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一种直流插座的设计张晓璟（山西新景矿煤业有限责任公司，山西阳泉045008）摘要：为了保证直流用电，特别是高电压大电流的用电安全，对配电单元的保护能力提出了更高的要求，尤其是日常使用的插座，主要对直流插座的工作原理、设计参数、结构设计展开分析。实验证明：所设计插座为符合交流86 规格和日常用电习惯的大功率直流插座。此产品在满足现有 86 型墙壁插座底盒规格的前提下，实现了高直流电压、大电流带载下的随意拔插。关键词：随意拔插充气开关管瞬动驱动机构模块化灭弧中图分类号：TM503.5；TP368.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0120-03引言近几年，随着国内外光伏发电、风力发电等项目的不断发展壮大和电子产品的普及，直流电的应用越来越广泛。为了保证直流用电，特别是高电压大电流的用电安全，对配电单元的保护能力提出了更高的要求。在日常用电过程中与用电电器联系最紧密的就是插座，而普通的插座只能依靠交流电的自然过零来使插头拔插过程中无火花，由于交流插座的这一特性使其在直流系统中不能直接运用。目前，国际和国内的大功率直流用电场所所采用的基本都是航空插头的方案，或者在插座内部加一开关。前者连接可靠、规格齐全，但大电流的体积比较庞大，拔插极为不便，而且成本也比较高；后者结构简单，由于是敞开的灭弧环境，电气寿命受触电材质和灭弧机构能力影响极大，而且只能在内部开关断开后才能拔出插头，不符合人们的日常即插即拔的使用习惯。所以本产品创新地提出了充气开关管加瞬动机构的方案，使得插头在拔插过程中无火花产生，且没有多余的附加动作和条件限制，增加了使用安全性同时改善了用户体验。然而传统的真空开关或者充气开关体积较大，且主要依赖波纹管来实现自身的密封及导向，波纹管的好坏直接影响了开关管的性能和寿命。本产品突破性地取消了波纹管，以正负导电片及陶瓷管本身实现了自密封；并且将动触头完全封装到管内，极大地减小了开关管的体积。且动触头空腔内置磁钢，通过与外部驱动磁钢的相互作用实现了触点的开合，在减少动触头用料的同时增加了磁吹。开关管与瞬动驱动机构都为模块化设计，在同一安装尺寸下通过搭配不同规格机构可满足用户不同电流规格的使用需求。1直流插座的工作原理直流插座用于数据中心及电信中心等大规模采用直流用电场所以及其他民用场所，是离用电设备最近的配电设施。工作原理如图 1 所示。脱扣机构为分闸机构的锁扣装置，通过打脱扣可快速分闸，插头上的凸起在拔插过程中作用于脱扣机构和合分闸机构，和分闸连接驱动磁体来驱动开关管动作。2直流插座的设计参数本直流插座的的主要设计参数为：极数为 3 极，额定绝缘电压为 DC 2 000 V，额定工作电压为 DC375 V，额定工作电流为 20 A，通断试后温升为 45 K以内1-2。3直流插座的结构设计直流插座结构分为三大部分，包括专用插头、驱动机构、充气开关管灭弧系统。下页图 2 是本产品的三大系统示意图。专用插头是用户直接操作施力的部件，插头底部端面以及侧面的顶出特征与瞬动驱动机构相互作用，实现对触头灭弧系统的合分操作。同时插针长度的优选，保证了在拔插过程中，插针先于开关管接通前与插套接触；后于开关管断开后断开。驱动机构主要用于将插头的拔插力转换为开关收稿日期：2022-05-31作者简介：张晓璟（1995），男，山西晋中人，本科，学士学位，毕业于河北工程大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师，从事采掘管理技术工作，研究方向为矿山机电设备。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.046图 1直流插座工作原理插头保持位脱扣位脱扣机构和分闸机构插座驱动磁体开关管结构设计2023 年第 2 期管的开合力。由脱扣杆、扭杆、磁钢套件、磁钢及死点扭簧和反力扭簧等构成。在插头插入时，插头底部端面与扭杆、磁钢套件相互作用，使扭杆带动反力扭簧储能并锁定，磁钢套件在过死点后迅速转到合闸位，使开关管接通；在拔出插头时，顶出特征将脱扣杆顶出，使反力扭簧解锁，扭杆在反力扭簧的作用下将磁钢套件迅速打到分闸位，完成分断操作3-4。充气开关管主要用于承载和分断电流。由动触头、静触头、磁钢、塔簧、导电片、陶瓷管等构成。磁钢置于动触头内部，动触头在陶瓷管内上下滑动，塔簧置于动静触头间且与静触头绝缘，静触头在陶瓷管的一侧且与动触头正对。动触头在磁钢套件内磁钢的斥力以及管内塔簧的作用下，实现开合操作。3.1插头设计本插头在承载电流的同时也有对驱动瞬动脱扣机构的触发及施力的要求，然而现有的插头无法做到对机构的触发，因此必须设计一专用插头来满足这一需求。插头整体结构如图 3 所示。在查阅相关资料后，采用与现有的插头标准尺寸相异的正三角排布的圆柱式插针来满足专用性要求，保证了各国标准插头无法插入到本插座中；插针外侧包裹着异型裙边，防止在用电过程中的误触，同时也兼顾了触发、施力要求。插针长度主要取决于开关管的灭弧性能和拔插速度。开关管的分断时间在 10 ms 内，交流插座标准规定的拔插速度为 0.15 m/s。就本产品而言，拔插速度慢反而有利于插针不拉弧，所以拔插速度增加到 0.5m/s，以此来计算插针的长度。插针的最小长度Lmin=L0+0.5 m/s10 ms=16.6+5=21.6 mm，（其中 L0为瞬动机构解锁时，插套与插针根部的距离，取16.6mm。3.2驱动机构设计驱动机构为单向转换机构，输入端为插头的拔插力，输出端为磁钢套件内部的磁钢与开关管内部磁钢间的磁力。驱动机构如图 4 所示。由于用户在插拔过程中的速度不同，使得机构的动作速度有快有慢，而机构的分合速度将直接影响整机的电寿命和灭弧能力。因此设置无关人力操作机构是必要的。本机构中通过两个扭簧的布置，来实现磁钢套件的瞬动，为保证磁钢套件的瞬动特性，反力扭簧作用到磁钢套件的扭矩应为死点扭簧的 22.5 倍。当插头下压时，带动扭杆及反力扭簧顺时针旋转，实现储能并被脱扣杆锁定；同时带动磁钢套件过死点，在死点扭簧的作用下，磁钢套件迅速转到合闸位。当插头上拔时，插头上的解锁特征顶开脱扣杆，完成对扭杆的解锁，扭杆在反力扭簧的作用下带动磁钢套件顺时针转动，完成分闸操作5。3.3充气开关管系统设计传统的开关管通过波纹管来实现动静部分的密封，通过内部气压的高低来实现触点的常开或常闭，外部驱动机构通过对动触头杆使能，来控制触点的合分。但常规的开关管体积较大，无法满足常规 86 型安装底盒的深度要求。因此本设计创新性的将波纹管去除，用静触头、陶瓷壁、连接圈和导电片来实现自密封；动触头内部的磁钢与磁钢套件内置的磁钢相互作用来实现力的传递。形管结构图如下页图 5 所示。将波纹管的功能分解替代后，使开关管的整体高度降低 50%，同时动触头内磁钢也有一定的吹弧作用，加速了电弧的熄灭，把整个分断时间控制在了 5 ms 内，触头烧蚀大大减小。配合静触头端布置的屏蔽环，在 DC400 V、20 A、1 ms 实验条件下分断 10 000 次后，绝缘电阻依然可以保持在 400 G。根据设计手册中对触点面积的要求以及导线的载流系数，动触头选用 10 mm的圆柱筒，有效接触面在 7.6 mm，软连接选用两根 1.0 mm2的软铜绞线6。优选动触头开距与斥力的关系，再结合微断中对触点压力的要求，取塔簧的反力为 3 N，开距为 1.7 mm。在触点闭合时，两磁钢的斥力在 6.7 N 左右，触点终压力在 3.7 N左右。实测试验前后开关管各部位的温升1专用插头；2驱动机构；3充气开关管灭弧系统图 2本方案直流插座结构图 3插头的整体结构1脱扣杆；2反力扭簧；3扭杆；4磁钢套件；5磁钢；6死点扭簧图 4驱动机构结构123123456张晓璟：一种直流插座的设计121机械管理开发第 38 卷都在 15 K以下，因此触点终压力设计满足要求。通过对分断波形的采集，可见开关管的灭弧时间在 5 ms左右，塔簧反力和触头开距满足要求。4结语本产品创新性地提出了模块化、小体积的直流插座灭弧方案。通过调整三大模块中插针、扭簧、磁钢、塔簧的参数，可满足用户不同安培数的需求。创新的将波纹管去除，并用磁钢间的磁力作动触头的驱动力，使开关管体积减小 50%左右，而且生产工艺得到了简化。由于导电零件全部采用冲压方式，提高了生产效率，节约了原材料。通过专用插头与瞬动驱动机构和开关管的配合，在不增加用户拔插繁琐程度的前提下，实现了在直流高电压条件下随意拔插不拉弧的要求，保证了用户用电安全。参考文献1尹天文.低压电器技术手册M.北京：机械工业出版社，2014.2王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术M.北京：机械工业出版社，2003.3孟庆龙.低压电器设计手册M.北京：机械工业出版社，2000.4方鸿发.低压电器及其测试技术M.北京：机械工业出版社，1982.5陈德桂.低压断路器的开关电弧与限流技术M.北京：机械工业出版社，2007.6周茂祥.低压电器手册M.北京：机械工业出版社，1992.（编辑：王慧芳）1导电片；2连接圈；3陶瓷壁；4屏蔽环；5静触头；6动触头；7磁钢；8塔簧；9磁钢盖；10缓冲片图 5开关管结构Design of a DC SocketZhang Xiaojing（Shanxi Xinjing Coal Industry Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045008）Abstract:In order to ensure the safety of DC power consumption,especially high voltage and large current power consumption,higherrequirements are put forward for the protection capability of the distribution unit,especially for the sockets used daily.Therefore,theworking principle,design parameters and structure design of DC sockets are mainly analyzed.The experiment proves that the researchconforms to the AC 86 specification and the high-power DC socket used in daily life.On the premise of meeting the specifications of theexisting 86 wall socket bottom box,this product realizes the random plugging under the load of high DC voltage and large current.Key words:random plugging;inflatable switch tube;instantaneous driving mechanism;modularization;arc extinguishing12345678910脏”，作为国内最常见的承载方式，它关乎到了带式输送机整体的输送性能4。普通的托辊结构采用的是机械轴承，在正常工作时不仅仅是自身有阻力，同时在与其他部件接触时同样有阻力，这样不但降低了运输效率，还需要耗费更多的时间进行维护修理工作。本文研究的磁悬浮托辊结构来承载输送带不仅好地解决了上述问题，还能为相关行业人士的研究提供依据。参考文献1彭利刚.带式输送机设计中托辊的计算和选择J.煤矿开采，2008（8）：92-94.2张皓，陈晓光.带式输送机托辊结构的分析与改进J.科技与企业，2014（12）：297-298.3吴华春，任永武，余海涛.一种带式输送机磁悬