一、概述
主断路器连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，投入工作；若机车主电路和辅助电路发生短路、超载、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。
主断路器属于高压断路器的一种，按其灭弧介质不同可分为油断路器、空气断路器、六氟化硫断路器和真空断路器等。
目前，在SS1型、SS3型、SS3B型等电力机车上采用的是TDZ1-200/25型空气断路器[T－铁路机车用；D－断路器；Z－主；1－设计序号；200－额定分断容量(MV·A)；25－额定电压(kV)]。在SS4型、SS4G型、SS7C型、SS7D型、SS8型等电力机车上采用的是TDZ1A-10/25型空气断路器[T－铁路机车用；D－断路器；Z－主；1A－设计序号；10一额定分断电流(kA)；25一额定电压(kV)]。
与其它类型的断路器相比，空气断路器具有下列优点：
1．压缩空气具有可压缩性，对灭弧室各零部件所产生的机械应力较小；
2．开断能力大，燃弧时间短，动作快；
3．防爆，使用安全可靠；
4．适用于温度变化较大的工作环境。
它的不足之处主要是：
1．操作时噪音较大；
2．分断能力受电压恢复速度的影响较大；
3．在气压和分断能力一定的情况下，在分断小电感电流时，常因灭弧能力过大而产生截流过电压；
4．结构复杂，制造工艺要求较高。
上述不足之处在采取了若干措施后，可以得到改善，加之在电力机车上有现成的压缩空气气源，因此，在韶山系列电力机车上广泛采用了空气断路器。本节以TDZlA-10/25型空气断路器进行介绍。
二、TDZlA-10/25型空气断路器主要技术参数
额定电压…………………………………………………………………………25kV
额定电流 ………………………………………………………………………400A
额定频率…………………………………………………………………………50Hz
额定分断电流 …………………………………………………………………10kA
额定分断容量 ……………………………………………………………250MV·A
额定工作气压 …………………………………………………………700～900kPa
固有分闸时间…………………………………………………………………≤30ms
延时时间 …………………………………………………………………35～55 ms
合闸时间 ……………………………………………………………………≤0.1 s
额定控制电压…………………………………………………………………DC110V
总质量 …………………………………………………………………………150kg
图7－17 TDZ1A－10/25型空气断路器外形
三、基本结构及主要部件的作用
图7－18 TDZ1A－10/25型空气断路器
1－灭弧室；2－非线性电阻瓷瓶；3－非线性电阻；4－干燥剂；5－弹簧；6－隔离开关；
7－转动瓷瓶；8－控制轴；9－传动杠杆；10－气管；11－合闸阀杆；
12－起动阀；13－分闸阀杆；14－主阀活塞；15－延时阀；16－阀门；17－气管；
18－主阀；19－塞门；20－支持瓷瓶；21－储风缸；22－传动风缸；23－辅助开关。
TDZlA-10/25型空气断路器结构如图7－18所示，它以安装在机车车顶盖上铸铝制成的底板为界，分上、下两大部分。露在车顶上的为高压部分，主要有灭弧室1、非线性电阻瓷瓶2、支持瓷瓶20、隔离开关6和转动瓷瓶7等部件。装在底板下部的为低压部分，主要有储风缸21、主阀18、延时阀15、传动气缸22、起动阀12、辅助开关23等部件。
(一)高压部分
1．灭弧室
图7－19 灭弧室
1－网罩；2－外罩；3－挡圈；4－缓冲垫；5－触头弹簧；6－弹簧座；7－法兰盘；
8－固定圈；9－导电管；10－弹簧；11－灭弧室瓷瓶；12－动触头；
13－静触头；14－静触头杆；15－风道接头；16－套筒；17－隔离开关静触头。
灭弧室的结构如图7－19所示，它是主断路器安装主触头、熄灭电弧的重要部件。其主体为空心瓷瓶11，瓷瓶一端装风道接头15，通过支持瓷瓶的中心空腔与主阀的气路相连；另一端装法兰盘7，由此将高压电引入主断路器。
主触头装于灭弧瓷瓶内，静触头13的头部为球状，端部镶着耐电弧的钼块，以提高耐弧性能。它固定在风道接头15上，通过套筒16与隔离开关的静触头17相连。动触头12呈管状，其一端为工作端，工作端的管内壁作成弧形，成一“喷口”，以利于与静主触头球面有良好接触及产生良好的吹弧作用；另一端与一圆环形弹簧座6相贴，弹簧座接有张力较大的触头弹簧5。弹簧座后顺次接有触头弹簧5、缓冲垫4、挡圈3、网罩1和外罩2。
动主触头的外面装有与它既有相对滑动也有良好电接触的导电管9。导电管由铜管铣成多瓣形，通过弹簧10弹性地套装在动主触头上，其尾端固定在法兰盘7上。因此，从法兰盘引入的高压电源通过导电管传至动主触头。
触头弹簧5的张力较大，它一方面使动、静主触头间具有一定的接触压力，另一方面使动、静主触头开断后能自行恢复闭合状态。缓冲垫4用来缓和动主触头开断时触头弹簧5对挡圈3的撞击。网罩1在动主触头开断过程中起消音作用。外罩2用于防止外界脏物沾污主触头，其下部有排气孔。
当主断路器处于闭合状态时，主动触头在触头弹簧5的作用下与静触头闭合。当分闸阀得电时，压缩空气进入灭弧室，推动主动触头克服触头弹簧5的压力向左移动，动、静触头间产生的电弧进入主动触头“喷口”，拉长、冷却，进而强迫熄灭。废气通过网罩由外罩下方排气孔排入大气。主断路器分闸完成，压缩空气停止进入灭弧室，动主触头在触头弹簧5的作用下与静主触头重新闭合。
2．非线性电阻
非线性电阻的结构如图7－18所示。在非线性电阻瓷瓶内，装了10个串联的非线性电阻片3和干燥剂4等主要部件，并联在动、静主触头两端，用以防止主断路器分闸时的过电压。非线性电阻片采用碳化硅和结合剂烧结而成，其电阻值随外加电压的升高而下降，置于空心绝缘子腔中。内部还装有干燥剂，用以防潮。为了保证非线性电阻片之间及与外部连接之间的接触压力，减小接触电阻，在其一端装设了弹簧5。
主断路器分闸时，动、静主触头间产生电弧，在熄弧过程中，触头间的电压将急剧增加。当电压增加到一定值时，非线性电阻值迅速下降，主触头上的电流迅速转移到非线性电阻上，既可限制过电压，减小电压恢复速度，又有利于主触头上电弧的熄灭，减少触头电磨损。随着非线性电阻两端电压的降低，其阻值又迅速增大，以减小残余电流，保证隔离开关几乎在无电流下断开，提高断路器的分断可靠性。
3．隔离开关
图7－20 隔离开关
1－隔离开关闸刀；2－法兰盘；3－弹簧装置；4－铜球；
5－连接件；6－弹簧装置；7－触指。
隔离开关结构如图7－20所示。它由静触头(见图7－19中的17)、动触指7、弹簧装置6、隔离开关闸刀1(动触杆)、法兰盘2(下转动座)、铜滚珠4、连接件5(上转动座)及弹簧装置3等组成。
隔离开关静触头固定在弯接头上，它与灭弧室内的静主触头相连。其接触面有沟槽，以便与动触指良好的接触。动触杆紧固在下转动座上。动触指套装在动触杆上，并用螺钉紧固，便于在动触指磨耗到限时拆下更换，或反过面来继续使用。弹簧装置6设在动触杆上，用来保证动触指能夹紧隔离开关静触头，并保持一定的接触压力。下转动座、转动瓷瓶与操纵轴用螺钉固为一体。上转动座通过铜滚珠、轴承及弹簧固定在下转动座上。上、下转动座之间的铜滚珠用来减小摩擦，同时又用作上、下转动座之间的电联接。在主断路器动作过程中，连接件5不转动，它与变压器原边绕组相连接。
隔离开关自身不带灭弧装置，不具有分断大电流的能力，它与主触头协调动作，完成主断路器的分、合闸动作。主断路器分闸时的动作顺序是：灭弧室主触头先分断电路并在灭弧室内熄灭主动、静触头之间的电弧，隔离开关稍后延时打开隔离闸刀，之后灭弧室主触头重新闭合。此时，隔离开关保持在打开位置，从而保持主断路器处于分闸状态。即主断路器分闸时，隔离开关比主触头延时动作，待主触头断开并熄弧后再无电断开，主断路器合闸时，主触头不再动作，仅需操纵隔离开关闸刀闭合即可。
（二）低压部分
1．起动阀
图7－21 起动阀
1－密封垫；2－阀体；3－阀杆；4－密封垫；5－弹簧；6－盖板。
起动阀由左边的分闸阀和右边的合闸阀两部分组成，呈对称分布，如图7－21所示。两阀有各自的阀杆3、弹簧5和密封垫4，由各自的电磁铁控制，共用阀体2、密封垫1和盖板6。D、E、F三个空腔分别与储风缸、主阀C腔、传动风缸相通。
当分、合闸线圈失电时，D腔充满了来自储风缸(由塞门19通入)的压缩空气，分闸阀和合闸阀在弹簧5和D腔压缩空气的共同作用下处于关闭状态。
当合闸电磁铁线圈得电时，合闸电磁铁撞块撞击合闸阀阀杆，使阀杆克服弹簧5的作用向上移动，阀门打开，D腔内的压缩空气由阀门经F腔进入传动气缸，带动主断路器闭合。F腔内有直径为2mm的排气孔，进入D腔的压缩空气管径为8mm，所以，F腔仍能保持相当高的气压使传动气缸装置动作。
当分闸电磁铁线圈得电时，分闸电磁铁撞块撞击分闸阀阀杆，使阀杆克服弹簧5的作用向上移动，阀门打开，D腔内的压缩空气由阀门经E腔送往主阀的C腔，主阀动作，带动主断路器分闸。
2．主阀
主阀采用气动差动式结构，如图7－22所示。它由阀体1、活塞2、阀杆3、阀盘5、弹簧6等部件组成。主阀共有5条气路：A腔与储风缸相连，B腔经支持瓷瓶通向灭弧室，C腔与起动阀的E腔相连，下方与延时阀进气孔相通，另有一条小气路将储风缸内少量的压缩空气由通风塞门(见图7－18中的19)经主阀送入支持瓷瓶和灭弧室，保证灭弧室内始终有一个对外的正压力，防止外界潮湿空气进入灭弧室。
图7－22 主阀
1－阀体；2－活塞；3－阀杆；4－滑块；5－阀盘；6－弹簧；7－垫圈；8－挡圈；9－密封圈。
当分闸电磁铁线圈失电时，在A腔压缩空气和弹簧6的共同作用下，主阀处于关闭状态。
当分闸电磁铁线圈得电时，分闸阀动作，起动阀D腔内的压缩空气由阀门经E腔送往主阀的C腔，虽然主阀阀盘5和活塞2两端都受到压缩空气的作用，但活塞2的直径大于阀盘5的直径，使阀杆3带动阀盘5和活塞2左移，主阀打开，储风缸内大量的压缩空气向上经主阀、支持瓷瓶进入灭弧室，带动主触头动作；向下送入延时阀的进气孔。
3．延时阀
延时阀的作用是使传动风缸较灭弧室滞后一定时间得到储风缸的压缩空气，确保隔离开关比主触头延时动作，无电弧开断。
图7－23 延时阀
1－阀座；2－密封环；3－膜片；4－阀杆；5－阀体；
6－阀门；7－弹簧；8－阀盖；9－调节螺钉。
延时阀的结构如图7－23所示。它由阀座1、膜片3、阀杆4、阀体5、阀门6、弹簧7、阀盖8、调节螺钉9等部件组成。调节螺钉9用于调整进入膜片3下部空腔的气路大小，改变延时时间。
当延时阀进气孔无压缩空气送入时，延时阀阀门6在弹簧7的作用下处于关闭状态。
当主阀打开时，压缩空气经延时阀进气孔、阀盖8上的进气管路、阀体5上的通道、调节螺钉9与阀座1之间的间隙，进入膜片3下部的空腔。因为管路截面小，膜片3的面积大于阀门6的面积，膜片下部的气压经过一定时间延时达到一定压力后，足以克服弹簧7的作用，推动阀杆4向上移动，阀门6打开，大量的压缩空气进入传动气缸的进气孔。
4．传动气缸
传动气缸以隔板5为界，分为左边的工作腔和右边的缓冲腔两大部分，如图7－24所示，活塞杆3上装有工作活塞2、缓冲活塞7和套筒1、8，连杆销9与图7－18中的传动杠杆9、控制轴8相连。
由于隔离开关和转动瓷瓶均具有一定的质量。在隔离开关动作过程中，要使其瞬间制停到位，必然会产生很大的惯性冲击，容易发生控制轴、隔离开关刀杆或转动瓷瓶断裂。为此，在传动风缸的隔板5上设有一排气孔，隔板5和缓冲气缸体6上各设有一个逆止阀。
在分闸过程中，经主阀、延时阀的压缩空气一路从传动风缸进气孔1进入工作活塞左侧，推动工作活塞右移，带动控制轴使转动瓷瓶转动，隔离开关分闸。与此同时，另一路压缩空气从传动风缸进气孔2进入缓冲活塞右侧，当工作活塞向右运动，碰到套筒1时，迫使套筒1、缓冲活塞7也随之右移，而缓冲活塞右侧的压缩空气将阻碍它们的运动，这就保证了主断路器在分闸过程中先快后慢的动作要求，起到了缓冲的作用。
在合闸过程中，起动阀D腔的压缩空气经F腔、传动风缸进气孔3，分别进入工作活塞的右侧和缓冲活塞的左侧。一方面，工作活塞左移，带动隔离开关合闸；另一方面，当工作活塞左移，带动连杆销9碰到套筒8时，会迫使缓冲活塞左移，同理，缓冲活塞左侧的压缩空气将阻碍工作活塞、套筒和缓冲活塞的运动，保证主断路器在合闸过程中也具有先快后慢的特点。
图7－24 传动气缸
1－套筒；2－工作活塞；3－活塞杆；4－工作气缸体；5－隔板；
6－缓冲气缸体；7－缓冲活塞；8－套筒；9－连杆销。
5．辅助开关
辅助开关由万能转换开关承担，其引出线通过插销或插座同机车有关电路相连。
辅助开关的作用如下：一是接受机车整备控制电路的电信号，控制分、合闸电磁铁的动作；二是作分、合闸之间的电气联锁，即分闸完成后切断分闸线圈电路，接通合闸线圈电路，为下一步合闸动作作好准备，保证下一步只能是合闸动作而非分闸动作，反之亦然；三是与信号控制电路相连，显示主断路器所处的状态，分闸状态时信号灯亮，合闸状态时信号灯灭。
四、动作原理
1．准备工作
储风缸充满足够的压缩空气；起动阀的D腔充满压缩空气；另有少量的压缩空气经通风塞门、主阀、支持瓷瓶进入灭弧室，使灭弧室内保持一定的正压力，防止外部潮湿空气的侵入。(如图7-25所示)
图7－25 主断路器准备状态示意图
图7－26 主断路器分闸过程示意图
2．分闸过程
司机按下主断路器分闸按键开关，分闸线圈得电，分闸阀阀杆上移，起动阀D腔的压缩空气经起动阀E腔进入主阀的C腔，主阀左移，储风缸内大量的压缩空气经支持瓷瓶进入灭弧室，推动主动触头左移，电弧被吹入空心的动触头，冷却、拉长、进而熄灭。(如图7-26a、b图所示)
进入延时阀的压缩空气经一定时间延时后，推动延时阀阀门上移，压缩空气进入传动风缸工作活塞的左侧，推动工作活塞右移，驱动传动杠杆带动控制轴、转动瓷瓶转动，隔离开关分闸。(如图7-26c图所示)
与控制轴同步动作的辅助开关同时完成如下三项工作：一是切断分闸线圈电路，分闸线圈失电，分闸阀关闭，D腔的压缩空气不再进入E腔和C腔，主阀关闭，压缩空气停止进入灭弧室，主触头在反力弹簧的作用下重新闭合，分闸过程完成(如图7-26d图所示)；二是接通信号控制电路，使主断路器信号灯亮，显示主断路器处于断开状态；三是接通合闸线圈电路，为下一次合闸作好准备。
图7－27 主断路器合闸过程示意图
3．合闸过程
司机按下主断路器合闸按键开关，合闸线圈得电，合闸阀阀杆上移，起动阀D腔的压缩空气经起动阀F腔进入传动风缸工作活塞的右侧，推动工作活塞左移，驱动传动杠杆带动控制轴、转动瓷瓶转动，隔离开关合闸(如图7-27a所示)。
同理，与控制轴同步动作的辅助开关：一是切断合闸线圈电路，合闸线圈失电，合闸阀关闭，压缩空气停止进入传动风缸，合闸过程完成；二是切断信号控制电路，使主断路器信号灯灭，显示主断路器处于闭合状态；三是接通分闸线圈电路，为下一次分闸作好准备(如图7-27b所示)。
五、使用与维护
为了使主断路器处于良好的工作状态，必须加强维护管理，主要应做到：
1．保持气路洁净
压缩空气潮湿或不洁，管道不干净，可能造成以下后果：
(1)在电弧作用下分解成氢、氧等混合气体，破坏主触头分断后断口间的绝缘，使熄弧困难或电弧重燃，严重时会造成灭弧室炸裂；
(2)使支持瓷瓶和灭弧室内腔绝缘强度降低，造成沿面放电；
(3)管道中的漆皮、锈渣等异物可能堵塞气口，使主断路器动作失灵，发生卡位现象；
(4)异物若进入灭弧室，可能会造成主触头接触不良，使非线性电阻长期通电而烧损，严重时会造成非线性电阻瓷瓶炸裂。
因此，在主断路器储风缸的进气管上装有油水分离器，下部有放水阀，使用维护时应定期排水，保持气路洁净。
2．定期更换橡胶件
主断路器是一种结构复杂的气动电器，各部件对密封性能要求较高，为保证良好的密封性能，应定期更换橡胶件。
3．定期检查各主要部件，保持各部件良好的技术状态
(1)灭弧室
定期检测主触头超程和动触头复原弹簧的状态。动、静触头由于分、合频繁，会因相互摩擦而磨损，从而造成超程减小，接触压力减小。当超程减小到一定程度时，要更换动、静触头。动触头复原弹簧变形超过一定限度时，必须及时更换。
(2)非线性电阻
保持非线性电阻瓷瓶内腔清洁，密封良好。定期更换非线性电阻瓷瓶中的干燥剂，检测非线性电阻片的阻值。阻值变化超过一定限度时，必须及时更换。
(3)主阀
定期检查活塞与阀体间的配合尺寸，尺寸不符合要求应及时更换。
(4)传动气缸
适当调节好传动气缸的缓冲，保证隔离开关动作良好。定期检查活塞与缸体之间的配合精度，通过修整或更换零部件，保证其良好的动作性能。
(5)通风塞门
必须定期更换塞门中的填料，检测塞门的通风量，将其调整至允许范围之内。