电力机车的主断路器其灭弧方式设计.docx
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电力机车的主断路器其灭弧方式设计
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绪论..............................
1.1断路器的分类..................................................................
第5章浅析SS4B型电力机车主断路器检修保养措施
5.1SS4B型电力机车的技术特点
5.2SS4B型电力机车主断路器故障分析
5.3SS4B型电力机车口常检修要点与保养
第6章HXD3型机车主断路器的检修维护
6.1HXD3型机车主断路器的日常维护...........................................
6.2HXD3型机车主断路器的检修................................................
内容摘要
用于电力机车的主断路器以其灭弧方式而分有空气与真空两种。
从单一的空气型到两种类型的竞争，经历了两个不同的发展叶期。
、币彼此在性能、
结构及经济土约优劣则决定了其过去和将来的地位。
本文回顾了主断路器的发展过
程并时两种断路器进行评价。
主题词:
电力机车，主断路器，岌展，分析.
Usedinelectriclocomotivemaincircuitbreakerandpointsinthearcingway,theperformance,currency,
Soilstructureandeconomyaboutadvantagesanddisadvantagesaredecidethepositionofthepastandfuture.Thispaperreviewsthedevelopmentofthemaincircuitbreaker
Processandevaluatethetwokindsofcircuitbreaker.
Keywords:
electriclocomotivemaincircuitbreaker,someexhibition,analysis.
绪论
一九六八年，英国通用电器公司（GBC）首次研制出用{于电力机车的真空断路器，并装车试运成功。
这是最早以真空断路器取代空气断路器用、于机车的主电路切换及其短路保护。
由于真空电器具有优良的短路电流开断能力和结构简单等显著的优点，所以当它一出现在机车上，就马上得到了机车运用部的欢迎。
因而从六十年代后期开始，英国、美国、日本等国铁路都在试图逐步用真断路器（VCB）将空气断路器（ABB）取。
他们的努力首先在线路上获得了成功，从而导致七十年代线路用真空断路器的广泛应用。
而由于机车上的条件要求特殊，机车YCB并未迅速实现，当时的问题是如何选触头使真空室小型化，防止开断感性负载及截流过电压以及提高机械寿命与电寿命的问题。
限于这些不足，VCB在电力机车上的优势未能立即得到承认，苏联、法国、中国等在电力机车生产中仍主要采用空气断路器。
到了七十年代后期八十年代初，英美等国相继研制出了机械寿命百万次以上的真空接触器，用于炼钢及矿山的真空开关也证明了其可靠、安全及操作频幸高等优良性能。
因此，人们逐渐意识到真空电器在工业技术中具有的远大前景，从而导致了真空电弧理论与真空开关技术研究的蓬勃发展。
随着世界范围的竞争与不断探索，真空电弧理论终于有了新的突破，尤其在人们发现了触头磁场对电弧的影响后，大批新颖有效的触头形式纷纷出现，由最初的圆柱形触头到螺旋槽式以及后来的杯状和纵磁场触头，其分断电流的能力已由数千安增大到几十千安。
参考文献（3）载巳有易于加工的直径35mm杯状触头开断20KA（ram）通过了试验。
由于触头材料的优化选择，较好地解决了电流截流问题，截流值一般能控制在6A以下，从而消除了开断过程中的过高的过电压。
由此，专家们预言在中等容量的电力开关中，真空开关将占据主导地位。
随着真空管的标准化生产及技术的成熟，其稳定性不断上升，成本不断下降，这样也使得它在机车上的应用越来越受到人们广泛的注意。
八十年代，英国、日本、苏联、中国等都已拥有自己的VCB产品，日本铁路机车全部采用自己研制的VCB,1987年日本向中国出口的6K型电力机车采用的就是其型号为QROB-201A真空断路器;我国的SS4重载货运电力机车也采用我国自己研制的VCB;而在此领域一直处于领先地位的英国GB公司不仅使木国铁路电力机车全部采用他们的VCB产品，而且以技术领先、质量可靠、价格优惠等优势占据了世界大部分机车断路器市场。
到1989年1月，他们销售到木国铁路及印度、加掌大、南
非、台湾等地的VCB已达1546台。
电力机车的特殊运用条件使得对机车电器的要求远比一般民用产品苛刻。
如果对机车主断路器采用性能与经济性一致的观点，其选择条件应是:
①足够大的短路电流分断能力;
②长的使用时间
③可靠性好，高的响应速度与最小的分断失败率;
④尽可能小的维护工作量;
⑤经济上有可接受的价格。
在以下各项的比较中，我们将会看到空气断路器（ABB）与真空断路器（VCB）各项指标的优劣。
1.足够大的短路电流分断能力对高压断路器的最基本要求就是在规定的条件下有开断额定短路电流的能力。
对于25kV电力机车，其短路电流值与接触网线路参数、机车线路参数短路点有关，按照传统的方法，一般将其值选择在8到10千安左右。
而多年来的实践也证明，具有如上开断能力的断路器在机车上的运肘是可靠的。
据表1，国外几种主要的机车断路器标称额定分断电流能力都是10KA。
据此，似乎可以说在这一点上真空与空气断路器的能力没有什么不同，然而实际上差异还是有的。
其一，如果试验条件不同，虽然结论一样，无疑实际情况也会不一徉。
据有关资料一，英国GE公司采用的试脸标准纂木上接近IEC65的要求。
由于缺少统一的现定，瑞士BBC的空气断路采用的某些试验卡标准则明显低于IEC三相断路器试验标准。
比如瞬态恢复电压频二只有550HZ,约为IEC的四分之一左右，而空气断路器又是所谓“频率敏感性”电器，因此，如果按IEC的标准来要求，DBTF的开断能力要打较大的折扣。
其二，由于真空电弧金属等离子体高的导电性，电弧电压很低，断口间的能量消耗小，比起空气电弧来容易熄灭得多。
因此，真空介质开断电流的能力大大高于空气介质这是众所周知的。
所以说，就分断能力来讲，真空断路器占有优势。
但是，如果不管是在哪种试验条件下得到的结果，其产品总是能够满足机车运行的要求，而这或许又正是空气断路器仍然能够占领市场的主要原因。
2.长的使用寿命
一台运用中的干线电力机车，其主断路器的年通断次数为8,000~14,000次左右，而按照电力机车的整体工作寿命35年（英国标准）计算，断路器的寿命最少将需要二十万至三十万次。
这样的要求对任何型式的断路器来说都显得苛刻，但也并非完全不过从我们已进行过的试验可以了解到，在十多万次的分合动作以后，空气断路器中的某些部件，如触头支持件、动触头等需要更换，如果处于运用、中，则需要定时大修。
而对于真空断路器来说，要满足这样的
要求也许会容易一些。
我们知道，真空接触器的寿命达到百万次甚至数百万次已不是难事。
而用于电力机车的真空断路器，其寿命是否能达到所要求的数十万次呢?
回答是肯定的。
真空断路器（VCB）与真空接触器（VCC）结构上的主要区别是:
VCB的触头断口必须有足够大的开距，以防止高压下分断电流后的重击穿。
这样VCB动触头的行程在8mm左右（相对应电压13.8KV,英国GE公司产品），而接触器则只需3mm的开距便已足够。
由于VCB较大的行程要求限制了波纹管的压缩量，从而促成了由不诱钢制成的波纹管在折线处的疲劳及开裂，最后导致真空室气压上升使VCB分断电流失败。
因此，VCB机械寿命的关键在于波纹管的寿命。
从此目标出发，人们作了大量工作，一般通过以下几种途径来实现:
采用新的台全材料，运用特殊的焊接方式，减小触头运劝过程中的相对压缩量。
后一种办法受真空管体积的制约，但显而易见，如果VCB的体积许可，将波纹管适当延一长，则其相对压缩量也可接近VCC的水平，那么，不难想象VCB的机械寿命提高到数十万次并非是不可能的。
英国GE公司的22CB型VCB也证实了这一点。
（见表1）J
其中22CB,20CB分别为英国GE公司的新旧产品。
20CB已广泛供应于国际市掩CB也已通过了运行试验,QRCB-20IA为日本三菱重工用于6K型电力机车上的产品，DBTF为瑞士BBC的产品。
用于8K型电力机车及部分欧洲市场。
3.可靠性:
高的响应速度与小的分断失败率断路器的分闸响应延时一般称为固有分闸时间。
高的响应速度对保护类电器来说是至关重要的。
尤其在机车上，当出现主回路接地、电机过载、整流管击穿等故障时，要求主断路器能在最短的时间内切断机车电源，以防止事故扩大。
因此，固有分闸时间是考核主断路器的重要参数之一。
固有分闸时间为分闸电磁铁得电到主触头动作这一段时间，它取决于电磁铁激磁速度与灭弧室（对ABB来讲）或活塞（对VCB来讲）的气压建立速度。
一般说来，固有分闸时间我们可以从操动电磁铁、气流口径、气缸大小的改变加以选择，但燃弧时间则根据ABB或VCB而变，是无法选择的。
通常ABB的电弧在两个半波内熄灭（（0..02秒），而VCB的电弧则在一个半波内熄灭（0.01秒）。
因此，尽管表1中的固有分闸时间基本相同，实际上切断电流的时间YCS要比ABB小。
当然也有例外，株洲电力机车厂生产的'TDZ25400型空气断路器，固有分闸时间只有0.025秒。
分断失败率的要求在空气断路器并不显得重要，因为实际运行中开断短路电流的机会非常少见，而且无论弧触头是否能够将短路电流切断，经过数十毫秒，最终总能够由隔离开关将电源切除，从而对机车上其它设备起到保护作用。
但是对子真空断路器来说，由于它不带
有隔离开关，因而分断失败则意味着负载将要面临承受短路电流的危险。
这是无论机车生产厂家还是用户都极力避免的问题。
因此有的断路器生产厂家在其产品技术参数里标有分断失败率一项（如英国GE公司的22CB型VCB，分断失败率为13000）。
实际上，只要通过了型式试验中规定的额定分断电流，在其寿命期间，基术不会出现分断失败的情况，因为机车上达到其额定分断电流的情况实在太少。
至今笔者还未见到过关于此类事故的报导。
然而值得指出的是，导致真空断路器分断失败的真正原因常常是真空室气压的升高。
我们知道，在气压小于1.33x10-2Pa的真空里，开关触头断口具有良好的电弧熄灭特性和大约40KVmm的电压耐受能力，但是随着气压的上升，真空电弧将转变为空气电弧，其优良的熄弧性能随之消逝，而耐压能力则按巴申曲线迅速下降。
可见，如果一旦因为某种原因（如波纹管渗漏，含气材料触头燃弧后的气体释放等）使真空断路器的真空度下降到气压高于1.33x10—2Pa的水平，则要对其进行严密的监视或及时将真空管更换。
防止因波纹管破裂造成气压上升引起不能切断线路的危险。
4.尽可能小的维护工作量
紧凑性与封闭性是真空断路器的突出点，而由此带来的极其微小的维护工作量或许是它真正具有优势的地方。
有关资料与实际情况都表明VCB在这方面占有明显优势。
以下是分别代表目前最高水平的真空20CB及空气17131'C'断路器的维护及检修要求:
a.空气断路器DBTF型
投入使用后，每两星期一次一般性检查。
每运行G万至8万公里（约一年）后，检查和更换易损及磨耗件，各运动部分润滑。
每两年半大修一次。
工作寿命30年。
b.真空断路器20CB
投入使用后每两星期一次一般性检查。
每年一般性检修，每两年半大修一次。
工作寿命40年。
此外，据英国东部铁路负责英国国铁断路器维修的ILFORD段的统计资料，以人工工时计，真空断路器与空气断路器的大修工时分别为12.16和19.08;每年的总检修工时分别为3.26和9.01，后者几乎是前者的三倍。
阳与三门峡之间运行的SS3型电力机车上装了两台英国GE公司的20CB真空断路器，从一年多来的运行情况看，其简单轻微的维护工作给乘务员带来了极大的方便。
由段方提供的运行结果表明，除了因为适配SS3型机车而相应改动的部分偶有可排除的故障外，机务段及乘务员均未对其作过任何修理或调整工作。
第一章真空断路器的结构和工作原理
1.1真空断路器结构
真空断路器主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成。
根据真空灭弧室和操动机构的相对位置，真空断路器分为如下五种形式：
落地式、悬挂式、综合式、支架式、全封闭组合式。
操动机构分为电磁操动机构、弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构、弹簧液压操动机构五种类型。
真空灭弧室是真空断路器中最重要的部分。
真空灭弧室主要由绝缘外壳，屏蔽罩，波纹管和动、静触头等组成。
真空灭弧室的外壳可以用硬质玻璃、高氧化铝陶瓷和微晶玻璃制成，其作用是支持动、静触头和屏蔽罩等金属部分。
在选材时要充分考虑材料的抗压强度、抗拉强度、冲击强度、空气中沿面闪络电场强度等性能。
外壳两端配以密封的金属盖，以确保灭弧室内的高真空度。
真空灭弧室常用的屏蔽罩有主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压屏蔽罩。
主屏蔽罩环绕着电弧间隙，其主要作用有：
一、有效防止真空灭弧室开断电流时形成的金属蒸汽喷溅到绝缘外壳的内表面，使内表面的绝缘性能下降。
二、交流电流过零时使灭弧室内剩余的金属蒸汽和导电粒子快速扩散到屏蔽罩上冷却、复合和凝结，有利于电流过零后弧隙介质强度的提高，改善了灭弧室的开断性能。
三、屏蔽罩的存在会影响动静触头间的电场分布，设计合理时有利于触头间绝缘强度的提高。
波纹管屏蔽罩包在波纹管四周，防止金属蒸汽溅落在波纹管上，妨碍波纹管工作并影响其使用寿命。
均压屏蔽罩装置在触头附近，用以改善触头间电场分布。
波纹管是动触头与大气侧的动导杆相连接的部分。
波纹管的一端和穿过它的动触杆相焊接，另一端则与金属端盖的中孔相焊接。
触头的最大开距由波纹管允许的伸缩量来决定。
波纹管能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全密封。
从机械上讲，它是真空灭弧室中最薄弱的元件，动静触头每分合一次，波纹管的波纹状薄壁就要产生一次大的机械变形。
长期频繁和剧烈的变形容易使波纹管因材料疲劳而损坏，导致灭弧室漏气而无法使用。
因此真空灭弧室的机械寿命主要决定于波纹管。
动触头位于灭弧室下部，在与其连接的导电杆周围和外壳之间装有导向管，以保证动触头在上下方向准确地运动。
一般在导电杆下方位于灭弧室外部的表面有一个圆点状标记。
可以从它到灭弧室下端相对位置的变化情况观察到触头磨损程度。
灭弧室内为不低于10-2Pa的高真空状态。
静触头和动触头以及与它相连的导电杆在闭合位置时构成导电回路，而在触头分离时则形成断路，断口处即是产生真空电弧和进行熄弧过程的弧腔。
1.1真空断路器工作原理
第2章真空断路器故障案例
我在长期的工作中遇到过多次因真空灭弧室灭弧性能不良引起的设备故障，现将两起比较典型的事故案例进行叙述分析，详情如下：
2.1事故案例一
2009年7月20日下午，在对朔黄铁路行唐分区所231断路器停电检修时，远动主站遥控操作分闸231断路器后，控制室仪表显示231断路器还有20A电流流过，高压室内传出放电的声音。
这时一列火车经过行唐站，231断路器电流瞬间增加到160A，在与电力调度汇报沟通后，立即又将231断路器合闸，从而降低了电弧对断路器的进一步破坏。
整个过程大约持续了两分多钟。
随后发现这台断路器真空灭弧室已起火燃烧。
电力调度命令值班员按程序将这台断路器停运并拉至安全地带，并用灭火器进行灭火。
从现场情况分析来看，此台断路器是由于在分闸后持续的燃弧中产生高温，导致真空泡陶瓷外壳断裂，同时，引起热缩套管燃烧起火。
损坏的断路器情况如图2-1和图2-2所示。
图2-1烧毁的真空断路器照片
图2-2烧毁的真空灭弧室照片
现场对这台断路器的机构部分以及传动部分检查，未发现异常，所以断定该断路器烧损不是由机械故障引起。
由于这台断路器的真空灭弧室在耐压试验中只能经受住6KV电压，该试验值远低于系统额定工作电压。
这种情况下的开断操作肯定会造成断路器开断失败。
所以这起事故是由于真空灭弧室耐压性能不够引起的。
另外，我们怀疑真空灭弧室热缩套管材料可能存在阻燃性能不良的问题，导致真空灭弧室外壳起火燃烧。
经过和ABB真空断路器厂家工程技术人员沟通协商后，我们将耐压试验不合格的三个真空灭弧室寄送回生产厂家。
厂家对以上三个真空灭弧室进行了试验，并得出了如下结论。
以下是厦门ABB开关有限公司的检测分析报告：
厦门ABB开关有限公司对三个不合格真空灭弧室做了如下检测：
1.用VIDAR真空检测仪检测绝缘（直流电压）；
2.在真空灭弧室动静触头之间施加70KV1min的交流耐压测试；
3.随机挑选其中一只灭弧室检测其内部真空气压；
4.对随机挑选的真空灭弧室进行氦气泄漏检测；
5.分析位于金属屏蔽罩上的腐蚀点。
·检测结果如表2-1所示
表2-1厦门ABB真空灭弧室检测报告
铭牌
绝缘检测
真空压力检测
真空灭弧室出厂编号
制造日期
直流电压检测
交流耐压检测
hpa
date
270
40KV不合格
70KV不合格
真空度降低
271
40KV不合格
70KV不合格
真空度降低
3
40KV不合格
70KV不合格
真空度降低
通过上述检测，这三个真空灭弧室的绝缘测试都不合格，内部真空度降低。
这些真空灭弧室的内部真空气压已经达到外部大气的水平，由于查找检测泄漏区域在技术上是相当复杂的，所以需要花费大量的时间。
因此，我们只随机挑选其中一个真空真空灭弧室来分析，我们可以假设被分析的这只真空灭弧室的问题点可以代表其它所有真空灭弧室。
使用氦气泄漏探测仪，泄漏区域从真空灭弧室的屏蔽罩隔离出来并且被检测到，泄漏的原因是在金属屏罩有一个很微小的腐蚀点，这个腐蚀点位于动触头一侧。
·结论
虽然这种类型的真空灭弧室被热缩管整个紧密的包起来，但是在热缩管和金属罩之间可能存在一些很微小的间隙，当有潮气渗入其中，腐蚀现象就可能在这发生。
如果潮气（可能含盐）不断地渗入，腐蚀过程就会不断发展，而当真空灭弧室在使用过程中，有干燥的空气渗入间隙，腐蚀过程才会停止。
由于泄漏，空气将会进入真空灭弧室内，这需要一个很长时间的过程，最终结果会导致灭弧室内部真空气压慢慢升高，从而超出真空灭弧室真空气压的要求范围。
如果真空断路器在良好的户内环境下运行，这个问题将不会发生，也不会有腐蚀现象。
2.2事故案例二
2009年8月4日4时58分56秒，电力调度按照遥控程序对朔黄铁路安国变电所进行天窗停电时，依此对205断路器、206断路器、211断路器、212断路器、213断路器、214断路器、215断路器进行停电。
在人为不能分辨的时间内，271的缺相保护、301、322低压解列保护动作，几乎同一时刻202断路器的27.5千伏单相低压启动过电流保护动作，同时伴有较强的爆裂声，345备投成功。
值班员随即进行设备巡视，发现27.5千伏B相电容器组有四台电容器的保险熔断，其中一台电容器瓷柱断裂；高压室内206断路器放电烧伤严重，分、合闸绝缘拉杆折断且有烧伤痕迹。
具体损坏情况如图2-3和图2-4所示。
图2-3电容器组损坏照片
图2-4206真空断路器损坏照片
2.1.2.1206保护动作数据（见表2-2）
表2-2206保护动作数据统计表
跳闸时刻
4：
58：
56
4：
58：
56
4：
58：
57
4：
58：
57
4：
58：
57
4：
58：
57
保护名称
差压
差压
电流速断
电流速断
电流速断
电流速断
出口时间
0112ms
0113ms
0001ms
0001ms
0001ms
0001ms
电容器电压
28880V
28880V
1040V
1000V
1030V
1010V
电容器电流
44A
46A
845A
846A
830A
845A
差压电压
7806V
8600V
1377V
107V
87V
184V
3次谐波电流
15A
6A
386A
386A
386A
389A
5次谐波电流
1A
0A
7A
30A
13A
28A
7次谐波电流
0A
0A
184A
234A
216A
236A
2.1.2.2202保护动作数据
2009年8月4日4时58分57秒
1011msβ相低压启动过电流保护出口
IA=14.82AIB=14.75AIC=29.50AIO=0.00A
Iα=0.07AIβ=26.26A（6302.40A）Uα=89.36V（24574V）Uβ=3.68V（1012V）
2.1.2.3206差压保护动作情况
从跳闸数据看，206保护动作始因是由于电容器故障导致差压保护动作，电容器电流只有46A，说明当时断路器已处于分位或者在分闸过程中以及在电弧重燃但电弧没有达到稳定的一瞬间，总之，电容器没有断电。
当时的系统电压为28880V，按照当时的电压，电容器两端要承受35.86kV的电压（预防性试验测得的系统参数为：
电容器组第一组容值为28.01μF、第二组为28.02μF、第三组为27.99μF、第四组为27.89μF、电抗器的电感量为281.4mH、电容器的额定电压为8.4kV，最大可承受9.24kV），按照这个电压，单组电容器当时已经超过了8.4千伏的额定电压，第三组比较薄弱的电容器开始损坏，内部出现击穿现象，容值开始增大，原先6并的电容器，电流开始不平衡，向电容器较大的一块电容器集中，当超过保当超过保险的容量后保险瞬间熔断，导致差压保护动作。
按照当时差压保护动作的差压7806看，已有不低于1块电容器损坏（电抗器电流不能突变，所以当一块电容器保险瞬间熔断时，维持原来的电流，一块电容器损坏的一次电压差压值为1650V，二次电压差压值为9.82V，定值为6.31V,折合一次电压为1060V），但是由于保护动作后，断路器灭弧室并没有断电，故障继续延续，差压值继续加大，说明当时继续有电容器损坏。
电容器保险损坏后，第三组电容器容值减小，其分压瞬间加大，又导致其它电容器的损坏，差压值进一步加大，使上下层之间的电压比变为1：
1.63（计算略），此时上层（由一、二组构成）容值为13.91μF，没有变化，事后复测亦是此数据，下层容值8.53μF，事后复测数值与计算值基本一致。
总容值为5.28μF。
（损坏4块电容后的差压值计算值为8640V），与保护动作值8600V基本一致，说明当时有4块电容器的保险熔断。
2.1.2.4206电流速断保护动作情况
当电容器保险熔断后，电容器的总容值变为5.28微法，此时的容抗为603Ω，电抗值为88.4Ω，打破了正常的补偿度0.12～0.13的要求，XLXC=88.4603=0.146；由于真空灭弧室的电狐不熄灭，导致对电容器反复充电，使电容器组对地电压升高，在升高到一定限度时，断路器的绝缘拉杆被击穿，电流突然增大，致使电流速断保护动作。
由于母线一直有电，对地电弧逐渐加大，使27.5千伏B相母线产生了对地放电的现象，致使母线对地电流瞬间增大，电压降低，202断路器低压启动过电流保护亦相继动作。
从以上情况看，真空灭弧室漏气和电弧重燃是引起故障的主要原因
2.2操动机构的问题
2.2.1合闸弹跳对真空断路器的影响
合闸弹跳是真空断路器机械特性的一个重要参数，其定义为断路器在合闸时从触头刚接触直至触头稳定接触瞬间为止的时间。
在合闸弹跳过程中，触头断开距离小，电弧不会熄灭，导致触头烧损加
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