试析低压断路器热脱扣器的设计

赵琰

摘要：在科技快速发展的当下，脱扣器的种类也在逐渐增多，其中热脱扣器因具有成本低廉，操作简便等优势被广泛应用。本文就对低压断路器热脱扣器的设计进行分析阐述，以供参考。

关键词：低压断路器；热脱扣器设计；安全运行

在低压断路器中，热脱扣器是其最为重要的设施之一，其对低压配电系统的安全稳定运行有着很好的保护作用。热脱扣器的合理应用能够加强过载保护，为低压电的传输及电能节约提供帮助。

1低压断路器

低压断路器其实是一个自动开关系统，也是一个保护系统，其可以在超负荷或短路状态下切断电流，达到保护系统安全运行的作用。低压断路器的种类相对较多，如选择性与非选择行低压断路器、空气式与真空式低压断路器等，前者是按照使用类别进行划分的，后者则是按照灭弧介质划分的。其中以空气式低压断路器在目前低压配电系统中的应用最为频繁。由于低压断路器规格的不同，其容量也存在一定的差异，一般在4-5000A不等。

2热脱扣器的作用及保护原理

热脱扣器主要起到过热保护作用，能够避免低压配电系统运行中因延时跳闸或延时返回产生的过负荷情况。热脱扣器的保护原理为：装置内部安装一个模拟性的电动机发热模型，对系统运行中过载电流产生的发热效应进行真实模拟，并计算出电动机发热及散热的相关参数，了解电动机发热和散热过程的基本情况，结合低压配电系统的运行标准生成保护方案，从而减少设备内部构件因过热而产生的变形现象，保障系统正常运转。热脱扣器在运转过程中可对每次发热现象进行详细记录，并在跳闸或断电保护后，对散热情况予以实时监管，了解电动机散热系数，直到其符合规定的标准要求后会再次启动设备，恢复电动机的正常运转。

3热脱扣器的设计原理

如今，智能电器被广泛应用，电子脱扣器的使用频率也在不断增加。不过热脱扣器中使用的双金属元件因其结构简单、制作方便、成本低廉、抗干扰能力强等优势，仍被作为脱扣器的主要元件，热脱扣器在市场发展中仍占有较为重要的位置。在设计热脱扣器时，需要明确了解设备工作原理，这样才能确保设计合理性，提高低压配电系统的运行效率。

热脱扣器的工作原理为：以电流热效应原理为基础，在接通电源后，低压断路器流经过载电流时会产生一定的热量，这些热量会通过节流导体传到到热脱扣器的双金属片上，并随着电流的增加，传导热量会逐渐增多，温度也会不断升高，高温作用下，双金属片出现弯曲变形，并逐渐与脱扣器分离，以达到断电保护的效果。

4热脱扣器的设计内容

双金属片是热脱扣器中较为重要的组成内容。通常情况下，为了保证双金属片性能的发挥，会以复合材料为主，且因复合材料的温度膨胀系统不同，双金属片在预热后，与脱扣杆搭接的一面会先弯曲变形，从而达到脱离的效果。

4.1结构设计

在低压断路器热脱扣器的双金属片结构设计中，为了促进热量的直线传达，经常会采用以下几种设计形式。

一是采用平直型或U型设计形态，这样能够保证电流的直线运行，实现热能的有效传递；二是蝶形圆片形态，这种设计模式一般对于精密性及细小直线运行有着显著效果。三是螺旋形圆片设计，该方式可实现旋转运行，对于热流传输有着很好的效果。此外，在双金属片结构设计中，应对双金属片的加热方式予以明确把控。由于低压断路器中，双金属片是随着加热温度的升高而不断弯曲变形，以达到摆脱脱扣杆目的的，所以需合理选择其加热方式，做到电流的及时断开。

例如，在平直型双金属元件的热脱扣器设计中，采用了悬臂梁平直型结构的双金属片。在实际应用过程中，经过过载电流后，低压断路器产生的热量会直接传递到双金属片上，使其发生弯曲变形，最终脱离脱扣杆，达到断电的目的。在电流及热量传输过程中，双金属片自身及双金属片与脱扣杆之间会产生一定的作用力，通过对这些作用力的准确计算，能够了解到两者之间的关系，明确热脱口元件的具体性能指标，以此提高设计水平。

为了促进热脱扣器的正常运转，在实际工作中需要满足以下几点要求：弯曲变形程度要大于或等于脱扣形成；对脱扣杆的作用力要大于等于脱扣力；内应力要大于等于材料的最大许应力。而各应力的具体计算公式为：

，,

公式中，S代表弯曲变形指数；F代表双金属片对脱扣杆的应力系数；σ代表双金属片自身产生的应力系数；δ代表双金属片的厚度；L代表双金属片的有效长度；τ表示双金属片的温升(τ=θ-θ0)；Κ是比弯曲，可从双金属片材料手册中查到(1/°C)；E为弹性模量(N/mm2)；J为双金属片截面惯性矩(mm4)；b表示双金属片的宽度(mm)；α1、α2分别代表主动层和被动层的线胀系数。

4.2双金属片的选材与加工工艺

双金属片材料需要结合热脱扣器设计的等级要求以及温度变化系数，选择具有不同膨胀系数的材料。且在双金属片材料选择上，不同层结构的材料也要有明显区别，这样才能保证在受热条件下，双金属片弯曲变形的合理性。比如，让主动层的材料碰撞系数大于被动层膨胀系数，这样双金属片才会向脱扣杆的方向弯曲，起到摆脱脱扣杆的作用。另外，在双金属片材料选择上，需要严格审查供应商资质，确保其提供的材料与实际设计要求相符合。

双金属片的主动层材料以锰镍合金、镍锰铁合金为主，被动层材料则以镍铁合金为主，且在中间位置加盖一层铜来提升合金材料之间的导电性能，保证热能的高效传输。双金属片的加工工艺主要以冲压工艺为主，在冲压过程中，其边缘位置应保证平滑性，禁止出现毛刺等问题，以免增加热脱扣器运行中的内应力值，削弱脱扣器运行的灵敏度。在设计过程中，针对结构中存在的内应力，一般会采用低温热处理技术进行合理掌控，并结合实际情况，对温度及处理次数予以调节，以保证热脱扣器的正常运转。

4.3热脱扣器的组装工艺

热脱扣器的组装工艺主要分为两部分内容，一是电焊技术，二是机械装配。点焊作业是在生产完成后进行的，其目的是完成热脱扣器内各项设备的有效连接，确保设备的正常运行。在点焊作业中，最为重要的内容就是保证加热电阻元件、软连接构件、连接板与双金属片之间的有效连接，一旦其出现问题，将会直接影响到热脱扣器的运行质量。

此外，在电焊作业中，务必确保点焊技术操作的标准性、规范性，强化双金属片的焊接效果，进而保障组装完成后热脱扣器的稳定运行。在机械装配中，需要加大精细化管控力度，以加强装配的合理性，确保设备性能的发挥。

热脱扣器主要采用双金属开展机械装配工作，在装配期间可降低外力作用带来的影响。装配过程中，结合实际情况对装配机械及工具进行合理调整，减少设备对脱扣器机械元件的直接作用，进而优化元件性能。机械装配所使用的工具有专业要求，工作人员必须严格按照要求内容选择合适的机械设备，并及时调整机械部件的原始位置，以加强脱扣行程的规范性，以免因压力过大影响脱扣器的使用效率。

5结语

综上所述，低压断路器中热脱扣器设计是一项较为复杂的工序，相关人员需对各环节予以合理把控，以此提升热脱扣器的运行质量，进而实现对低压配电系统的保护，增大系统运行的安全系数。

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