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1、欢迎新同事,MCB产品知识培训 胡长玉 2011-08-08,本课主要内容,1 低压电器概念 分类 图片2 低压电器理论介绍3 MCB结构和工作原理4 MCB断路器的主要附件5 MCB主要试验项目及测试设备6 漏电断路器介绍7 新一代MCB发展趋势8 典型工艺和材料,低压电器分类,电器的用途广泛，功能多样，种类繁多，结构各异。电器有不同分类。配电电器:用于电能的输送和分配的电器，例如断路器、隔离开关、熔断器等控制电器:用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器、按钮等对配电电器的主要技术要求是:断流能力强，限流效果佳，在系统发生故障时保护动作准确，工作可靠，有足够的热稳
2、定性和动稳定性,低压电器概念,低压断路器是指交流50Hz（或60Hz）、额定电压在1200V及以下或直流额定电压在1500V及以下的电路中,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）下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器中压75KV,高压220KV,超高压750KV,特高压750以上,低压断路器分类,框架(万能)断路器 Air Circuit Breaker塑料外壳断路器 Mould Case Circuit Breaker家用小型断路器 Miniature Circuit Breaker家用小型漏电断路器 RCCB/RCBO电动机保护断路器,高压电
3、器图片,低压电器图片,低压电器几大理论,电接触理论电器发热理论电器机构理论电动力和电磁场理论电器灭弧理论和短路分断技术电器智能化理论,MCB断路器结构和原理,交流MCB定义用于50Hz或60Hz额定电压不超过440V额定电流不超过125A额定短路能力不超过25KA的断路器.标准:GB10963.1/IEC 60898-1直流断路器定义用于直流电路中,单极220/两极440V,额定电流不超过125A额定短路能力不超过10KA的断路器.标准:GB10963.2/IEC 60898-2,MCB组成和内部结构,双金属片,外壳,操作机构,电磁脱扣器,动触头,静触头,灭弧室,MCB一般由操作机构,电磁脱扣
4、器,热脱扣器,触头和灭弧系统和外壳组成,MCB原理图,脱扣,产品图片对比,施耐德C65N,罗格朗DX,产品图片对比,TLB6 1P+N,Hager 1P+N,产品图片对比,澳洲 奇胜,ABB S200,低压电器型号命名,DZ 47-63/C203,DZ 47LE-63/C25,TL B 1-63/C203,TL B L 1-63/C203,MCB主要技术参数,1)额定电压：230/400V2）额定电流：1,2,3,4,6A,10A,.32A,40A,50A,63A3）额定频率：50或60Hz4）额定短路分断能力:3KA,4.5KA,6KA,10KA5）瞬时脱扣特性：A、B、C、D6）温升:端子
5、60K7）机械寿命:在额定电流下经受4000次操作循环8）防护等级：IP209）触头参数:开距,超程,触头压力10)产品极数：1极（1P），1P+N,2P/3P/4P11)标准的周围空气温度:-5度-+40度,MCB保护特性-电磁脱扣器,MCB电磁铁按电源分为:交流和直流电磁铁。常见结构：拍合式和螺管式绝大多数MCB的电磁脱扣器为螺管式电磁铁,其特征是衔铁(动铁心)在线圈和磁轭的内部,也叫内衔式.分为:A有壳有止座(定铁心),B有壳封闭式有止座,C有壳封闭式有止座,D交流叠片式,E螺线管式(无壳无座)另外止座的形式有各种变化,见图,吸力特性对比,MCB保护特性-电磁脱扣器,吸力和反力的配合-静
6、态,电磁系统是由磁系统和线圈组成的部件,要想解决其计算问题需要磁场和电学的知识,需要建立复杂的微积分方程,磁场是三维的,通常将其转化为二维的磁路的概念计算.但误差很大,要想准确计算,尤其是动态计算，就要用有限元的知识,同时利用计算机才能进行数值分析计算.,静态,只考虑磁路,动态,考虑磁路和电路,MCB保护特性-瞬动特性,35倍,510倍,1020倍,GB10963.1中5.3.5规定:,额定短路分断能力Icn,额定短路分断能力Icn断路器的额定短路分断能力Icn应采用Icu、Ics表示额定极限短路分断能力Icu是断路器规定的试验电压及其它规定条件下的极限短路分断电流之值，它可以用预期短路电流表
7、示。要按规定的试验程序otco动作之后，不考虑断路器继续承载它的额定电流的能力。t:间隔3分钟 额定运行短路分断能力Ics是指断路器在规定的试验电压及其它规定条件下的一种比额定极限短路分断电流小的分断电流值，Ics是Icu的一个百分数。在按规定的试验程序otcotco动作之后，断路器应有继续承载它的额定电流的能力。,标准值:,壳架等级额定电流。表示同一外壳断路器的最大额定电流,Ics和Icu比值关系,GB10963.1规定Ics=K*IcnIcu和Ics实际考核的条件不同，后者比前者更严格、更困难,短路分断和灭弧过程,短路电流 电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生短路时流过
8、的电流。其值可远远大于额定电流，大小取决于短路点距电源的电气距离(阻抗)。短路形式:三相,两相和单相 危害:烧毁电缆和电器设备,甚至发生火灾和爆炸.断路器立即分断短路电流.,电弧的产生和物理特性,当短路电流出现后,电磁铁会驱动锁扣机构,使得断路器触头打开,这时在触头间产生电弧.刚刚打开时触头压力为零,接触电阻很大,触头上流过几千安的电流,触头接触面温度会达到几千度,金属熔化。随着触头的进一步打开，在电场的作用下，电极间发射电子，融化的液态金属会汽化，触头间的气体由绝缘变为导电状态，形成发光发热的电弧。电弧的特点：电弧是一种气体放电现象。电弧是热，场，光发射。电弧温度很高达4000度以上，具有热
9、惯性。,电弧的物理特性,电弧的物理特性,电弧电压,电弧的能量平衡,交流电弧的零休现象,交流电弧的熄灭条件,Uj-弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压,Uhf电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程,交流电弧的熄灭条件,交流电弧熄灭条件,简单理解:电弧电压要高于电源电压,介质恢复强度要高于弧隙电压恢复强度,交流电弧的熄灭方法,1 拉长电弧,2 弧角引弧,3 U型触头,4 磁吹灭弧,交流电弧的熄灭方法,5 绝缘屏幕技术,6 纵缝灭弧,7 真空灭弧:真空中无空气电离,多用于高压电器,8 气吹灭弧:触头上下的隔弧片在高温下分解气体,对电弧冷却并吹弧,9 金属栅片灭弧:在下节详细讲,断路器短路分断和限流技
10、术,我们知道MCB除了能够接通、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）下接通、承载一定时间和分断电流,这就提出了短路情况下MCB的动作性能的考核.,在做试验时是预先用标准导线代替MCB进行短路参数的整定,包括电压,电流,功率因数等.标准中规定的电流是预期电流.当MCB接入后,由于其内阻比导线大,实际电流要比预期的小.但尽管如此,对MCB 来说还不够,必须要有限流措施.否则很难通过试验.,断路器短路分断和限流技术,电弧能量和限流等级,限流等级,德国VDE0641给出了MCB的3类限流等级的断路器规定,给出了具体的电流和能量的最大值.我国没有规定等级,但标准中要
11、求测量I2t值.,断路器短路分断和限流技术,分断过程,时间及波形图:,1:t0到t1 电流出现到机构动作,触头刚要打开.2:t1到t2 触头刚打开到电弧出现并停滞,电弧电压很低.3:t2到t3 电弧弧根开始移动并明显拉长,电弧电压明显上升,期望越快越陡.4:t3到t4 电弧进入灭弧栅片,电弧电压达到最高值,电弧被冷却,电流开始下降,直到t4时刻电弧熄灭.,如果要提高分断能力和限流能力,必须减小这4个时间。并针对性地采取技术和措施,利用电动力斥开限流,利用机构铁心撞击触头限流,运动的铁心在使机构脱扣的同时,还能推动或拉动动触头,提高触头分断速度.,后,否则,会起反作用,触头压力越大越号?,利用栅
12、片限流灭弧,U0为20V左右,是不是电弧进入灭弧栅就灭了？不用管了？,利用双断点限流,利用双断点增加了一段电弧,多用于塑壳,有些公司正在研究尝试在MCB上试验.由于MCB尺寸小,机械结构复杂且成本高,有很大难度.,电弧电压比单断点提高将近一倍,MCB保护特性,热脱扣(长延时),磁脱扣(瞬时),瞬时动作保护前面已经讲过,GB10963.1中8.6.1规定的脱扣特性,基准温度为30度,MCB保护特性,MCB保护特性,一般的公司给出了脱扣特性曲线标准规定如果不是标准温度,要给出温度变化数据以及多极拼装的影响,MCB选择性保护,前后极电流1.5-2倍,MCB保护特性实现-热双金属元件,断路器的热脱扣执
13、行元件是热双金属.由两层（或多层）具有不同热膨胀系数的金属或合金作为组元层牢固结合而成。热双金属中的一组元层具有低的热膨胀系数，为被动层Ni36；另一组元层具有高的热膨胀系数，为主动层。有时，为了得到性能特殊的热双金属，还可以加入第三层或第四层金属或合金。,条形,U形,平螺旋形,碟形,直螺旋形,加工:有热复合和冷轧式,各种形状如下,MCB保护特性实现-热双金属元件 GB/T4461,表示热双金属特性的主要参量有：温曲率/比弯曲K:包括影响热双金属弯曲量的所有材料特性。它是衡量热双金属对温度变化灵敏程度的一个重要参量。使用温度范围:热双金属可以正常工作的温度范围。包括线性温度范围和允许使用温度范
14、围。在线性温度范围内热双金属的弯曲位移量与温度呈线性关系，比弯曲值最大。弹性模量:计算热双金属元件产生的推力、力矩和内应力时所需的参量。E电阻率:计算直接通电加热的热双金属元件发热温度的参量。,高膨胀层(主动),低膨胀层(被动层),F,MCB断路器双金尺寸:长度3035,宽度48,厚度0.61.2.,牌号:5J1580/TP1580,f,D2,热脱扣计算公式,发热时间常数,最佳工作点,空行程为总行程的一半或略少.,空行程:就是双金到跳扣的距离,动作时间:,散热 吸热 总功率,d,d:双金的动作温升一般为120度左右,可以看出推力F和行程f为一直线方程,传统计算误差很大.现在最新的研究是利用有限
15、元来计算温度场,温升:,电接触和发热,可分合接触是断路器中触头系统的接触方式,触头的接触方式,触头总是成对的，由静触头和动触头组成。固定部分为静触头，可动部分为动触头。在传动机构的带动下触头完成合、分的动作。在动、静触头接触时依靠弹簧的压力使动、静触头紧密地接触，保证可靠的电接触联接。触头按在电路中的作用分为主触头和辅助触头。主触头用于主电路辅助触头用于辅助电路和控制电路触头按接触方式分为三种：(1)点接触触头；(2)线接触触头；(3)面接触触头点接触它常用于20A以下的小电流电器;线接触触头是两个导体沿着线或者铰窄的面积发生接触的触头,常用于几十安至几百安;面接触触头是指两个导体沿着较广的表
16、面发生接触的触头,其接触面积和触头压力都较大,多用于大电流的电器,接触电阻,接触电阻包括收缩电阻和薄膜电阻,由于接触电阻的存在，电流流过触头时就要发热，尤其是接触点部位最高.触头的温升就有可能超过其规定位。为了使电器能可靠地工作，不致使触头温另超过规定值必须设法减小接触电阻.,接触电阻经验公式:,m:与接触形式有关0.5,0.7,1K:与材料有关,减小接触电阻方法:合适的触头压力,触头间增加滑动,合适的材料,导电膏.,电气间隙：电器中具有电位差的相邻两导体间的空间直线最短距离,触头终压力：动触头和静触头完全闭合时加在接触面上的压力,一般4-5N.,爬电距离：电器中具有电位差的相邻两导电部位之间
17、沿绝缘表面的最短距离。,电器发热和温升,电器热源电阻损耗,磁滞和涡流损耗,介质损耗.发热的坏处:机械强度下降,绝缘性能降低,导电性能变坏.1 线圈,双金,连接板及接触电阻.2 交变磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗的和称为铁磁损耗，简称为铁损3 交流电场中的绝缘材料泄漏损耗和极化损耗；热传递的方式:传导,对流和辐射.用牛顿公式求导体发热稳定温升,标准规定温升,外壳防护等级IP,IP防护等级是将电器依其防止异物进入之特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到电器内之带电部分，以免触电。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示防止固体侵入的等级，第2个数字表示防止液体侵入的
18、等级，数字越大表示其防护等级越高。,MCB的防护等级一般为:IP20,城市广场的喷泉夜景灯:IP68,电器操作机构,电器的触头的闭合和断开,以及各种脱扣器的动作都是通过机械操作机构来完成的.所以电器机构很重要.其中很关键的自由脱扣机构,就是我们常说的扣和锁扣部分.,一般地,MCB的操作机构都是平面四连杆机构.有几种变形:曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,双摇杆机构.学过机械原理的都知道.,电器操作机构,平面四连杆机构,定义：由4个低副连接刚性构件组成的机构。,作平面运动的构件，称为连杆。,断路器的机构为曲柄摇杆机构。,机架,曲柄作整周定轴回转的构件,连杆连接两连架杆且作平面运动的构件,摇杆作定轴摆动
19、的构件,电器操作机构,曲柄摇杆机构特性,1:曲柄为最短杆.,2:传动性要好.,的大小来表示机构传力性能的好坏,3:存在死点,对MCB来说有好处,在死点可以将机构锁死,触头闭合,机构的误差对超程影响很小.但死点也有坏处.比如不稳定,卡住.靠惯性轮冲过.,4:急回速度:两个极限夹角越大，K值越大，机构的急回性质越明显。同样的角速度,但返回时C点线速度大.在MCB中利用这点提高触头分断速度.,电器操作机构,机构的死区,我们知道在死点位置机构就会卡住,必须考虑孔轴存在间隙和摩擦,机构才能动作灵活,此时死点就会变为死区,机构必须处于死区之外.,死区的范围就是角度一般在5-10之间,电器操作机构,机构计算
20、和受力分析,利用理论力学的知识对连杆机构进行计算其目的:1 计算出各杆件的受力情况和强度校核.2 计算合闸和分闸力矩.3 计算机构的脱扣力.4 对机构进行优化设计.,DZ47操作机构,红色为断开,绿色为闭合,MCB关键件,1 外壳(材料 和关键尺寸)2 触头(材料和关键尺寸)3 跳扣和锁扣(关键尺寸和工艺)4 U型连杆(关键尺寸和工艺)5 铁心和弹簧(材料,尺寸,热处理)6 双金属片(材料和热处理),MCB拼装辅件,辅件作为断路器功能的派生和补充，为断路器增加了控制手段和扩大保护功能，使断路器的使用范围更广，保护功能更齐全，操作和安装方式更多。常用于消防和楼宇自动化方面,常用辅件有:漏电辅件,
21、辅助触头,报警/信号触头,分励脱扣器,欠压脱扣器,过压脱扣器.,ABB,辅助触头:指示电路通断状态.或指示断路器合分状态.,分励脱扣器:得到信号动作,使断路器脱扣,实现远动控制或紧急断电,过/欠压脱扣器:当电压过高或过低时脱扣,防止设备损坏.,报警/信号触头:只指示断路器故障脱扣状态,和手动合分无关.,欠压:低于70%.过压:280V,MCB辅件拼装方案,施耐德,西门子,罗格朗,直流MCB断路器,直流输电好处1 损耗少,绝缘电压低,省材料.2 电网之间影响小,可以进行功率支援.3 便于控制和调节,直流用电场所1 变电站等场所的直流控制系统2 飞机,轮船的直流系统3 轨道交通和电力机车供电系统4
22、 蓄电池,通讯电源,UPS等直流电源,直流电流灭弧1 因为不象交流电有自然过零点,灭弧困难.2 灭弧条件:电弧电压大于电源电压.3 采用专门的磁吹线圈或永久磁铁吹弧.4 连接时极性必须正确.,直流MCB断路器,目前直流断路器有两种一,专用的直流断路器二,交流断路器做直流用(有限制条件),交流断路器做直流用时,注意以下几点:,1 保证短路分断不降低,必须单级串联.,2 如果不改变电磁系统参数,则瞬动电流提高.比如:交流C型510倍,直流时7-15倍.原因是交流时是峰值在起作用.GB10963.2中规定只有B和C型B型:47倍,C型:715倍,电弧电压,电弧电压,永久磁铁,漏电断路器,漏电断路器也
23、叫剩余电流动作保护器,分类,A型,AC型,电压有关性,(电流型)GB16917.21,(电压型)GB16917.22,B型,平滑,漏电断路器,产品类型分类,带过流保护 GB16917.1,不带过流保护 GB16916.1,RCD+MCB=RCBO,GB16917.1,10In或500A最大者,电子式和电磁式比较,受电压影响抗干扰差受温度影响不稳定结构简单成本低,不受电压影响抗干扰好不受温度影响不稳定结构复杂成本高可靠性高,零序互感器ZCT,漏电断路器原理介绍,零序电流互感器,电磁漏电脱扣器,集成块54123,电磁式,电子式,漏电电子线路图,目前电子式漏电断路器的电子线路有两大类,1 分立元件线
24、路简单,成本低,抗干扰差,性能不稳定,调试困难.,带集成块,2 带集成电路线路复杂,成本高,抗干扰好,性能稳定,调试容易.,互感器特性:灵敏度,平衡性,过载性铁心材料:超导磁,剩磁小.坡膜合金Permalloy1J79,1J85,也有用非晶材料,分立元件,漏电安装-配电接地系统electrical power supply system,IEC国际电工委员会对配电网接地方式分为：TT系统、TN系统、IT系统,第一个字母表示电力系统的对地关系，即T：表示一点直接接地（通常为系统中性点）；I：表示不接地,第二个字母表示电气装置外露可导电部分的对地关系,即T:表示独立于电力系统可接地点而独立接地;N
25、:表示与电力系统可接地点直接进行电气连接,IT系统 为三相三线中性点不接地,一般用于不准停电的场所，以及适用于环境不良、易发生单相接地或火灾爆炸的场所，如煤矿、化工厂、纺织厂、医院手术室等重要场所的动力和照明系统,漏电安装-配电接地系统,TT系统,TT系统中，这两个接地必须是相互独立的。设备接地可以是每一设备都有各自独立的接地装置，也可以若干设备共用一个接地装置,TT系统中，这两个接地必须是相互独立的。设备接地可以是每一设备都有各自独立的接地装置，也可以若干设备共用一个接地装置,1、当电气设备的金属外壳带电（相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电）时，由于有接地保护，可以大大减少触电的危险性。但是，低压
26、断路器（自动开关）不一定能跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压，属于危险电压。2、当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定能熔断，所以还需要漏电保护器作保护，困此 TT 系统难以推广,漏电安装-配电接地系统,TN系统,TN-C系统,TN系统即电源中性点直接接地、设备外露可导电部分与电源中性点直接电气连接的系统。有TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统三种形式,TN-C-S系统,TN-S系统,供电系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统,工作零线不得有重复接地，而 PE 线有重复接地，但是不经过漏电保护器,单相接地配电系统,该系统多用于印度,澳洲等农村,系统采用大地作为系统
27、的部分回路,地线有电流,损耗大.,接地要求非常重要,系统负荷小，而在一定年限内不会有很大负荷增长的人烟稀少地区及部落,输送电靠一根线,成本低,MCB试验技术,试验目的:验证产品设计和性能是否符合标准规定;验证产品工艺的稳定性;检查制造过程中的缺陷;通过试验结果分析找出改进设计和工艺的手段.,试验分类:型式试验,常规(例行)试验,出厂抽样(确认)试验,特殊试验,型式试验:是新产品研制必需进行的试验,一般只做一次;当设计工艺材料更改时对相关性能有影响的,应重新做相关项目的试验.如果是认证产品,关键件的变更应当向认证机构提出,待其提出认证相关试验的手续.MCB的型式试验在产品标准GB10963.1中
28、9.1条有规定,常规(例行)试验:是出厂前在每台产品上必须做的试验.目的是检查材料和装配缺陷.可以采用快速等效试验方法进行(工频耐压1500V,1S).项目有:一般检查,动作特性验证,介电能力试验.,出厂抽样(确认)试验:对一些需要破坏和工作量大的试验项目采用抽样。按照一定抽样规则对质量稳定的批抽样。试验项目见产品有关质量文件,特殊试验:是指除型式试验和常规试验外由制造厂确定的或根据制造厂和用户的协议所确定的试验,MCB型式试验,GB10963.1中9.1条规定的项目,对于漏电产品增加项目,1 与电源电压有关,出现In应可靠动作,2 可靠性,3 电子元件老化,4 电磁兼容,5,6 验证浪涌电流
29、影响,RCD的电磁兼容试验,电磁兼容的定义,EMC（Electromagnetic Compatibility）,系统或设备首先在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰,GB18849规定的试验项目,解决EMC的三要素:电磁骚扰源、传输途径和敏感设备,MCB发展趋势,需求:随着人们生活水平的提高,配电系统的容量提高;供电质量的提高,减少误动;配电系统自动化的要求;智能电网对终端电器的要求;环保节能要求;,MCB发展技术,1 新限流技术应用,提高分断能力;2 实现全选择性保护;3 多种附件配套完善,安装更方便;4 智能化技术和数字化控制,实现可通讯;5 新材料和新工艺应用;6 仿真技术应用(包括公差模型设计,仿真计算与测试,可靠性技术应用);,MCB常见制造工艺,1 塑料成型工艺,2 冲压成型工艺,3 机加工工艺,4 焊接工艺,5 热处理工艺,6 电加工工艺,7 表面涂覆工艺,8 弹簧制造工艺,9 装配工艺,10 测试工艺,MCB点焊制造工艺,1 选择合适的电极压力，以使焊件表面不产生压变形为原则，尽可能大些。2 选择合适的焊接电流，不同材料不同厚度应选择不同.3 选择合适的焊接时间，以熔融焊料渗出触头周边为限。4 选择合适的电极材料，常用电极碳精棒、锆铜、钼铜、钨铜和钨棒等,点焊工艺和参数,
