电力机车真空主断路器的运用与维护.docx

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电力机车真空主断路器的运用与维护

毕业设计（论文）

电力机车真空主断路器的运用与维护

黑龙江交通职业技术学院

2014年12月

毕业设计（论文）

电力机车真空主断路器的运用与维护

姓名

：

指导教师

：

专业

：

铁道机车车辆（电力机车）专业

学院

：

机车车辆学院

答辩日期

：

2014年12月

单位

：

黑龙江交通职业技术学院

摘要

电力机车被广泛应用于铁路运输、城市地铁以及轻轨运输上，用它作为运输系统的动力装置，因此它是运输系统的核心。

电力机车电气线路通常由三部分组成，即主电路、辅助电路和控制电路。

如果按电器所接入的电路可以把电力机车电器分为三部分，即主电路电器、辅助电路电器和控制电路电器。

主电路电器是指使用在电力机车主电路中的电器。

主断路器就是主电路中重要部分之一。

主断路器是接在受电弓与主变压器原边绕组之间，安装在机车车顶中部，它是电力机车电源的总开关和机车的总保护电器。

当主断路器闭合时，机车通过受电弓从接触网导线上获得电源，投人工作；若机车主电路和辅助电路发生短路、过载、接地等故障时，故障信号通过相关控制电路使主断路器自动开断，切断机车总电源，防止故障范围扩大。

主断路器是电力机车的总开关，必须经常保持良好的技术状态。

检查各连接气管、定位机构、传动气缸、主阀、起动阀、延时阀、分闸及合闸电磁铁装置，非线性电阻、灭弧室、隔离开关、转动绝缘子、隔离开关静触头与静主触头完好。

各部件检修时，尚须进一步解体、检查和修理，然后按规定程序逐一进行各部件的组装，最后完成主断路器的总体组装并进行调整试验。

本论文针对新型的主断路器进行分析，将主断路器的发展与日常运用结合，根据目前的使用情况来探讨如何能在确保人身安全、设备安全、生产安全的前提下更好的投入运营。

关键词：

主电路；真空主断路器；电力机车；维护与运用；发展

Abstract

Electriclocomotive iswidelyusedin railwaytransportation, urbansubway andlightrail transportation, powerdeviceofthetransport system as it, soit isthecore ofthetransportsystem. Theelectric circuit ofelectriclocomotive iscomposedofthreeparts, namely, themaincircuit, auxiliary circuitandcontrolcircuit.

If the access accordingtothe circuitoftheelectric locomotiveelectrical powercanbe dividedintothreeparts, namely, themaincircuit and auxiliarycircuit ofelectrical appliancesand electrical control circuit. Themain circuit isusedinthe electriclocomotivemaincircuit oftheelectrical. Oneoftheimportant partsofthemain circuitbreaker is inthemaincircuit. Themaincircuitbreaker isconnectedbetweenthe pantograph andthemain transformerprimarywinding,installedonthe locomotiveroof central, it isthegeneral protectionofelectricalswitchandthe powersupply ofthe locomotive electriclocomotive. Whenthemain circuitbreaker isclosed, thelocomotive pantograph isobtained throughpowerfromthe contactwire, backtowork; ifthe locomotivemain circuitandauxiliarycircuit whenshortcircuit, overload, grounding fault, thefaultsignalthroughtherelevant controlcircuit tomakethemain circuitbreakerautomaticallycutoff, cutoff thetotalpower locomotive faultrange, preventexpand.

Themaincircuitbreaker isthemasterswitch oftheelectriclocomotive, mustalways maintainagoodtechnicalcondition. Checktheconnection pipe, apositioningmechanismanda driving cylinder, amainvalve, valve, valve, startdelay tripping and closingelectromagnet device, nonlinearresistance, arcquenchingchamber, isolatingswitch, rotary insulator, isolatingswitch staticcontactandthe staticmaincontact intact.

Eachcomponent overhaul, itstillneedsfurther disintegration, inspectionandrepair, andthen accordingtothe prescribedprocedures onebyone assemblyofcomponents, finallycompletedtheoverall maincircuitbreaker assemblyandadjustmenttest.

Thispaper aimingatthemain breakeroftheutilitymodel isanalyzed,combiningthe developmentandthedaily useof themaincircuitbreaker, toexplorehowto betterinthe premiseof ensuringpersonalsafety, equipmentsafety, production safetyunderthe operations accordingtothe currentsituationofuse.

Keywords:

Themaincircuit,vacuumcircuitbreaker,electriclocomotive,maintenanceanduse,development

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1概述真空主断路器1

1.1.1真空主断路器的工作及动作分析1

1.1.2BVACN99型交流真空主断路器结构及动作原理分析3

1.2电力机车新型智能真空主断路器的研制3

1.3电力机车上新型真空主断路器设计思路4

第2章电力机车真空断路器真空开关管的测试6

2.1引言6

2.2真空开关结构组成及工作原理6

2.3测试过程及结果7

2.4结束语8

第3章真空主断路器的维护与保养9

3.1真空断路器的常见故障现象及处理方法9

3.2BVACN99系列真空断路器的维护与保养10

3.3结束语10

结论12

参考文献13

致谢14

第1章绪论

1.1概述真空主断路器

真空主断路器是以真空作为绝缘介质和灭弧介质，利用真空耐压强度高和介质强度恢复快的特点进行灭弧的。

与空气断路器相比，真空断路器具有结构简单、工作可靠、分段容量大、动作速度快、绝缘强度高、整机检修工作量小等诸多优点，因而在电力工业中得到了广泛应用。

由于电力机车的特殊使用环境和一些恶劣工作条件所限，真空断路器直到20世纪80年代才运用到电力机车上。

1.1.1真空主断路器的工作及动作分析

主断路器是电力机车的一个重要部件，用于开短、接通电力机车的25kv电路，同时用于机车过载和短路保护。

HXD3型电力机车装有一台BVACN99型真空断路器，该设备的设计和开断操作完全适用于机车电力牵引的要求和工作条件。

它具有绝缘性高，环境稳定性好，结构简单，开端容量大，机械寿命长，维护保养简单等特点。

真空断路器的生产厂家比较多，型号也较繁杂。

按使用条件分为户内和户外两种类型。

主要由框架部分，灭弧室部分（真空包），和操动机构部分组成。

　　下面以浙江华仪电器科技股份有限公司生产的ZW27—12型户外高压真空断路器为例，说明其结构与工作原理。

　断路器本体部分由导电回路，绝缘系统，密封件和壳体组成。

整体结构为三相共箱式。

其中导电回路由进出线导电杆，进出线绝缘支座，导电夹，软连接与真空灭弧室连接而成。

　此机构为电动储能，电动分合闸，同时具有手动功能。

整个结构由合闸弹簧，储能系统，过流脱扣器，分合闸线圈，手动分合闸系统，辅助开关，储能指示等部件组成。

真空断路器利用高真空中电流流过零点时，等离子体迅速扩散而熄灭电弧，完成切断电流的目的。

　　储能过程：

当储能电机14接通电源时，电机带动偏心轮转动，通过紧靠在偏心轮上的滚子10带动拐臂9及连板7摆动，推动储能棘爪6摆动，使棘轮11转动，当棘轮11上的销与储能轴套32的板靠住以后，二者一起运动，使挂在储能轴套上32上的合闸弹簧21拉长。

储能轴套32由定位销13固定，维持储能状态，同时，储能轴套32上的拐臂推动行程开关5切断储能电机14的电源，并且储能棘爪被抬起，与棘轮可靠脱离。

　　合闸操作过程：

当机构接到合闸信号后（开关处于断开，已储能状态），合闸电磁铁15的铁心被吸向下运动，拉动定位件13向逆时针方向转动，解除储能维持，合闸弹簧21带动储能轴套32逆时针方向转动，其凸轮压动传动轴套30，带动连板29及摇臂27运动，使摇臂27扣住半轴25，使机构处于合闸状态。

此时，连锁装置28锁住定位件，使定位牛不能逆时针方向转动，达到机构联销的目的，保证了机构在合闸位置不能合闸操作。

　　分闸操作过程：

断路器合闸后，分闸电磁铁接到信号，铁芯吸合，分闸脱扣器19中的顶杆向上运动，使脱扣轴16转动，带动顶杆18向上运动，顶动弯板26并带动半轴25向反时针方向转动。

半轴25与摇臂27解扣，在分闸弹簧的作用下，断路器完成分闸操作。

在电力系统中变电站上的变压器、线路等元件，由于检修改变运行方式发生故障的，需将它们接入或退出，因而进行一些操作。

为完成在正常情况下能可靠地接通和开断电路，在改变运行方式时能灵活地进行切换操作，在电路发生故障时能迅速切除故障电流，在电力系统变电站上必须装一些开关电器。

其中断路器的任务最为重要、地位最重要，其结构也最为复杂。

　　真空断路器的主要结构由真空灭弧室、操作机构和绝缘支撑件基架等组成。

当动、静触头在操作机构的作用下分闸时，触头间产生电弧，触头表面在高温下挥发出蒸汽，由于触头设计为特殊形状，在电流通过时产生一磁场，电弧在此磁场作用下沿触头表面切线方向快速运动，在金属圆筒上凝结了部分金属蒸汽，电弧在自然过零时就熄灭了，触头间的介质强度又迅速恢复起来。

　　真空断路器具有很多优点，所以在变电站上应用很多。

由于采用了特殊的真空元件，随着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故障明显降低。

真空灭弧室无需检修处理，当其损坏时，只能采取更换，一次性产品。

　　由于真空断路器具有分断能力高、熄弧能力强、寿命长、结构简单维修方便的优点，所以在电力系统中应用非常广泛，显示了其巨大的优越性，在10KV电压等级的高压断路器中真空断路器占绝对优势，吉林永大集团股份有限公司为国内最早研发并产业化推出此种开关的高新技术企业，是目前国内最大的永磁开关研发与生产基地。

1.1.2BVACN99型交流真空主断路器结构及动作原理分析

1-底板；2-插座连接器；3-110V控制单元；4-辅助触头；5-肘节机构；6-保持线圈；7-风缸；8-电磁阀；9-调压阀；10-储风缸；11-垂直绝缘子；12-绝缘操纵杆；13-传动头组装；14-高压连接端（HV1）；15-水平绝缘子；16-真空开关管组装；17-高压连接端（HV2）

图1-1BVACN99型交流真空主断路器

高压部分结构如图1-1所示，包括水平绝缘子、真空包组装和传动轴头组装等。

由图可以看出，真空包组装安装于水平绝缘子内部，构成机车顶上的高压回路。

真空包通过密封盒大气隔离，真空包包括动触头、静触头和瓷质外罩等。

同时，真空包的真空度是其最主要的参数之一，和真空包的开端能力成一定关系。

中间绝缘部分包括如图1-1所示垂直绝缘子11和底板1以及安装于车顶与断路器之间的O形密封圈。

垂直绝缘子安装在底板上用以提供30kv的绝缘要求，同时绝缘操纵杆通过垂直绝缘子的轴向中心孔，连接电空机械装置和真空包的动触头。

底板安装于车顶，O形密封圈用以保证断路器与车顶之间的密封。

控制部分包括储风缸、调压阀、压力开关、电磁阀、压力气缸、保持线圈、肘节机构、110V控制单元等操纵控制部件。

1.2电力机车新型智能真空主断路器的研制

针对现有电力机车主断路器的不足，研制一种新型电力机车真空主断路器，以“1+1”方式安装，在某主断路器发生故障时，司机可通过开关切换到另一台主断路器，保证机车不因为主断路器故障而发生机破。

主断路器是用来接通和分断电力机车的高压电路，是机车的电源总开关，同时，当机车发生故障时它又可迅速切断机车总电源以保护其他设备，是机车最主要的保护装置，所以主断路器具有控制和保护的双重功能，其可靠性直接影响机车的安全运行。

目前，电力机车安装的主断路器分空气断路器和真空断路器。

由于空气断路器结构复杂、故障率高而不被新型机车采用，但普通真空断路器也存在绝缘强度薄弱等不足。

因此我们在一台机车上安装两台主断路器即两台主断路器安装在同一底座上，控制装置也相互独立。

实现一台机车上有两台主断路器交替工作，避免因单台主断路器发生故障而引起的机破，保证机车安全运行。

1.3电力机车上新型真空主断路器设计思路

目前，电力机车上主断路器只有一台，无论是空气断路器还是真空断路器，在运行中一旦主断路器发生故障，则机车只能停止运行等待救援。

因此我们设计增加一台主断路器，当一台主断路器发生故障时可以有另一台替代使用，确保机车正常运行。

同时为了不过多地改变机车原有的构造和尺寸，我们设计将两台主断路器放置在同一台底座固定板上，以便于安装。

采用真空灭弧：

为提高主断路器的使用寿命和减小主断路器的体积，我们取消原空气断路器的隔离开关，并把灭弧室改用真空灭弧室。

真空灭弧的电性能和机械性能高，绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多，同时由于采用真空灭弧，所需的间隙很小，可以实现提高使用寿命和减小体积的设想。

普通真空灭弧室还不能直接应用到电力机车上。

因为普通灭弧室的寿命为1万次，而电力机车上断路器分合动作频繁，1万次的寿命使用期限也就一年左右，所以我们采用双断口串联，可提高分断高电压的能力；触头间距为小开距，可极大地提高灭弧室的寿命。

为了保证断口同步断开，设计采用特殊的传动机构，使不同步度小于1ms，小于2ms的安全值。

另外，我们还采用特殊结构的波纹管，以配合小开距，使灭弧室的寿命>30万次。

大量的动态分析试验证明，本文所述的真空断路器的机械寿命达到20万次以上。

我们设计分断最大短路电流为10KA，但灭弧能力为20KA，实际裕度为l倍之多。

灭弧室中，动静触头材料选择铬铜合金，截断电流为5A以下，可

有效防止操作过电压的发生。

操作机构及传动的设计：

在各种条件下都应可靠地分、合闸，是主断路器对操动机构的基本要求之一。

目前广泛使用的操动机构有电磁、弹簧、气动、液压电动，但其机械故障率占主断路器总故障的70%左右。

为此，我们采用无磨耗件精密型永磁机构，不但保证了主断路器长期动作的可靠性，而且满足主断路器分、合闸及灭弧特性要求。

灭弧室需要的闭合力为1000～1200KN，永磁机构闭合力设计为3300KN，足以确保机构的正常动作，传动中的触头弹簧寿命>500万次，机构动作安全可靠。

我们采用钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁体，因为它有高的剩余磁感应强度，Br可以达到1.4T（退磁曲线上磁场强度H为零时，相应的磁感应强度，也成为剩磁）以及高的矫顽力，使永磁体很不容易退磁。

永磁机构的压力和触头压力相比，留了100%的裕量，以保证足够的安全性。

永磁机构通过电磁机构和永磁铁的特殊结合实现传统机构的功能，电磁线圈和磁路为静止机构，只要设计合理，没有外力破坏，一般它不会损坏。

大量试验证明，只要选材合理，精心设计，永磁机构本身机械寿命可以达到100万次以上。

永久磁铁与分、合闸线圈相配合，较好地解决了合闸时需要大功率能量的问题，因为永久磁铁可以提供磁场能量，作为合闸之用。

永磁机构工作时，只需瞬时供电，一般小于60ms，在分、合闸状态时，线圈没有电流通过，保持力由永磁铁提供，不再消耗能量。

这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。

因此，永磁操动机构可以做到真正意义上的免维修、少维护、长寿命。

绝缘设计：

高压开关的绝缘设计至关重要。

由于车顶空间的限制，绝缘距离不能很大。

电瓷绝缘材料绝缘优良、价格便宜，但联接须采用金属连接件，体大物重，不耐碰撞，内外温差大时容易开裂。

根据电力机车上的使用环境条件，我们选用粘接力强，机械强度高，有较高的耐寒、耐热、耐化学稳定性的APG工艺复合绝缘材料，双断口上进上出，在空气湿度100%饱和情况下，空气间绝缘距离>400mm，电压等级27.5KV，外爬距1.2m、内爬距0.9m，对地耐压80KV/1min，断口间耐压85KV/1min。

APG工艺复合绝缘材料与水不亲和，可防止因雨水绝缘放电，从而有效地防止瓷瓶放电事故的发生。

第2章电力机车真空断路器真空开关管的测试

2.1引言

对韶山3、韶山7型电力机车真空断路器的原理、结构、技术参数进行了介绍，并对真空断路器关键器件真空开关管的真空度检测试验及其动静触头的磨损检测办法进行了探讨，为大修电力机车真空断路器是否符合大修规程、能否装车使用提供可靠的测试数据。

电力机车空气断路器是电力机车负载的总开关，用于电力机车主电路电源的开断、接通，同时具有过载、短路和接地保护功能，是电力机车关键的大部件。

真空断路器是单断点交流断路器，采用真空管（VST）及电空控制，与空气断路器相比它具有绝缘性高、环境稳定性好和开断容量大等优点，因此近年来空气断路器逐渐被真空断路器所代替。

现工厂大修的韶山3、韶山7型电力机车大部分采用了先进的真空断路器。

真空断路器的真空性能技术指标的严格要求，在大修过程中，影响了工厂电力机车真空断路器的大修质量及测试周期。

为此，对真空开关管的原理、检修测试方法及注意事项，做深入探讨（现以韶山3、韶山7型电力机车常用的BVACN99型真空断路器为例），以解决电力机车真空断路器的真空管技术参数测试问题。

2.2真空开关结构组成及工作原理

真空开关管由2个铜合金触头组成，一个静触头，另一个是动触头。

静触头安装在一个金属法兰上，该法兰安装在灭弧室的陶瓷外壳上。

外壳是由2部分组成，中间隔着一个金属筛网。

当触头开断时燃弧产生的金属蒸汽会产生沉淀物，这个筛网正是用来防止这些沉淀物黏附在瓷部件上。

动触头是通过一个操纵杆来进行移动的，这样就可以保证它的轴向运动和合适角度。

金属波纹管焊接在动触头上，末端法兰（是封口的个完整部分）用于密封真空管。

金属筛网同样用于包围在波纹管四周来保护它。

主要电气技术参数：

工频耐受电压，主回路对地75KV；输入和输出端75KV；辅助联锁对地2KV。

雷电冲击试验，施加电压（额定冲击耐受电压）：

主回路对地170KV；输入和输出端（开断时）70KV。

真空断路器绝缘距离，绝缘子垂直763mm；水平1070mm，间隙320mm。

真空具有良好的绝缘性，因而带电触头间的距离可以设计得很小。

在下一个交流电流过零点，交流电弧就很容易开断，在毫秒级的时间内，触头间绝缘可以马上恢复，同时电弧不会重燃。

独特形状的触头表面，相当于强加了一个吸引力，使得电弧绕着触头轴心旋转，这样作用可以使电弧的热点缩小，从而保证触头的磨损达到最小。

图2-1真空开关管

2.3测试过程及结果

为了得到真空管里详细的真空状态情况，可通过对真空管进行绝缘检测。

利用真空断路器真空试验仪进行耐压试验，把真空试验仪接在真空断路器两端，重复施加峰值40KV的电压。

主要测试OBR，OCM，CCM，CBR（mm）这4个参数，算出弹簧支架的水平总行程:

（OBR–CBR）mm；动触头行程：

（OCM-CCM）mm；触头压力行程：

（{OBR-CBR）-（OCM-CCM）}mm。

测量工具：

量规和导杆、滑行测径校样器和滑行测径器、8mm规格扳手、密封帽。

检测方法：

为了进行下一步测量，辅助电路（气路和电路）必须与闭合和打开电路的主断路器相连接。

旋出螺帽（保证在测量过程中无水、灰尘进入机械装置）。

注意：

当量规工作时不要开启或闭合主断路器；测量尺寸误差值范围在0.05mm内。

测量OBR尺寸（弹簧支架打开）使真空断路器开启。

将量规插入导套，手工旋紧轴头导套；加压力使量规紧靠弹簧支架；测量和记录OBR值，取消量规的最大值；闭合断路器；测量CBR尺寸（弹簧支架闭合）使真空断路器闭合；加压力使量规紧靠弹簧支架。

测量和记录CBR值。

旋松导管，移动量规；测量CCM尺寸（闭合动触头）使真空断路器闭合。

不用量规，手工旋紧轴头导管；将量规插入导管，加压使量规紧靠紧固螺母；测量和记录CCM值；将量规从导管移出；断路器开断；测量OCM尺寸（打开动触头）断路器开断。

将量规插入导管，加压使量规紧靠紧固螺母；测量和记录OCM值；将量规从导管移出且旋松导管；关闭尺寸入口。

检查真空管里触头的磨损，测量下列新的冲程：

OBR，OCM，CCM，CBR（mm）这4个参数，算出弹簧支架的水平总行程、动触头行程、触头压力行程。

把测量结果和没使用前的测量结果填写在一张常规试验单据上进行比较。

如果它满足下列3个条件：

2mm＜触头压力行程＜4.25mm；触头行程＜2mm；19mm＜弹簧支架的水平总行程＜20.5mm。

即可判断真空管触头的磨损符合使用范围。

通过以上真空管里的真空度测试是合格的，同时电气绝缘和触头机械寿命检测也合格，真空断路器的关键器件——真空管的检测试验完成，按大修规程的要求真空断路器可装车使用。

2.4结束语

近年来，电力机车空气断路器逐渐由新型的真空断路器所代替。

真空断路器技术参数要求高，经多方收集有关技术资料和反复测试，总结出了韶山3、韶山7型电力机车常用的真空断路器