一、概述

主斷路器連接在受電弓與主變壓器原邊繞組之間，安裝在機車車頂中部，它是電力機車電源的總開關和機車的總保護電器。當主斷路器閉合時，機車通過受電弓從接觸網(wǎng)導線上獲得電源，投入工作；若機車主電路和輔助電路發(fā)生短路、超載、接地等故障時，故障信號通過相關控制電路使主斷路器自動開斷，切斷機車總電源，防止故障范圍擴大。

主斷路器屬于高壓斷路器的一種，按其滅弧介質(zhì)不同可分為油斷路器、空氣斷路器、六氟化硫斷路器和真空斷路器等。

目前，在SS1型、SS3型、SS3B型等電力機車上采用的是TDZ1-200/25型空氣斷路器[T－鐵路機車用；D－斷路器；Z－主；1－設計序號；200－額定分斷容量(MV·A)；25－額定電壓(kV)]。在SS4型、SS4G型、SS7C型、SS7D型、SS8型等電力機車上采用的是TDZ1A-10/25型空氣斷路器[T－鐵路機車用；D－斷路器；Z－主；1A－設計序號；10一額定分斷電流(kA)；25一額定電壓(kV)]。

與其它類型的斷路器相比，空氣斷路器具有下列優(yōu)點：

1．壓縮空氣具有可壓縮性，對滅弧室各零部件所產(chǎn)生的機械應力較小；

2．開斷能力大，燃弧時間短，動作快；

3．防爆，使用安全可靠；

4．適用于溫度變化較大的工作環(huán)境。

它的不足之處主要是：

1．操作時噪音較大；

2．分斷能力受電壓恢復速度的影響較大；

3．在氣壓和分斷能力一定的情況下，在分斷小電感電流時，常因滅弧能力過大而產(chǎn)生截流過電壓；

4．結構復雜，制造工藝要求較高。

上述不足之處在采取了若干措施后，可以得到改善，加之在電力機車上有現(xiàn)成的壓縮空氣氣源，因此，在韶山系列電力機車上廣泛采用了空氣斷路器。本節(jié)以TDZlA-10/25型空氣斷路器進行介紹。

二、TDZlA-10/25型空氣斷路器主要技術參數(shù)   

額定電壓…………………………………………………………………………25kV

額定電流  ………………………………………………………………………400A

額定頻率…………………………………………………………………………50Hz

額定分斷電流  …………………………………………………………………10kA

額定分斷容量  ……………………………………………………………250MV·A

額定工作氣壓 …………………………………………………………700～900kPa

固有分閘時間…………………………………………………………………≤30ms

延時時間 …………………………………………………………………35～55 ms

合閘時間 ……………………………………………………………………≤0.1 s

額定控制電壓…………………………………………………………………DC110V

總質(zhì)量 …………………………………………………………………………150kg

圖7－17　TDZ1A－10/25型空氣斷路器外形

三、基本結構及主要部件的作用

圖7－18　TDZ1A－10/25型空氣斷路器

1－滅弧室；2－非線性電阻瓷瓶；3－非線性電阻；4－干燥劑；5－彈簧；6－隔離開關；

7－轉(zhuǎn)動瓷瓶；8－控制軸；9－傳動杠桿；10－氣管；11－合閘閥桿；

12－起動閥；13－分閘閥桿；14－主閥活塞；15－延時閥；16－閥門；17－氣管；

18－主閥；19－塞門；20－支持瓷瓶；21－儲風缸；22－傳動風缸；23－輔助開關。

TDZlA-10/25型空氣斷路器結構如圖7－18所示，它以安裝在機車車頂蓋上鑄鋁制成的底板為界，分上、下兩大部分。露在車頂上的為高壓部分，主要有滅弧室1、非線性電阻瓷瓶2、支持瓷瓶20、隔離開關6和轉(zhuǎn)動瓷瓶7等部件。裝在底板下部的為低壓部分，主要有儲風缸21、主閥18、延時閥15、傳動氣缸22、起動閥12、輔助開關23等部件。

(一)高壓部分

1．滅弧室

圖7－19　滅弧室

1－網(wǎng)罩；2－外罩；3－擋圈；4－緩沖墊；5－觸頭彈簧；6－彈簧座；7－法蘭盤；

8－固定圈；9－導電管；10－彈簧；11－滅弧室瓷瓶；12－動觸頭；

13－靜觸頭；14－靜觸頭桿；15－風道接頭；16－套筒；17－隔離開關靜觸頭。

滅弧室的結構如圖7－19所示，它是主斷路器安裝主觸頭、熄滅電弧的重要部件。其主體為空心瓷瓶11，瓷瓶一端裝風道接頭15，通過支持瓷瓶的中心空腔與主閥的氣路相連；另一端裝法蘭盤7，由此將高壓電引入主斷路器。

主觸頭裝于滅弧瓷瓶內(nèi)，靜觸頭13的頭部為球狀，端部鑲著耐電弧的鉬塊，以提高耐弧性能。它固定在風道接頭15上，通過套筒16與隔離開關的靜觸頭17相連。動觸頭12呈管狀，其一端為工作端，工作端的管內(nèi)壁作成弧形，成一“噴口”，以利于與靜主觸頭球面有良好接觸及產(chǎn)生良好的吹弧作用；另一端與一圓環(huán)形彈簧座6相貼，彈簧座接有張力較大的觸頭彈簧5。彈簧座后順次接有觸頭彈簧5、緩沖墊4、擋圈3、網(wǎng)罩1和外罩2。

動主觸頭的外面裝有與它既有相對滑動也有良好電接觸的導電管9。導電管由銅管銑成多瓣形，通過彈簧10彈性地套裝在動主觸頭上，其尾端固定在法蘭盤7上。因此，從法蘭盤引入的高壓電源通過導電管傳至動主觸頭。

觸頭彈簧5的張力較大，它一方面使動、靜主觸頭間具有一定的接觸壓力，另一方面使動、靜主觸頭開斷后能自行恢復閉合狀態(tài)。緩沖墊4用來緩和動主觸頭開斷時觸頭彈簧5對擋圈3的撞擊。網(wǎng)罩1在動主觸頭開斷過程中起消音作用。外罩2用于防止外界臟物沾污主觸頭，其下部有排氣孔。

當主斷路器處于閉合狀態(tài)時，主動觸頭在觸頭彈簧5的作用下與靜觸頭閉合。當分閘閥得電時，壓縮空氣進入滅弧室，推動主動觸頭克服觸頭彈簧5的壓力向左移動，動、靜觸頭間產(chǎn)生的電弧進入主動觸頭“噴口”，拉長、冷卻，進而強迫熄滅。廢氣通過網(wǎng)罩由外罩下方排氣孔排入大氣。主斷路器分閘完成，壓縮空氣停止進入滅弧室，動主觸頭在觸頭彈簧5的作用下與靜主觸頭重新閉合。

2．非線性電阻

非線性電阻的結構如圖7－18所示。在非線性電阻瓷瓶內(nèi)，裝了10個串聯(lián)的非線性電阻片3和干燥劑4等主要部件，并聯(lián)在動、靜主觸頭兩端，用以防止主斷路器分閘時的過電壓。非線性電阻片采用碳化硅和結合劑燒結而成，其電阻值隨外加電壓的升高而下降，置于空心絕緣子腔中。內(nèi)部還裝有干燥劑，用以防潮。為了保證非線性電阻片之間及與外部連接之間的接觸壓力，減小接觸電阻，在其一端裝設了彈簧5。

主斷路器分閘時，動、靜主觸頭間產(chǎn)生電弧，在熄弧過程中，觸頭間的電壓將急劇增加。當電壓增加到一定值時，非線性電阻值迅速下降，主觸頭上的電流迅速轉(zhuǎn)移到非線性電阻上，既可限制過電壓，減小電壓恢復速度，又有利于主觸頭上電弧的熄滅，減少觸頭電磨損。隨著非線性電阻兩端電壓的降低，其阻值又迅速增大，以減小殘余電流，保證隔離開關幾乎在無電流下斷開，提高斷路器的分斷可靠性。

3．隔離開關

圖7－20　隔離開關

1－隔離開關閘刀；2－法蘭盤；3－彈簧裝置；4－銅球；

5－連接件；6－彈簧裝置；7－觸指。

隔離開關結構如圖7－20所示。它由靜觸頭(見圖7－19中的17)、動觸指7、彈簧裝置6、隔離開關閘刀1(動觸桿)、法蘭盤2(下轉(zhuǎn)動座)、銅滾珠4、連接件5(上轉(zhuǎn)動座)及彈簧裝置3等組成。

隔離開關靜觸頭固定在彎接頭上，它與滅弧室內(nèi)的靜主觸頭相連。其接觸面有溝槽，以便與動觸指良好的接觸。動觸桿緊固在下轉(zhuǎn)動座上。動觸指套裝在動觸桿上，并用螺釘緊固，便于在動觸指磨耗到限時拆下更換，或反過面來繼續(xù)使用。彈簧裝置6設在動觸桿上，用來保證動觸指能夾緊隔離開關靜觸頭，并保持一定的接觸壓力。下轉(zhuǎn)動座、轉(zhuǎn)動瓷瓶與操縱軸用螺釘固為一體。上轉(zhuǎn)動座通過銅滾珠、軸承及彈簧固定在下轉(zhuǎn)動座上。上、下轉(zhuǎn)動座之間的銅滾珠用來減小摩擦，同時又用作上、下轉(zhuǎn)動座之間的電聯(lián)接。在主斷路器動作過程中，連接件5不轉(zhuǎn)動，它與變壓器原邊繞組相連接。

隔離開關自身不帶滅弧裝置，不具有分斷大電流的能力，它與主觸頭協(xié)調(diào)動作，完成主斷路器的分、合閘動作。主斷路器分閘時的動作順序是：滅弧室主觸頭先分斷電路并在滅弧室內(nèi)熄滅主動、靜觸頭之間的電弧，隔離開關稍后延時打開隔離閘刀，之后滅弧室主觸頭重新閉合。此時，隔離開關保持在打開位置，從而保持主斷路器處于分閘狀態(tài)。即主斷路器分閘時，隔離開關比主觸頭延時動作，待主觸頭斷開并熄弧后再無電斷開，主斷路器合閘時，主觸頭不再動作，僅需操縱隔離開關閘刀閉合即可。

（二）低壓部分

1．起動閥

圖7－21　起動閥

1－密封墊；2－閥體；3－閥桿；4－密封墊；5－彈簧；6－蓋板。

起動閥由左邊的分閘閥和右邊的合閘閥兩部分組成，呈對稱分布，如圖7－21所示。兩閥有各自的閥桿3、彈簧5和密封墊4，由各自的電磁鐵控制，共用閥體2、密封墊1和蓋板6。D、E、F三個空腔分別與儲風缸、主閥C腔、傳動風缸相通。

當分、合閘線圈失電時，D腔充滿了來自儲風缸(由塞門19通入)的壓縮空氣，分閘閥和合閘閥在彈簧5和D腔壓縮空氣的共同作用下處于關閉狀態(tài)。

當合閘電磁鐵線圈得電時，合閘電磁鐵撞塊撞擊合閘閥閥桿，使閥桿克服彈簧5的作用向上移動，閥門打開，D腔內(nèi)的壓縮空氣由閥門經(jīng)F腔進入傳動氣缸，帶動主斷路器閉合。F腔內(nèi)有直徑為2mm的排氣孔，進入D腔的壓縮空氣管徑為8mm，所以，F(xiàn)腔仍能保持相當高的氣壓使傳動氣缸裝置動作。

當分閘電磁鐵線圈得電時，分閘電磁鐵撞塊撞擊分閘閥閥桿，使閥桿克服彈簧5的作用向上移動，閥門打開，D腔內(nèi)的壓縮空氣由閥門經(jīng)E腔送往主閥的C腔，主閥動作，帶動主斷路器分閘。

2．主閥

主閥采用氣動差動式結構，如圖7－22所示。它由閥體1、活塞2、閥桿3、閥盤5、彈簧6等部件組成。主閥共有5條氣路：A腔與儲風缸相連，B腔經(jīng)支持瓷瓶通向滅弧室，C腔與起動閥的E腔相連，下方與延時閥進氣孔相通，另有一條小氣路將儲風缸內(nèi)少量的壓縮空氣由通風塞門(見圖7－18中的19)經(jīng)主閥送入支持瓷瓶和滅弧室，保證滅弧室內(nèi)始終有一個對外的正壓力，防止外界潮濕空氣進入滅弧室。

圖7－22　主閥

1－閥體；2－活塞；3－閥桿；4－滑塊；5－閥盤；6－彈簧；7－墊圈；8－擋圈；9－密封圈。

當分閘電磁鐵線圈失電時，在A腔壓縮空氣和彈簧6的共同作用下，主閥處于關閉狀態(tài)。

當分閘電磁鐵線圈得電時，分閘閥動作，起動閥D腔內(nèi)的壓縮空氣由閥門經(jīng)E腔送往主閥的C腔，雖然主閥閥盤5和活塞2兩端都受到壓縮空氣的作用，但活塞2的直徑大于閥盤5的直徑，使閥桿3帶動閥盤5和活塞2左移，主閥打開，儲風缸內(nèi)大量的壓縮空氣向上經(jīng)主閥、支持瓷瓶進入滅弧室，帶動主觸頭動作；向下送入延時閥的進氣孔。

3．延時閥

延時閥的作用是使傳動風缸較滅弧室滯后一定時間得到儲風缸的壓縮空氣，確保隔離開關比主觸頭延時動作，無電弧開斷。

圖7－23　延時閥

1－閥座；2－密封環(huán)；3－膜片；4－閥桿；5－閥體；

6－閥門；7－彈簧；8－閥蓋；9－調(diào)節(jié)螺釘。

延時閥的結構如圖7－23所示。它由閥座1、膜片3、閥桿4、閥體5、閥門6、彈簧7、閥蓋8、調(diào)節(jié)螺釘9等部件組成。調(diào)節(jié)螺釘9用于調(diào)整進入膜片3下部空腔的氣路大小，改變延時時間。

當延時閥進氣孔無壓縮空氣送入時，延時閥閥門6在彈簧7的作用下處于關閉狀態(tài)。

當主閥打開時，壓縮空氣經(jīng)延時閥進氣孔、閥蓋8上的進氣管路、閥體5上的通道、調(diào)節(jié)螺釘9與閥座1之間的間隙，進入膜片3下部的空腔。因為管路截面小，膜片3的面積大于閥門6的面積，膜片下部的氣壓經(jīng)過一定時間延時達到一定壓力后，足以克服彈簧7的作用，推動閥桿4向上移動，閥門6打開，大量的壓縮空氣進入傳動氣缸的進氣孔。

4．傳動氣缸

傳動氣缸以隔板5為界，分為左邊的工作腔和右邊的緩沖腔兩大部分，如圖7－24所示，活塞桿3上裝有工作活塞2、緩沖活塞7和套筒1、8，連桿銷9與圖7－18中的傳動杠桿9、控制軸8相連。

由于隔離開關和轉(zhuǎn)動瓷瓶均具有一定的質(zhì)量。在隔離開關動作過程中，要使其瞬間制停到位，必然會產(chǎn)生很大的慣性沖擊，容易發(fā)生控制軸、隔離開關刀桿或轉(zhuǎn)動瓷瓶斷裂。為此，在傳動風缸的隔板5上設有一排氣孔，隔板5和緩沖氣缸體6上各設有一個逆止閥。

在分閘過程中，經(jīng)主閥、延時閥的壓縮空氣一路從傳動風缸進氣孔1進入工作活塞左側(cè)，推動工作活塞右移，帶動控制軸使轉(zhuǎn)動瓷瓶轉(zhuǎn)動，隔離開關分閘。與此同時，另一路壓縮空氣從傳動風缸進氣孔2進入緩沖活塞右側(cè)，當工作活塞向右運動，碰到套筒1時，迫使套筒1、緩沖活塞7也隨之右移，而緩沖活塞右側(cè)的壓縮空氣將阻礙它們的運動，這就保證了主斷路器在分閘過程中先快后慢的動作要求，起到了緩沖的作用。

在合閘過程中，起動閥D腔的壓縮空氣經(jīng)F腔、傳動風缸進氣孔3，分別進入工作活塞的右側(cè)和緩沖活塞的左側(cè)。一方面，工作活塞左移，帶動隔離開關合閘；另一方面，當工作活塞左移，帶動連桿銷9碰到套筒8時，會迫使緩沖活塞左移，同理，緩沖活塞左側(cè)的壓縮空氣將阻礙工作活塞、套筒和緩沖活塞的運動，保證主斷路器在合閘過程中也具有先快后慢的特點。

圖7－24　傳動氣缸

1－套筒；2－工作活塞；3－活塞桿；4－工作氣缸體；5－隔板；

6－緩沖氣缸體；7－緩沖活塞；8－套筒；9－連桿銷。

5．輔助開關

輔助開關由萬能轉(zhuǎn)換開關承擔，其引出線通過插銷或插座同機車有關電路相連。

輔助開關的作用如下：一是接受機車整備控制電路的電信號，控制分、合閘電磁鐵的動作；二是作分、合閘之間的電氣聯(lián)鎖，即分閘完成后切斷分閘線圈電路，接通合閘線圈電路，為下一步合閘動作作好準備，保證下一步只能是合閘動作而非分閘動作，反之亦然；三是與信號控制電路相連，顯示主斷路器所處的狀態(tài)，分閘狀態(tài)時信號燈亮，合閘狀態(tài)時信號燈滅。

四、動作原理

1．準備工作

儲風缸充滿足夠的壓縮空氣；起動閥的D腔充滿壓縮空氣；另有少量的壓縮空氣經(jīng)通風塞門、主閥、支持瓷瓶進入滅弧室，使滅弧室內(nèi)保持一定的正壓力，防止外部潮濕空氣的侵入。(如圖7-25所示)

圖7－25　主斷路器準備狀態(tài)示意圖

圖7－26　主斷路器分閘過程示意圖

2．分閘過程

司機按下主斷路器分閘按鍵開關，分閘線圈得電，分閘閥閥桿上移，起動閥D腔的壓縮空氣經(jīng)起動閥E腔進入主閥的C腔，主閥左移，儲風缸內(nèi)大量的壓縮空氣經(jīng)支持瓷瓶進入滅弧室，推動主動觸頭左移，電弧被吹入空心的動觸頭，冷卻、拉長、進而熄滅。(如圖7-26a、b圖所示)

進入延時閥的壓縮空氣經(jīng)一定時間延時后，推動延時閥閥門上移，壓縮空氣進入傳動風缸工作活塞的左側(cè)，推動工作活塞右移，驅(qū)動傳動杠桿帶動控制軸、轉(zhuǎn)動瓷瓶轉(zhuǎn)動，隔離開關分閘。(如圖7-26c圖所示)

與控制軸同步動作的輔助開關同時完成如下三項工作：一是切斷分閘線圈電路，分閘線圈失電，分閘閥關閉，D腔的壓縮空氣不再進入E腔和C腔，主閥關閉，壓縮空氣停止進入滅弧室，主觸頭在反力彈簧的作用下重新閉合，分閘過程完成(如圖7-26d圖所示)；二是接通信號控制電路，使主斷路器信號燈亮，顯示主斷路器處于斷開狀態(tài)；三是接通合閘線圈電路，為下一次合閘作好準備。

圖7－27　主斷路器合閘過程示意圖

3．合閘過程

司機按下主斷路器合閘按鍵開關，合閘線圈得電，合閘閥閥桿上移，起動閥D腔的壓縮空氣經(jīng)起動閥F腔進入傳動風缸工作活塞的右側(cè)，推動工作活塞左移，驅(qū)動傳動杠桿帶動控制軸、轉(zhuǎn)動瓷瓶轉(zhuǎn)動，隔離開關合閘(如圖7-27a所示)。

同理，與控制軸同步動作的輔助開關：一是切斷合閘線圈電路，合閘線圈失電，合閘閥關閉，壓縮空氣停止進入傳動風缸，合閘過程完成；二是切斷信號控制電路，使主斷路器信號燈滅，顯示主斷路器處于閉合狀態(tài)；三是接通分閘線圈電路，為下一次分閘作好準備(如圖7-27b所示)。

五、使用與維護

為了使主斷路器處于良好的工作狀態(tài)，必須加強維護管理，主要應做到：

1．保持氣路潔凈

壓縮空氣潮濕或不潔，管道不干凈，可能造成以下后果：

(1)在電弧作用下分解成氫、氧等混合氣體，破壞主觸頭分斷后斷口間的絕緣，使熄弧困難或電弧重燃，嚴重時會造成滅弧室炸裂；

(2)使支持瓷瓶和滅弧室內(nèi)腔絕緣強度降低，造成沿面放電；

(3)管道中的漆皮、銹渣等異物可能堵塞氣口，使主斷路器動作失靈，發(fā)生卡位現(xiàn)象；

(4)異物若進入滅弧室，可能會造成主觸頭接觸不良，使非線性電阻長期通電而燒損，嚴重時會造成非線性電阻瓷瓶炸裂。

因此，在主斷路器儲風缸的進氣管上裝有油水分離器，下部有放水閥，使用維護時應定期排水，保持氣路潔凈。

2．定期更換橡膠件

主斷路器是一種結構復雜的氣動電器，各部件對密封性能要求較高，為保證良好的密封性能，應定期更換橡膠件。

3．定期檢查各主要部件，保持各部件良好的技術狀態(tài)

(1)滅弧室

定期檢測主觸頭超程和動觸頭復原彈簧的狀態(tài)。動、靜觸頭由于分、合頻繁，會因相互摩擦而磨損，從而造成超程減小，接觸壓力減小。當超程減小到一定程度時，要更換動、靜觸頭。動觸頭復原彈簧變形超過一定限度時，必須及時更換。

(2)非線性電阻

保持非線性電阻瓷瓶內(nèi)腔清潔，密封良好。定期更換非線性電阻瓷瓶中的干燥劑，檢測非線性電阻片的阻值。阻值變化超過一定限度時，必須及時更換。

(3)主閥

定期檢查活塞與閥體間的配合尺寸，尺寸不符合要求應及時更換。

(4)傳動氣缸

適當調(diào)節(jié)好傳動氣缸的緩沖，保證隔離開關動作良好。定期檢查活塞與缸體之間的配合精度，通過修整或更換零部件，保證其良好的動作性能。

(5)通風塞門

必須定期更換塞門中的填料，檢測塞門的通風量，將其調(diào)整至允許范圍之內(nèi)。