厦门大学博硕士论文摘要库 - core · 2016-06-17 · abstract the design &...
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学校编码：10384 分类号 密级
学号：X2005182018 UDC
硕 士 学 位 论 文
低压断路器系统结构设计及仿真技术研究
Systematic Structure Design & Simulation Analysis of
Low-voltage Circuit Breaker
白 晔
指导教师姓名：郭隐彪 教授
专 业 名 称：仪器仪表
论文提交日期：2009 年 11 月
论文答辩时间：2009 年 12 月
学位授予日期：
答辩委员会主席：
评 阅 人：
2009 年 11 月
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年 月 日
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声明人（签名）：
年 月 日
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I
摘要
低压断路器的设计与生产技术在一定程度上反映了整个低压电器发展的水
平，低压断路器也是电力工程与自动化领域的一大支柱产业。低压断路器是低压
成套开关设备的重要组成部分，低压断路器的功能及性能对低压成套开关设备起
着至关重要的作用。
低压断路器的核心智能脱扣器作为低压断路器的数据采集和信号处理单元，
在断路器中起着“大脑”一样的作用。其在工业监控现场工作时，大量的干扰源
可能会造成控制器采样失真、控制失灵,无法正常发出脱扣指令或者不断频繁误
动作等，造成重大的事故。因此，要求脱扣器具有较强的抗外界电磁干扰的能力。
断路器机械操作机构动作速度越快，动作越可靠，其分断能力一般也越高。
因此，低压断路器机械系统的参数对断路器的性能有着重要的影响。
在这个背景下，本课题首先综述了低压断路器的历史、发展、现状和趋势，
并介绍了当前低压断路器的特点、与国际国内标准相关的主要功能和技术参数要
求。其次，结合标准相关的主要功能和技术参数要求，低压断路器的整机结构和
各个组成元件的功能、作用、动作原理，进行各组成元件的材料选择、结构设计
和设计公式推导计算的研究，特别是针对低压断路器的核心部分——智能脱扣器
和机械操作机构作出了深入的分析。从硬件和软件设计上提出了针对低压断路器
智能脱扣器抗电磁干扰的设计改进方案；进一步结合虚拟样机技术和功能强大的
仿真软件——ANSYS 软件，对断路器机械操作机构的关键元件进行有限元仿真分
析，从而得到了材料设计符合性的结论，并且比较了该元件两种设计方案的适用
场合。
关键词：低压断路器；结构设计；有限元仿真
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II
Abstract
The design & manufacturing technology of Low-voltage Circuit Breaker to some
extent reflects the development of the whole low-voltage electrical industry.
Low-voltage Circuit Breaker is one of the support industries in the electric power
engineering & automation fields. Low-voltage Circuit Breaker is the important part of
low-voltage switchgear and its function & performance play the most important role
on low-voltage switchgear.
Intelligent release, the core of Low-voltage Circuit Breaker, is the unit for data
capturing & signal processing. It works like a “brain” for the circuit breaker. During
the industrial monitoring site work, a lot of interference sources may result in the
release’s sampling distortion, out of control, failure in normal tripping or continual
abnormal tripping, which may cause fatal accidents. Therefore, the release is required
to be of comparatively strong ability of anti-electromagnetic interference.
The quicker & the more reliably the mechanical operational mechanism of
circuit breaker operates the higher breaking capacity the circuit breaker has.
Under the said background, this thesis, firstly, summarizes the history,
development, current situation & trend of Low-voltage Circuit Breaker, and
introduces the characteristics of Low-voltage Circuit Breaker and the main function &
technical parameter requirements stated in the related international & national
standards; secondly, considering both standards’ requirements and the whole set
structure of Low-voltage Circuit Breaker and the functions, effect & operational
principles of each part, makes a study of material selection, structure design & design
formula deduction & calculation, especially makes in-depth analysis on the core parts
viz. intelligent release & mechanical operational mechanism of Low-voltage Circuit
Breaker. This thesis put forwards the hardware & software related improvement
programs on the anti-electromagnetic interference design of intelligent release for
Low-voltage Circuit Breaker, and based on the virtual prototyping technology and the
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III
powerful simulation software—ANSYS, makes finite element simulation analysis on
the key components of the mechanical operational mechanism of circuit breaker, and
accordingly proves the design compliance and compares the applicable conditions for
the two design programs.
Keywords: Low-voltage circuit breaker; Structure Design; Finite Element
Simulation
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IV
目录
摘要……………………………………………………………………………… I
Abstract……………………………………………………………………… II
第一章 绪论…………………………………………………………………… 1
1．1 低压断路器简介…………………………………………………………… 1
1．2 低压断路器的种类和结构特点…………………………………………… 4
1．2．1 低压断路器的种类和结构特点……………………………………… 4
1．2．2 低压断路器的结构特点……………………………………………… 5
1．3 断路器发展趋势…………………………………………………………… 9
1．4 虚拟样机技术………………………………………………………………10
1．5 课题研究内容………………………………………………………………11
第二章 低压断路器的主要功能与技术指标分析………………………13
2．1 低压断路器的主要功能……………………………………………………13
2．1．1 过载保护功能………………………………………………………… 13
2．1．2 短路保护功能………………………………………………………… 13
2．1．3 限流分断能力………………………………………………………… 14
2．1．4 选择性保护…………………………………………………………… 14
2．2 低压断路器的主要性能指标………………………………………………16
2．2．1 分断能力……………………………………………………………… 16
2．2．2 使用寿命……………………………………………………………… 17
2．2．3 温升…………………………………………………………………… 17
2．3 低压断路器的技术参数……………………………………………………17
2．3．1 断路器的分断时间…………………………………………………… 17
2．3．2 电气间隙与爬电距离………………………………………………… 17
2．3．3 外壳防护等级………………………………………………………… 18
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V
2．4 小结……………………………………………………………………… 18
第三章 低压断路器系统设计…………………………………………… 19
3．1 低压断路器的结构………………………………………………………19
3．2 触头系统设计……………………………………………………………20
3．2．1 触头………………………………………………………………… 20
3．2．2 灭弧室……………………………………………………………… 23
3．3 监测系统设计……………………………………………………………26
3．3．1 电流互感器………………………………………………………… 26
3．3．2 脱扣机构…………………………………………………………… 29
3．3．3 脱扣器……………………………………………………………… 29
3．4 机械机构设计……………………………………………………………36
3．4．1 机械机构的重要性………………………………………………… 36
3．4．2 机械机构的设计要求……………………………………………… 37
3．4．3 机械机构的工作原理……………………………………………… 37
3．4．4 机械机构的力值计算……………………………………………… 38
3．5 其他电器附件设计……………………………………………………… 40
3．5．1 电动操作机构………………………………………………………40
3．5．2 欠电压脱扣器………………………………………………………40
3．5．3 报警触头……………………………………………………………40
3．5．4 辅助触头……………………………………………………………41
3．6 外壳和接线端子设计…………………………………………………… 41
3．6．1 外壳…………………………………………………………………41
3．6．2 接线端子……………………………………………………………41
3．7 小结………………………………………………………………………41
第四章 低压断路器智能脱扣器抗干扰设计…………………………43
4．1 干扰的来源与分类………………………………………………………43
4．2 控制器的硬件抗干扰措施………………………………………………43
4．2．1 接地抗干扰措施…………………………………………………… 43
4．2．2 隔离抗干扰措施…………………………………………………… 44
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VI
4．2．3 去耦抗干扰措施…………………………………………………… 44
4．2．4 滤波抗干扰………………………………………………………… 45
4．2．5 印刷电路板抗干扰措施…………………………………………… 45
4．3 控制器的软件抗干扰措施………………………………………………46
4．4 小结………………………………………………………………………47
第五章 低压断路器样机设计及功能部件仿真………………………48
5．1 断路器机械操作机构的关键组成元件…………………………………48
5．2 ANSYS 软件的仿真设计…………………………………………………48
5．2．1 创建几何模型………………………………………………………48
5．2．2 划分网格……………………………………………………………50
5．2．3 施加载荷……………………………………………………………53
5．2．4 位移、应变、应力之间的几何关系………………………………53
5．2．5 求解…………………………………………………………………54
5．2．6 结果后处理…………………………………………………………55
5．3 计算结果分析……………………………………………………………55
5．4 设计对比…………………………………………………………………60
5．5 小结………………………………………………………………………62
第六章 总结与展望…………………………………………………………64
6．1 总结……………………………………………………………………… 64
6．2 展望……………………………………………………………………… 65
参考文献………………………………………………………………………66
致谢…………………………………………………………………………… 68 厦门大学博硕士论文摘要库
VII
Table of Contents
Abstract in Chinese…………………………………………………… I
Abstract in English…………………………………………………… II
Chapter 1 Preface………………………………………………………1
1．1 Introduction of Low-voltage circuit breaker………………………………1
1．2 Types and Structure characters of Low-voltage circuit breaker…………4
1．2．1 Types of Low-voltage circuit breaker……………………………………4
1．2．2 Structure character of Low-voltage circuit breaker………………………5
1．3 Trend of Low-voltage circuit breaker……………………………………… 9
1．4 Virtual Prototype Technology……………………………………………… 10
1．5 Main work of this dissertation………………………………………………11
Chapter 2 The main function and technical index analysis of
low-voltage circuit breakers…………………………………………13
2．1 Main function………………………………………………………………13
2．1．1 Over-load protection……………………………………………………13
2．1．2 Short-circuit protection…………………………………………………13
2．1．3 Limiting breaking capacity ……………………………………………14
2．1．4 Selective protection……………………………………………………15
2．2 Technical index……………………………………………………………16
2．2．1 Breaking capacity………………………………………………………16
2．2．2 Durability………………………………………………………………17
2．2．3 Temperature rise……………………………………………………… 17
2．3 Performance parameter………………………………………………… 17
2．3．1 Breaking time………………………………………………………… 17
2．3．2 Electrical Clearance and Creepage distance……………………………17
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VIII
2．3．3 Case protection grade……………………………………………………18
2．4 Conclusions…………………………………………………………………18
Chapter 3 System design of Low-voltage circuit break…………… 19
3．1 The structure of Low-voltage circuit break…………………………………19
3．2 Contact System design………………………………………………………20
3．2．1 Contact……………………………………………………………………20
3．2．2 Arc-extinguish Chamber…………………………………………………23
3．3 Monitoring System design……………………………………………………26
3．3．1 Current Sensor……………………………………………………………26
3．3．2 Tripping Mechanism………………………………………………………29
3．3．3 Trip Unit…………………………………………………………………29
3．4 Mechanism System design……………………………………………………36
3．4．1 The importance of Mechanism system……………………………………36
3．4．2 The designing requirement of Mechanism system………………………37
3．4．3 The working principle of Mechanism system……………………………37
3．4．4 The force calculation of Mechanism system…………………………… 38
3．5 Other Electrical Accessories design…………………………………………40
3．5．1 Electric Operating Mechanism……………………………………………40
3．5．2 Under-voltage release……………………………………………………40
3．5．3 Alarming contacts…………………………………………………………40
3．5．4 Auxiliary contacts…………………………………………………………41
3．6 Case and Wiring Terminal………………………………………………… 41
3．6．1 Case………………………………………………………………………41
3．6．1 Wiring Terminal………………………………………………………… 41
3．7 Conclusions……………………………………………………………………41
Chapter 4 The anti-interference design for intelligent release of
Low-voltage circuit breaker………………………………………… 43
4．1 The sources and types of interference…………………………………… 43
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IX
4．2 Measurements of hardware design………………………………………43
4．2．1 Grounding anti-interference measures…………………………………43
4．2．2 Isolated anti-interference measures……………………………………44
4．2．3 Decoupling anti-interference measures……………………………… 44
4．2．4 Filter anti-interference measures………………………………………45
4．2．5 Printed circuit board anti-interference measures………………………45
4．3 Measurements of software design……………………………………… 46
4．4 Conclusions……………………………………………………………… 47
Chapter 5 The prototype design and components simulation for
Low-voltage circuit breaker…………………………………………48
5．1 The key components of the mechanical operational mechanism of Circuit
Breaker……………………………………………………………………………48
5．2 Simulation design basing on ANSYS…………………………………… 48
5．2．1 Modeling………………………………………………………………48
5．2．2 Meshing……………………………………………………………… 50
5．2．3 Applied load………………………………………………………… 53
5．2．4 The relationship between displacement, strain and stress…………… 53
5．2．5 Solution……………………………………………………………… 54
5．2．6 Post-processing……………………………………………………… 55
5．3 Calculation and Analyses of results …………………………………… 55
5．4 Compare designs ……………………………………………………… 60
5．5 Conclusions …………………………………………………………… 62
Chapter 6 Summary and Prospect…………………………………64
6．1 Summary………………………………………………………………… 64
6．2 Prospect………………………………………………………………… 65
References……………………………………………………………66
Acknowledgement……………………………………………………68
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低压断路器系统结构设计及仿真技术研究
- 1 -
第一章 绪论
1．1 低压断路器简介
在现代社会，工业、农业、交通运输、国防、文教卫生、金融、商业、旅游
服务和人民生活等领域都离不开电能，随着国民经济的不断发展，人们对电能的
需求和依赖不断增大。电力产生后，其输送、使用中，配电是一个极其重要的环
节。在配电系统所用电气器具和各种高低压电气设备中，承担电能的传输与分配、
用电设备保护与控制任务的低压电器，使用量大面广，广泛应用于国民经济各部
门。
低压电器通常是指用于交流电压 1200V、直流电压 1500V 及以下的电路中通
断、保护、控制、调节作用的电器产品。低压电器按其与使用系统之间的关系，
可分为配电电器和控制电器两大类。低压断路器与熔断器、刀开关、转换开关等
同属于配电电器范畴（控制电器主要是指接触器、起动器、主令电器和控制继电
器等。独立作为电动机不频繁起动、运转和停止的某些断路器，也有控制电器的
一些性能）。
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低压断路器系统结构设计及仿真技术研究
- 2 -
图 1.1 不同种类和型号的低压产品
低压断路器是低压电器的一个重要门类，是结构 复杂，保护性能 完善的
一个品种。低压断路器的设计与生产技术在一定程度上反应了整个低压电器发展
的水平，低压断路器也是电力工程与自动化领域的一大支柱产业。低压断路器是
电器工业的重要组成部分，在机械行业中是基础配套件。在配电系统中，低压成
套开关设备主要由各种低压断路器构成，低压断路器的功能及性能对低压成套开
关设备起着至关重要的作用。发电设备所发出电能的 80％以上是通过低压断路
器分配使用的。每增加 1 万 kW 的发电设备，约需 2 万件左右的各类低压断路器
与之配套。[1]在工业自动化系统中，也需要由低压断路器构成的各种控制屏、控
制台、控制器等产品。
低压断路器是能够接通、承载及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的
非正常电路条件（过载、短路、欠电压等）下承载一定时间和分断电流，对线路
起保护作用的开关电器。
世界上 早的断路器出现于 1885 年，它是在一般刀开关结构上增加了过流
保护脱扣装置而成，包括主触头和有石墨及紫铜构成的弧触头。[2]弧触头用于承
受断开电路过程中电弧的灼烧，以保护主触头免受损坏。此断路器能够满足非自
动闭合和断开，以及在过电流情况下自动断开的要求。但由于结构上的限制，额
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低压断路器系统结构设计及仿真技术研究
- 3 -
定电流和分断能力都很低，产品笨重，制造水平低，成本却很高。
1892 年左右，断路器的载流问题得到了解决，从而使其结构发生了重大的
革新。刷形触头替代了原来的刀形触头，并利用电弧冷却技术成功设计了带有磁
吹线圈的灭弧室，不但使得断路器脱离了刀形开关而形成了一种独立的电器产
品，也提高了断路器的分断能力。
19 世纪末出现了三相交流电系统，并在之后的几年内得到很快的发展。三
相交流系统的容量大增，迫切要求有适应交流电系统的断路器。此前断路器一般
用于直流系统，开断电流较小，对脱扣机构的要求较低。而在三相交流电系统中
产生的短路电流很大，出现巨大的电动力，危及操作人员安全。因而要求断路器
必须有灵敏度很高的自由脱扣装置。具有自由脱扣装置的断路器在 1905 年问世。
为了熄灭分断短路电流时出现的电弧，在 20 世纪 30 年代，设计出多种不同
原理的灭弧室结构，如金属片、金属销钉、狭缝、绝缘栅片等形式。早期的断路
器曾采用矿物油做为灭弧介质，称为油断路器。其触头浸在油内，不易接触易爆
或一般腐蚀性气体，适宜在某些化工车间等特殊环境使用。但油的存在限制了分
断能力的提高，当电路电流过大时，容易引起爆炸或火灾事故。金属栅片灭弧的
发展完全取代了油灭弧机构。灭弧室的应用大大缩小了断路器的体积，结构更为
紧凑，逐步形成了现代的结构形式。
20 世纪 50 年代末，法国研制出限流断路器，大大地提高了小容量断路器的
短路分断能力。
在感受元件方面，早期的断路器采用电磁式脱扣器，只能实现瞬动保护，而
后采用热双金属片和油阻尼、空气阻尼、钟表机构等作为延时元件，完成过载延
时和短路短延时脱扣功能。由于电子技术的普及和应用，出现了半导体式脱扣器。
并于 1962 年，成功研制出半导体万能断路器。随着智能技术的发展，带有智能
脱扣器的万能断路器也相继问世。
随着电网容量的不断增大，电力系统控制方式数字化进程的发展应用，以
及低压配电系统对自动化、智能化要求的不断提高，人们对系统可视化、自动化、
网络化、实时化、精确化的要求越来越高，相应地也就对低压断路器提出了更高
的要求。传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要，智能化技术
的应用于是成了低压断路器的一个重要发展应用方向。为适应现代配电系统的要
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低压断路器系统结构设计及仿真技术研究
- 4 -
求，低压断路器正朝着高性能、智能化、限流型、小型化、模块化、多功能、高
分断、远程通信等方向发展。其中，高性能是一个综合技术经济指标，要求断路
器具有高分断能力，飞弧距离小、灭弧迅速、结构紧凑、小型化等特点。现代配
电系统要求当故障发生时，断路器要尽可能快的在故障或短路电流的峰值到来之
前切断故障电路，保护电网和用电设备不被故障电流损坏。
应运而生的智能化断路器综合现代高电压、零飞弧技术、电子技术、电气自
动化技术、网络通信技术、计算机及其软件技术等，采用模块化结构，完全突破
了传统断路器的许多不足，集保护、测量、监控于一体。除了具备过载、过流、
速断、漏电、接地等常规控制、保护、报警、整定功能外，同时还具备人机对话
显示、存储、记忆、逻辑分析、判断和选择以及网络通信等功能。能够实时地显
示温度、电流、电压、功率因素、有功功率、无功功率等各种特征参数，并能根
据实际需要进行故障参数、类型的设定存储，从而为运行维护人员进行相应的信
息查询和故障判断处理提供现场的实际运行资料，为系统运行方式的优化奠定了
基础。
1．2 低压断路器的种类和结构特点
1．2．1 低压断路器的种类
低压断路器按其结构和功能可分为：万能式（也称框架式，国际上通称 Air
circuit breaker）、塑壳式（国际上通称 Moulded case circuit breaker）、以
及灭磁式、爆炸式、真空和选相闭合式等等。其中，万能式、塑壳式是两种主要
的断路器。
按它们的使用类别，国际电工委员会的 IEC 标准和我国相应标准又再分成 A
类和 B类两个类型。
A 类：是指在短路情况下，断路器无明确指明用作串联在负载侧的另一短路
保护装置的选择性保护，即在短路情况下，选择性无人为的短延时，因而对此种
断路器无额定短时耐受电流的要求。
B 类：是指在短路情况下，断路器明确作串连在负载侧的另一短路保护装置
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