一种新型万能式断路器的触头系统结构
浙江恒力达科技股份有限公司的研究人员刘廷良，在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文，提出了一种新型万能式断路器的触头系统结构，采用铜板材料联结板替代了传统万能式断路器中的铜编织线（软连接），且采用铆接的方式对动触头和母线与联结板进行连接，有效地改善了传统万能式断路器在运行过程中温升过高、成本高等问题，能有效延长万能式断路器的电气寿命和机械寿命，并且保证了万能式断路器正常运行工作可靠性和安全性。
万能式断路器是一种使用广泛的低压配电设备，具有经济价值高、技术含量高等优点。分配电能、保护及避免线路和电源设备受到过载、短路以及欠电压等故障的危害是万能式断路器的主要功能，故其稳定可靠性直接影响到配电系统的正常稳定工作。
在断路器的各种工作状态下产生的温升问题将直接影响断路器的安全性和可靠性，因此，本文从能量损耗的原理出发，分析断路器连接处温升原理，提出了一种新型万能式断路器的触头系统结构。
1 联结处温升原理分析
绝缘材料是万能式断路器中不可或缺的重要材料。随着万能式断路器运行过程中造成的温度的上升，绝缘材料的绝缘电阻会按照指数规律减小，且其随温度上升的老化是永久性的、不可逆转的，因此，温升过高会加剧电器绝缘材料的老化，故绝缘材料的极限允许温度必须要受到限制，以保证断路器运行的可靠性以及安全性。
此外，当温度升高到极限值时，会加剧导电部件的软化，导致断路器的机械强度明显降低，轻则发生变形，影响断路器的正常工作；重则导致断路器烧损，缩短断路器的使用寿命，影响所配电系统的安全可靠工作。
同时，断路器运行过程中造成的温度升高会导致联结处的接触表面生成氧化膜等，使得联结处的接触电阻变大，联结处的温度进一步升高，形成恶性循环。因此，对正常运行状态下断路器的温升加以限制，满足相应的国家标准，对保证万能式断路器的使用寿命以及配电系统的安全可靠运行具有十分重大的意义。
万能式断路器触头系统中的动触头与母线采用额外器件将两者进行连接，联结器与动触头以及母线间的接触电阻主要与联结器和动触头以及母线间的接触面积有关，联结处的接触面积大会导致联结处的接触电阻减小；联结处的接触面积小会造成联结处的接触电阻增大。
根据焦耳定律，联结处的能量损耗
由式（1）及以上分析可知，当导体通过一定电流I时，联结处的能量损耗和联结处的接触面积大小有关。联结器件与动触头和母线之间的接触面积大会造成联结处的接触电阻减小，从而能量损耗小，温升低；联结处的接触面积小会造成联结处的接触电阻变大，导致能量损耗大，温升高。
如何有效地增大万能式断路器中动触头和母线与联结器件的接触面积，使得联结处的接触电阻减小，温升降低，保证万能式断路器正常安全运行工作下的可靠性，是一个必须解决的问题。
2 传统的断路器触头系统
传统的万能式断路器的框架图如图1所示，其主要有动触头、铜编织线以及母线构成。
图1 传统的万能式断路器框架图
由图1可知，传统的万能式断路器的触头系统中的动触头和母线之间采用由0.05mm铜丝编织而成的铜编织线（软连接）进行连接，且联结处采用焊接的方式进行固定。
基于国内现有的焊接工艺，采用焊接的方式对联结处进行固定，其钎着率即焊接面积很难达到85%以上，难以满足焊线面积应达到95%以上的设计要求，导致动触头和母线与铜编织线的接触面积达不到设计要求，造成万能式断路器在运行过程中温度升高，从而影响万能式断路的长期稳定运行的时可靠性和安全性以及其使用寿命。
此外，在焊接过程中，会产生有毒气体，对工作人员的健康和环境造成一定程度的影响，达不到绿色环保要求。
铜编织线是采用多股铜线缠绕而成，加工工艺复杂；在相同质量下，其成本约高于铜板的2/3。且在焊接过程中，受到焊接温度的影响，铜编织线易变硬，从而影响铜编织线的柔韧度，导致断路器在分合闸时，动触头的灵活性受到一定损伤，使得万能式断路器的极限分断能力和运行分断能力降低，从而影响断路器的分合闸速度。铜编织线变硬还会影响万能式断路器操作机构的电气寿命和机械寿命，降低断路器的安全性和可靠性。
3 新型断路器的触头系统结构
针对传统的万能式断路器存在的缺陷，本文提出了一种新型万能式框架断路器的触头系统结构，结构包括基座、底板、动触头、动触头弹簧、触头支持、夹板、条齿状母线、联结板、弹簧、轴和支架，各部件结构如图2所示。
图2中，动触头采用长方形异形形状结构，联结板被设置在动触头和母线条齿的两侧面，采用铆接的方式将联结板和动触头进行固定连接，如图3所示。动触头通过插入轴的方式安装在母线上，并在两个动触头的联结板之间安装压缩弹簧，通过轴安放在支架上。
触头系统中的触头支持件用来安放动触头。将触头弹簧安装在动触头和触头支持件间。用左右夹板将动触头固定在触头支持件上，再安放在基座和底板之间。本文提出的新型万能式断路器触头系统结构如图4所示。
图2 断路器的结构（a）动触头
图2 断路器的结构（b）联结板
图2 断路器的结构（c）母线
图2 断路器的结构（d）夹板
图2 断路器的结构（e）压缩弹簧
图2 断路器的结构（f）支架
图2 断路器的结构（g）触头支持
图3 动触头与联结板间的连接
该新型万能式框架断路器的触头系统结构具有以下优点。
1）动触头和联结板之间采用铆接的方式进行连接，相对于传统的万能式断路器而言，不需要采用焊接工艺即可实现设计要求，解决了传统万能式断路器中铜编织线（软连接）在焊接过程中变硬的问题；采用铆接连接的方式相对于焊接而言，联结处的接触压力增大，确保了联结处的有效紧密接触，有效地改善了断路器在运行过程中产生的温升问题，保证了设备正常安全工作的可靠性。采用铆接的连接方式加工成本低。
图4 新型万能式断路器触头系统结构
2）采用铜板材料的联结板替代传统万能式断路器中的铜编织线（软连接），具有成本低、可靠性高的特点，并大幅度延长了断路器的机械寿命和电气寿命。
3）母线和联结板之间的接触方式为平面滑动的方式，这种接触方式保证了联结处的有效紧密连接，相对于传统的连接方式，联结处的接触面积增大、有效地改善了断路器运行过程中造成的温升问题。且用压缩弹簧来保证联结板与母线之间的可靠连接和接触，保证联结板与母线之间有足够的接触压力。采用平面滑动的接触方式具有加工工艺简单、结构简便的优点，相对于传统断路器而言，降低了成本。
4）动触头和联结板之间采用铆接的方式进行连接，使得动触头在分合闸活动过程的灵活度大大增加，延长了万能式断路器的电气寿命和机械寿命，同时相对于传统的断路器触头系统，新型触头系统也提高了断路器的极限分断能力和运行分断能力。
5）该新型万能式断路器具有结构可靠、装配工艺简单、成本低、绿色环保的特点，不需要专用的工装夹具就能完成组装。
4 参数对比
传统断路器的动触头采用铜编织线制作而成，本文提出的动触头采用铜板材料制作而成。表1为传统的触头系统和本文提出的触头系统间的温升数据表。表2为传统断路器软联结与新型断路器联结板间的成本对比。
表1 传统结构与新型结构的触头系统温升对比
表2 传统断路器软联结与新型断路器联结板间的成本对比
由表1和表2可知，相对于传统断路器的触头系统结构，新型触头系统结构在温升和成本上均有所改善。
表3为传统的动触头分合闸参数与本文提出的动触头的分合闸参数数据对比表。由表3可知，新型结构不论是在分合闸速度还是在分合闸时间上相对于传统结构而言均有所改善，保证了断路器正常安全运行工作的可靠性。
表3 传统结构与新型结构的动触头分合闸参数对比
表4为传统结构与新型结构之间的回路电阻对比。由表4可知，新型结构中的2000A壳架的固定式的回路电阻和抽屉式的回路电阻为12.5m和22.5m，相对于传统结构的回路电阻，新型结构的回路电阻均有所减少，从而改善了断路器的温升。
表4 传统结构与新型结构的回路电阻对比
5 结论
本文提出了一种新型万能式框架断路器的触头系统结构，使用铜板材料联结板替代传统万能式断路器中的铜编织线（软连接），利用铆接的方式将动触头和母线与联结板进行连接，不需要焊接加工就能满足设计要求，有效地减小了接触电阻、降低了温升，达到了绿色环保的要求，解决了动触头在焊接过程中变硬的问题，保证了动触头在分合闸时的灵活性，有效延长了万能式断路器的电气寿命和机械寿命，保证了万能式断路器正常安全运行工作下的可靠性。