1.3 高压断路器的结构

高压断路器的典型结构如图1.1所示。高压断路器主要由操动机构和灭弧室两部分组成。在图1.1中，1为开断电流的灭弧室，断路器的触头、灭弧介质等都放在灭弧室内，共同完成正常电流和故障电流的关合、承载和开断任务；4为操动机构，操动机构为灭弧室提供动、静触头开合的动力。

1.3.1 灭弧室

以真空灭弧室为例来介绍。真空灭弧室也称为真空管，是真空断路器切断电流的直接场所。真空断路器的灭弧室为一个不可拆卸的整体，动、静触头分别焊在动、静导电杆上。静导电杆焊在上法兰盘上，动导电杆上焊一波纹管，在导向套内运行。波纹管及导向套焊在下法兰盘上，由瓷柱支撑的金属圆筒屏蔽在动、静触头外面，再与玻璃外壳形成密封的腔体，该腔体经过抽真空，真空度一般在1×10 ^－6 Pa以上。当合、分闸操作时，动导电杆上下运动，波纹管被压缩或拉伸，使真空灭弧室的真空度得到保持。

关于真空灭弧室的基本构造，德国、英国、美国与日本的各家制造厂都大致相似，但材料和触头结构方面却大不相同，且各有专利，互相保密。真空灭弧室的基本组成部分有动、静触头，绝缘外壳，屏蔽罩和波纹管等，如图1.2所示。

1.外壳

外壳是为真空灭弧室制造一定真空度的机械承力空间，是真空灭弧室的密封容器。它不仅要容纳和支持真空灭弧室内的各种零件，而且在动、静触头处于断开位置时起绝缘作用。按制造材质分为玻璃、陶瓷与金属壳（将金属屏蔽罩露于空气中，而在两端绝缘）。我国以往使用玻璃外壳居多，但陶瓷外壳的焙烘温度高，可实现一次排封封接工艺，易于实现机械化、自动化高效生产，而且比玻璃外壳有更高的机械强度和真空度。

2.触头

真空灭弧室内的一对触头，既是闭合时的通流元器件，又是开断时的灭弧元器件，因而触头是真空灭弧室内最为重要的元器件。其几何造型和金属元素成分随制造厂而各不相同。触头材料大致可以分为两大类：铜－铬合金，主要用于高电压；铜－硒－碲合金，用于低压大电流。触头的材料和性能与断路器的开断性能、电压承受能力、过电压均有密切联系。

触头的结构形式对断路器的开断性能影响也很大。真空灭弧室开断大电流有两种方式，一种是在真空电弧上施加与弧柱方向垂直的磁场，即横向磁场。产生这种磁场的典型触头结构有螺旋槽触头和杯状横磁触头。另一种是在真空电弧上施加与弧柱方向平行的磁场，即纵向磁场，使电弧在大电流下也处于扩散状态。产生这种磁场的典型触头结构有线圈式触头和杯状纵磁触头。因触头在真空环境内工作，表面不易生成氧化膜，故一方面要求能抗熔焊，截流值小，这就要求金属饱和蒸气压高；另一方面又要求材料含气杂质少，开断电流大，过零后介质强度要高，这又要求金属的饱和蒸气压不能太高。

经研究发现，纵向磁场触头结构能提高断路器的开断能力。当动、静触头在操动机构作用下带电分闸时，触头间隙将燃烧真空电弧，并在电流过零时熄灭电弧。由于触头的特殊结构，燃弧期间触头间隙会产生适当的纵向磁场，这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面，维持低的电弧电压，并使真空灭弧室具有较高的弧后介质强度，吸附能力强，电磨损小，从而提高了断路器开断短路电流的能力。

3.波纹管

波纹管保证了真空灭弧室外壳的完全封闭。波纹管是由厚度为0.1～0.2mm的不锈钢制成的薄壁元器件，它使动触头在真空状态下运动成为可能，被普遍用于动触头运动的真空密封。波纹管的一端固定，连在灭弧室的一个端面上；另一端运动，连在动触头的导电杆上，从而使动触头有一定的活动范围而不使灭弧室内真空空间压强发生变化，用金属波纹管来承受触头活动时的伸缩。波纹管是真空灭弧室的一个重要的结构零件，是保证真空灭弧室机械寿命的重要零件。真空断路器每合分操作一次，相应地使波纹管产生一次机械变形，它是真空灭弧室中最易损坏的部件，其金属材料的疲劳寿命决定了真空灭弧室的机械寿命。一般采用不锈钢、磷青铜等作为制造波纹管的材料，不锈钢的性能最好。常见的制造工艺有膜片焊接和液压成型两种。前者能使工作行程达到波纹管长度的三分之二，疲劳寿命长，但成本高。后者的制造成本低，疲劳寿命相对要短些，而且工作行程小于波纹管长度的三分之一。

4.屏蔽罩

在触头周围设置屏蔽罩，用来吸附真空电弧产生的金属蒸气分子，使其在罩壳上冷却并恢复到金属固化状态，吸附后灭弧室的真空度得以恢复。灭弧室的屏蔽罩由主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压屏蔽罩组成。主屏蔽罩可以在开断电流时有效地防止金属喷溅到绝缘外壳的内表面，避免内表面绝缘性能下降。当交流电流过零时，主屏蔽罩的存在有利于电流过零后弧隙介质强度的提高，改善灭弧室的开断性能。主屏蔽罩的存在会影响动、静触头间的电场分布。屏蔽罩设计得当，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，可有效防止金属蒸气溅到波纹管上，以提高波纹管使用寿命。均压屏蔽罩安装在触头附近，可改善触头间电场分布。

1.3.2 操动机构

断路器触头的分合动作是靠操动机构来带动的，高压断路器的操动机构由手动操动机构发展到手动储能弹簧操动机构、电磁操动机构、压缩空气气动操动机构、液压操动机构、弹簧操动机构、液压弹簧操动机构和永磁操动机构，目前正在向电动机操动机构发展。常用的操动机构有弹簧操动机构、电磁操动机构、压缩空气气动操动机构和液压操动机构等。

弹簧操动机构有以下优点：① 可靠性高，功能原理简单，要求电源的容量小，交、直流都可用，暂时失去电源仍能操作一次；② 没有油压和气压，也不需要这些压力的监控装置，因此弹簧操动机构广泛用于中小型断路器。这里以弹簧操动机构为主进行介绍。

高压断路器对弹簧操动机构的动作方面有一定的要求，要求能配合完成合闸、保持合闸、分闸、自由脱扣与防跳跃及复位等功能。操动机构通过杠杆机构及绝缘拉杆与真空灭弧室导电杆连接，带动真空灭弧室动触头以规定的机械参数分合运动。

某真空断路器弹簧操动机构示意图如图1.3所示。弹簧操动机构主要由储能电动机、合闸储能弹簧、储能主轴、链轮、合闸挡板、合闸半轴、传动连杆、分闸半轴、分闸挡板、传动主轴、触头弹簧、杠杆机构、绝缘拉杆、传动拐臂、分闸弹簧、缓冲器、真空灭弧室及二次控制回路等构成。

弹簧操动机构按其功能可分为储能系统、电磁控制系统和分合闸操作系统等部分，它们互相配合，将电动机的电能转换成触头的机械能。

储能系统的功能是合闸弹簧进行储能。ZN48A— 40.5型真空断路器的弹簧操动机构的储能系统由储能电动机、合闸弹簧、分闸弹簧、链传动及联锁装置等组成。

断路器要进行自动操作，实现对用电系统的自动运转和保护，就要求其操动系统除了在结构上有自动操作能力之外，还要有一个专门的电气控制回路实现对操动机构的控制，根据外来的操作指令完成断路器各项功能。电磁控制系统作为操动机构的组成部分，其功能是对分合闸和自动重合闸等操作进行控制，由分合闸线圈、脱扣器、储能保持锁扣和辅助开关、接线板等组成。

分合闸操作系统是执行断路器分断与闭合任务的部分。真空断路器弹簧操动机构的分合闸操作系统包括三相触头弹簧、传动连杆和传动主轴等。当控制电路发出分闸信号时，通过自由脱扣装置释放分闸弹簧储存的能量，使触头进行分闸动作。简而言之，就是控制电路发出合、分闸信号，操动系统牵引动触头物理上合、分闸。