，HNW3-1600 万能式断路器在有限空间内实现了最大的性能体积比，满足了小型化、高性能的要求。性能体积比如表6 所示。
5 结语
HNW3-1600万能式断路器的成功开发，满足了小型化、高性能、高稳定性的预期要求，产品符合GB 14048. 1—2006、GB 14048. 2—2008 等国家标准，各项技术性能指标达到了国际领先水平，其后续工作将着重进一步提高额定运行短路分断能力、额定短时耐受电流;完善HNW3 系列产品，开发HNW3-4000、6300 万能式断路器;配合智能电网技术研发模块型全智能化附件。
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