1.3 高壓斷路器的結(jié)構(gòu)

高壓斷路器的典型結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。高壓斷路器主要由操動(dòng)機(jī)構(gòu)和滅弧室兩部分組成。在圖1.1中，1為開斷電流的滅弧室，斷路器的觸頭、滅弧介質(zhì)等都放在滅弧室內(nèi)，共同完成正常電流和故障電流的關(guān)合、承載和開斷任務(wù)；4為操動(dòng)機(jī)構(gòu)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)為滅弧室提供動(dòng)、靜觸頭開合的動(dòng)力。

1.3.1 滅弧室

以真空滅弧室為例來介紹。真空滅弧室也稱為真空管，是真空斷路器切斷電流的直接場(chǎng)所。真空斷路器的滅弧室為一個(gè)不可拆卸的整體，動(dòng)、靜觸頭分別焊在動(dòng)、靜導(dǎo)電桿上。靜導(dǎo)電桿焊在上法蘭盤上，動(dòng)導(dǎo)電桿上焊一波紋管，在導(dǎo)向套內(nèi)運(yùn)行。波紋管及導(dǎo)向套焊在下法蘭盤上，由瓷柱支撐的金屬圓筒屏蔽在動(dòng)、靜觸頭外面，再與玻璃外殼形成密封的腔體，該腔體經(jīng)過抽真空，真空度一般在1×10-6Pa以上。當(dāng)合、分閘操作時(shí)，動(dòng)導(dǎo)電桿上下運(yùn)動(dòng)，波紋管被壓縮或拉伸，使真空滅弧室的真空度得到保持。

關(guān)于真空滅弧室的基本構(gòu)造，德國、英國、美國與日本的各家制造廠都大致相似，但材料和觸頭結(jié)構(gòu)方面卻大不相同，且各有專利，互相保密。真空滅弧室的基本組成部分有動(dòng)、靜觸頭，絕緣外殼，屏蔽罩和波紋管等，如圖1.2所示。

1.外殼

外殼是為真空滅弧室制造一定真空度的機(jī)械承力空間，是真空滅弧室的密封容器。它不僅要容納和支持真空滅弧室內(nèi)的各種零件，而且在動(dòng)、靜觸頭處于斷開位置時(shí)起絕緣作用。按制造材質(zhì)分為玻璃、陶瓷與金屬殼（將金屬屏蔽罩露于空氣中，而在兩端絕緣）。我國以往使用玻璃外殼居多，但陶瓷外殼的焙烘溫度高，可實(shí)現(xiàn)一次排封封接工藝，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化高效生產(chǎn)，而且比玻璃外殼有更高的機(jī)械強(qiáng)度和真空度。

2.觸頭

真空滅弧室內(nèi)的一對(duì)觸頭，既是閉合時(shí)的通流元器件，又是開斷時(shí)的滅弧元器件，因而觸頭是真空滅弧室內(nèi)最為重要的元器件。其幾何造型和金屬元素成分隨制造廠而各不相同。觸頭材料大致可以分為兩大類：銅-鉻合金，主要用于高電壓；銅-硒-碲合金，用于低壓大電流。觸頭的材料和性能與斷路器的開斷性能、電壓承受能力、過電壓均有密切聯(lián)系。

觸頭的結(jié)構(gòu)形式對(duì)斷路器的開斷性能影響也很大。真空滅弧室開斷大電流有兩種方式，一種是在真空電弧上施加與弧柱方向垂直的磁場(chǎng)，即橫向磁場(chǎng)。產(chǎn)生這種磁場(chǎng)的典型觸頭結(jié)構(gòu)有螺旋槽觸頭和杯狀橫磁觸頭。另一種是在真空電弧上施加與弧柱方向平行的磁場(chǎng)，即縱向磁場(chǎng)，使電弧在大電流下也處于擴(kuò)散狀態(tài)。產(chǎn)生這種磁場(chǎng)的典型觸頭結(jié)構(gòu)有線圈式觸頭和杯狀縱磁觸頭。因觸頭在真空環(huán)境內(nèi)工作，表面不易生成氧化膜，故一方面要求能抗熔焊，截流值小，這就要求金屬飽和蒸氣壓高；另一方面又要求材料含氣雜質(zhì)少，開斷電流大，過零后介質(zhì)強(qiáng)度要高，這又要求金屬的飽和蒸氣壓不能太高。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，縱向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)能提高斷路器的開斷能力。當(dāng)動(dòng)、靜觸頭在操動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下帶電分閘時(shí)，觸頭間隙將燃燒真空電弧，并在電流過零時(shí)熄滅電弧。由于觸頭的特殊結(jié)構(gòu)，燃弧期間觸頭間隙會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目v向磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)可使電弧均勻分布在觸頭表面，維持低的電弧電壓，并使真空滅弧室具有較高的弧后介質(zhì)強(qiáng)度，吸附能力強(qiáng)，電磨損小，從而提高了斷路器開斷短路電流的能力。

3.波紋管

波紋管保證了真空滅弧室外殼的完全封閉。波紋管是由厚度為0.1～0.2mm的不銹鋼制成的薄壁元器件，它使動(dòng)觸頭在真空狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)成為可能，被普遍用于動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的真空密封。波紋管的一端固定，連在滅弧室的一個(gè)端面上；另一端運(yùn)動(dòng)，連在動(dòng)觸頭的導(dǎo)電桿上，從而使動(dòng)觸頭有一定的活動(dòng)范圍而不使滅弧室內(nèi)真空空間壓強(qiáng)發(fā)生變化，用金屬波紋管來承受觸頭活動(dòng)時(shí)的伸縮。波紋管是真空滅弧室的一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)零件，是保證真空滅弧室機(jī)械壽命的重要零件。真空斷路器每合分操作一次，相應(yīng)地使波紋管產(chǎn)生一次機(jī)械變形，它是真空滅弧室中最易損壞的部件，其金屬材料的疲勞壽命決定了真空滅弧室的機(jī)械壽命。一般采用不銹鋼、磷青銅等作為制造波紋管的材料，不銹鋼的性能最好。常見的制造工藝有膜片焊接和液壓成型兩種。前者能使工作行程達(dá)到波紋管長(zhǎng)度的三分之二，疲勞壽命長(zhǎng)，但成本高。后者的制造成本低，疲勞壽命相對(duì)要短些，而且工作行程小于波紋管長(zhǎng)度的三分之一。

4.屏蔽罩

在觸頭周圍設(shè)置屏蔽罩，用來吸附真空電弧產(chǎn)生的金屬蒸氣分子，使其在罩殼上冷卻并恢復(fù)到金屬固化狀態(tài)，吸附后滅弧室的真空度得以恢復(fù)。滅弧室的屏蔽罩由主屏蔽罩、波紋管屏蔽罩和均壓屏蔽罩組成。主屏蔽罩可以在開斷電流時(shí)有效地防止金屬噴濺到絕緣外殼的內(nèi)表面，避免內(nèi)表面絕緣性能下降。當(dāng)交流電流過零時(shí)，主屏蔽罩的存在有利于電流過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的提高，改善滅弧室的開斷性能。主屏蔽罩的存在會(huì)影響動(dòng)、靜觸頭間的電場(chǎng)分布。屏蔽罩設(shè)計(jì)得當(dāng)，有利于觸頭間絕緣強(qiáng)度的提高。波紋管屏蔽罩包在波紋管四周，可有效防止金屬蒸氣濺到波紋管上，以提高波紋管使用壽命。均壓屏蔽罩安裝在觸頭附近，可改善觸頭間電場(chǎng)分布。

1.3.2 操動(dòng)機(jī)構(gòu)

斷路器觸頭的分合動(dòng)作是靠操動(dòng)機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)的，高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)由手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展到手動(dòng)儲(chǔ)能彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓縮空氣氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前正在向電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展。常用的操動(dòng)機(jī)構(gòu)有彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓縮空氣氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：① 可靠性高，功能原理簡(jiǎn)單，要求電源的容量小，交、直流都可用，暫時(shí)失去電源仍能操作一次；② 沒有油壓和氣壓，也不需要這些壓力的監(jiān)控裝置，因此彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)廣泛用于中小型斷路器。這里以彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為主進(jìn)行介紹。

高壓斷路器對(duì)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作方面有一定的要求，要求能配合完成合閘、保持合閘、分閘、自由脫扣與防跳躍及復(fù)位等功能。操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過杠桿機(jī)構(gòu)及絕緣拉桿與真空滅弧室導(dǎo)電桿連接，帶動(dòng)真空滅弧室動(dòng)觸頭以規(guī)定的機(jī)械參數(shù)分合運(yùn)動(dòng)。

某真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1.3所示。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)、合閘儲(chǔ)能彈簧、儲(chǔ)能主軸、鏈輪、合閘擋板、合閘半軸、傳動(dòng)連桿、分閘半軸、分閘擋板、傳動(dòng)主軸、觸頭彈簧、杠桿機(jī)構(gòu)、絕緣拉桿、傳動(dòng)拐臂、分閘彈簧、緩沖器、真空滅弧室及二次控制回路等構(gòu)成。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)按其功能可分為儲(chǔ)能系統(tǒng)、電磁控制系統(tǒng)和分合閘操作系統(tǒng)等部分，它們互相配合，將電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)換成觸頭的機(jī)械能。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能是合閘彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能。ZN48A— 40.5型真空斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)、合閘彈簧、分閘彈簧、鏈傳動(dòng)及聯(lián)鎖裝置等組成。

斷路器要進(jìn)行自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和保護(hù)，就要求其操動(dòng)系統(tǒng)除了在結(jié)構(gòu)上有自動(dòng)操作能力之外，還要有一個(gè)專門的電氣控制回路實(shí)現(xiàn)對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制，根據(jù)外來的操作指令完成斷路器各項(xiàng)功能。電磁控制系統(tǒng)作為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成部分，其功能是對(duì)分合閘和自動(dòng)重合閘等操作進(jìn)行控制，由分合閘線圈、脫扣器、儲(chǔ)能保持鎖扣和輔助開關(guān)、接線板等組成。

分合閘操作系統(tǒng)是執(zhí)行斷路器分?jǐn)嗯c閉合任務(wù)的部分。真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘操作系統(tǒng)包括三相觸頭彈簧、傳動(dòng)連桿和傳動(dòng)主軸等。當(dāng)控制電路發(fā)出分閘信號(hào)時(shí)，通過自由脫扣裝置釋放分閘彈簧儲(chǔ)存的能量，使觸頭進(jìn)行分閘動(dòng)作。簡(jiǎn)而言之，就是控制電路發(fā)出合、分閘信號(hào)，操動(dòng)系統(tǒng)牽引動(dòng)觸頭物理上合、分閘。