《机车电传动系统》完整课件（推荐下载）：第十八章 主型电器

第十八章 主型电器 主型电器是指专门为电力机车设计制造的、作用重要、结构复杂、体积较大的专用电器，主要包括受电弓、高压连接器、主断路断、两位置转换开关、司机控制器等。本章主要介绍各主型电器的作用、技术参数、基本结构、动作原理、维护与调整等内容。 第一节 受电弓 一、概述 受电弓是电力机车、电动车辆从接触网接触导线上受取电流的一种受流装置。它通过绝缘子安装在电力机车、电动车辆的车顶上，当受电弓升起时，其滑板与接触网导线直接接触，从接触网导线上受取电流，通过车顶母线传送到机车内部，供机车使用。 受电弓靠滑动接触而受流，是电力机车、电动车辆与固定供电装置之间的连接环节，其性能的优劣直接影响到电力机车、电动车辆工作的可靠性。随着电力机车、电动车辆运行速度的不断提高，对其受流性能也提出了越来越高的要求。其基本要求是：滑板与接触导线接触可靠，磨耗小：升、降弓时不产生过分冲击；运行中受电弓动作轻巧、平稳、动态稳定性好。为此，在接触导线高度允许变化的范围内，要求受电弓滑板对接触导线有一定的接触压力，且升、降弓过程具有先快后慢的特点，即升弓时滑板离开底架要快，贴近接触导线要慢，以防弹跳；降弓时滑板脱离接触导线要快，落在底架上要慢从防拉弧及对底架有过分的机械冲击。 电力机车上安装有两台受电弓，正常运行时一般只升后弓，前弓备用。按结构形式分，受电弓分为双臂受电弓和单臂受电弓两种。双臂受电弓结构对称，侧向稳定性好，但结构复杂，调整困难。单臂受电弓结构简单，尺寸小，重量轻，调整容易，具有良好的动特性，高速时动态跟随性及受流特性较好，故而被现代电力机车、电动车辆广泛采用。 目前，电力机车上采用有各种型号的受电弓，如SS1型、SS3B型机车采用的 TSG1-600／25型受电弓，SS4改型机车采用的TSG1－630／25型和LV260－2型受电弓，SS6型机车上采用的TSG3－630／25型单臂受电弓等。各型受电弓的某些零部件虽略有不同，但其基本结构有许多相似之处。本节只介绍SS8型电力机车上采用的TSG3－630／25型单臂受电弓。 二、主要技术参数 额定工作电压………………………………………………………………25kV 额定工作电流………………………………………………………………630A 最大运行速度……………………………………………………… 170km/h 静态接触压力………………………………………………………（90±10）N 工作高度…………………………………………………………500～2250mm 最大升弓高度………………………………………………………… 2600mm 弓头总长度………………………………………………………………2085mm 滑板长度…………………………………………………………………1250mm 传动气缸工作气压………………………………………………520～1000kPa 从0～1800mm间升弓时间………………………………………………6～8s 从1800～0mm间降弓时间………………………………………………5～7s 降弓位保持力………………………………………………………………80N 三、基本结构及主要部件的作用 TSG3－630／25型单臂受电弓由底架、铰链机构、弓头部分、传动机构、控制机构等组成，其基本结构如图18—1所示，现分述如下。 (一)底架 底架由纵梁2和横梁12组成，用矩形钢管、钢板压形件及部分铸钢件焊接成“T”字形的基座，并通过3个绝缘子安装在机车车顶盖上。它是整个受电弓受流运动部件的安装基座，应具有足够的机械强度和耐受一定电压的电气性能。 纵梁2上组焊有推杆支座3，此外，底架上还装有两组升弓弹簧8，一套铁链机构和一付阻尼器14等部件。升弓弹簧由外圈和内圈两组弹簧套装而成，其一端与纵梁相连，另一端与下臂杆的底部相连。阻尼器用于有效地吸收机车高速运行时产生的冲击和振动，保证滑板与接触导线良好的接触，其一端与下臂杆铰链，另一端与推杆支座铰链。 (二)铰链机构 铰链机构由下臂杆5、推杆16、中间铰链座17、平衡杆18、上部框架15等部件组成，是实现弓头升降运动的机构。其中，下臂杆、推杆、平衡杆、上部框架由无缝钢管组悍而成，通过铰链座铰链，各铰链处都装有滚动轴承，并采用金属软编织线进行短接，防止电流对轴承的电蚀。
图18—1 TSG3-630/25型单臂受电弓结构示意图 1—绝缘子;2—纵梁;3—推杆支座;4—调整螺栓;5—下臂杆;6—弧形调整板;7—挂绳;8—升弓弹簧; 9—弓头;10—弹簧盒;11—升弓弹簧调整杆;12—横梁;13—转轴;14—阻尼器;15—上部框架;16—推杆; 17—中间绞链座;18—平衡杆;19—转臂;20—U形连杆;21—传动绝缘子;22—传动气缸;23—缓冲阀. 下臂杆5由两根钢管焊接成“T”字形构件，横向管两端装有两个转轴，纵向管的前部装有升弓弹簧支架和升弓弹簧8。升弓弹簧的连接钢丝绳与弧形调整板6的背部紧贴，以此保证当受电弓在工作高度范围内升弓弹簧的拉力发生变化时，能产生足够的升弓转矩，维持弓头的静态接触压力基本不变。调整调节螺栓4，可以改变弧形调整板6的倾角，也就改变了压力特性的摆动趋向。 平衡杆的作用是保证弓头部分的滑板面在受电弓整个工作高度范围内始终保持水平状态。 上部框架15由5根钢管焊接成1个构架，保证了上框架有较强的横向刚度和较小的质量。其一端与弓头上弹簧盒10的铰链用螺栓连接，另一端借助于压板用螺栓装在中间铰链座17上。 （三）弓头部分 弓头部分由滑板框架、羊角、滑板、弹簧盒、固体润滑剂等组成，如图18-1（c）所示。 滑板框架用钢板压制后镀锌而成，羊角为铸铝件。羊角与滑板框架组装，连接成整个弓头外形。在滑板框架上装有两排粉末冶金滑板和两排固体润滑剂。 滑板是直接与接触导线接触受流的部件，它是受电弓故障率较高的部件之一，最常见的故障是磨耗到限和拉槽。目前采用的滑板有碳滑板、钢滑板、铝包碳滑板、粉末冶金滑板等。其中，碳滑板较软，滑板自身磨耗较大，需经常更换，适用于钢接触导线；钢滑板较硬，对接触网磨耗较大，适用于钢铝接触导线；粉末冶金滑板的主要成分是铁、铜和润滑油，它有较好的自润滑性和一定的机械强度，电阻率也较小，与接触网导线接触受流性能良好，既能同时适用于钢接触导线和钢铝接触导线，又有助于减少因滑板损坏而造成的刮弓事故，是目前较为理想的滑板材料。SS8型电力机车上采用的 TSG3－630／25型单臂受电弓使用的就量粉末冶金滑板，其原始厚度为10mm，磨损至3mm时到限。 弹簧盒使弓头与铰链机构进行弹性连接，保证机车运行时，弓头能随着接触网导线高度和驰度的变化而上下动作，以改善受流特性。 （四）传动机构 传动机构由传动气缸22、传动绝缘子21、U形连杆20、转臂19等组成。传动绝缘子21连接在传动气缸22与U形连杆20之间对形连杆与转臂连接，转臂再与下臂杆转轴连接在一起。这种安装方式保证了受电弓高、低压之间的电绝缘，并能方便地传递和控制升、降弓作用力矩。 传动气缸的结构如图18－2所示，它由缸体1、活塞2、降弓弹簧3、进气口 4、防尘套5等组成。气缸体与水平面成15°仰角，安装在车顶上，如图18－l所示。 (五)控制机构 TSG3－630／25型受电弓的控制机构由缓冲阀和升弓电空阀组成，安装在机车内部，以便在机车内部调整升、降弓时间。 缓冲间实际上是一个流量控制阀，它借助改变通流管路的截面大小来调节气
图18－2 传动风缸 1—缸体；2—活塞；3—降弓弹簧；4—进气口；5—防尘套。 流量，满足受电弓升、降弓过程先快后慢的动作要求，减小对接触网和车顶的冲击和振动，避免降弓时的拉弧现象。它由快排阀和节流问两部分组成，如图18—3所示，主要包括阀体4、快排问活塞3、快排阀反力弹簧5、快排阀调节螺钉6、节流阀调节螺钉7、暗道8和9等部件。缓冲阀的进气口10与升弓电空阀下方的进气口相连，压缩空气经缓冲阀阀体内的小孔，通过不同截面的暗道，分别送人节流间和快排阀。缓冲阀的排气口1与受电弓传动风缸的进风口（图18—2中的4）相连。
图18—3 缓冲阀结构示意图 1—缓冲阀排气口；2—快排阀快排口；3—快排阀活塞；4—阀体；5—快排阀反力弹簧； 6—快排阀调节螺钉；7—节流阀调节螺钉；8、9暗道；10—进气口；11—电空阀。 图18—4的（a）、（b）、（c）图分别表示了受电弓升弓、快速降弓、缓慢降弓的动作原理示意图。升弓过程是压缩空气压缩降弓弹簧的过程，节流阀口的大小，直接控制着压缩空气进人传动风缸的快慢。当节流阀口调好后，升弓初始后，降弓弹簧的压力最小，克服该力所需要的气压较小，节流网口的进出气压差最大，此时传动气缸中活塞的移动较快，升弓迅速；随着弓头的逐渐上升，降弓弹簧的压力逐渐增大，克服该力所需要的气压也逐渐增大，因此，节流阀口的气压差逐渐减小，进人风缸的气流逐渐减慢，升弓的速度也逐渐减慢。这就实现了受电弓升弓时先快后慢的动作要求，减小了对接触网的冲击和振动。
图18—4 缓冲阀动作原理示意图 (a)升弓过程；(b)快速降弓过程；(c)缓慢降弓过程。 降弓时，电空阀失电，传动风缸内的压缩空气经节流阀、电空间排向大气。降弓初始，传动风缸内气压较大，作用于快排阀上方的力大于快排阀下方弹簧所产生的力，快排阀阀口打开，传动风缸内的压缩空气通过快排问阀口大量排向大气，使受电弓弓头迅速脱离接触网。随着传动风缸内气压的逐渐下降，在快排阀内弹簧作用下，快排阀阀口关闭，气缸内的残余气体从节流阀口徐徐排出，受电弓下降的速度减慢。这就保证了弓头迅速脱离接触网后变成缓慢下降，避免了 现象，不会对受电弓底架和车顶产生有害冲击。 缓冲阀的阀体上有两个成锥形的调节螺钉，如图18－3所示，上面的是降弓时间调节螺钉，下面的是升弓时间调节螺钉。顺时针旋转升弓时间调节螺钉时，节流阀阀口进风量减小，升弓时间延长；反之测升弓时间缩短。同理，可以调整降弓时间。 四、动作原理 升弓时，司机按下受电弓按键开关，升弓电空间得电，压缩空气经缓冲阀的节流阀进人传动风缸，推动活塞克服降弓弹簧的作用力，带动传动绝缘子和U形连杆右移，解除了对下臂杆的约束力，升弓弹簧拉动下臂杆和推杆顺时针转动，推杆推动铰链座和上部框架逆时针旋转，带动受电弓弓头升起。 降弓时，司机恢复受电弓按键开关，受电弓电空阀失电，传动风缸内的压缩空气经快排阀、电空阀排向大气，在降弓弹簧的作用下，活塞带动U形连杆左移，当U形连杆与下臂杆转轴接触后，迫使转轴向下移动，强制下臂杆做道时针转动，最终使弓头下降到落弓位。 五、静特性 在静止状态下，受电弓滑板在工作高度范围内对接触网导线的压力称为受电弓的静态接触压力。该值的大小直接影响受电弓受流的质量。静态接触压力偏小，则接触电阻增大，功率损耗增加，机车运行时易产生离线和电初，从而导致接触导线和滑板的电磨损增加；压力偏大，则机械磨损增加，甚至造成滑板局部拉槽进而造成接触导线弹跳拉弧，以致刮弓。因此，要求受电弓在其工作高度范围内有一个较为合适的、基本不变的接触压力，这个接触压力由受电弓机械结构和各部分参数决定。适当的静态接触压力可以使受电弓与接触网导线正常接触，减少离线，克服风和高速气流及轮轨传来的机械振动的影响，保证良好的受流特性。 受电弓的静态接触压力与工作高度之间的关系称为受电弓的静特性，它可以用受电弓的静态特性曲线来表示，如图18—5所示。 由图18—5可以看出以下3点： 1．在工作高度范围内，受电弓的静态接触压力变化不大。这是因为产生接触压力的升弓弹簧在升弓高度变化时变形不大和弧形调整板的作用所致。 2．受电弓上升过程与下降过程的静态特性曲线不重合。其原因是受电弓活动关节存在着摩擦力。由于该摩擦力始终与运动方向相反，因此，在升、降弓过程的静特性曲线之间的接触压力差约为两倍的摩擦力。当接触网导线向下倾斜而要求弓头滑板跟随下降时，该摩擦力使接触压力增加；同理，当接触网导线向上倾斜而要求弓头滑板跟随上升时，该摩擦力使接触压力减小。所以，为了减小摩擦力，在受电弓的各铰接部分均装有滚动轴承。
图18—5 受电弓的静态特性曲线 1—正常压力的静态特性曲线；2—弧形调整板倾角小时的静态特性曲线；3—弧形调整板倾角大时的静态特性曲线；a—受电弓上升的静态特性曲线；b—受电弓下降时的静态特性曲线。 3．调整弧形调整板的倾角，可以改变受电弓静态接触压力的大小。倾角减小，静态特性曲线的下端左移，反之则右移。 六、维护与调整 （一）维护 使用前，应检查所有的紧固件状态是否良好；软编织导线是否完整，断股严重的应及时更换；绝缘于是否清洁，有无裂痕；弓头滑板是否平整，连接是否圆滑，已磨耗到限的滑板和润滑剂应及时更换。 （二）调整 1. 静态接触压力的调整 一般调整时，在受电弓弓头上加挂一90 N的重物，正常情况下，弓头在任意工作高度上应能停留。若弓头在工作高度的上限段不能停留，则调整升弓弹簧调节螺钉；若弓头在工作高度的下限段不能停留，则调整调整螺栓4，改变弧形调整板的倾角。 精细调整时，须在专用的实验台上进行。 2 升、降弓时间的调整 升、降弓时间是指在额定工作气压下！以落弓位滑板的顶部为参考点，受电弓由 0 mm升到1800mm或由1800mm降到0mm所需要的时间。 一般先调整节流阀调节螺钉，初步调整升弓时间；再调整快排问调节螺钉，改变快排阀弹簧的压缩量，从而调整快排的时间长短，改变降弓时间。这种调试过程要反复进行多次，相互兼顾，以便满足受电弓的升、降弓时间和先快后慢的动作要求。 3．弓头的调整 受电弓弓头的调整包括弓头平衡的调整和弹簧盒的调整。检查弓头在工作范围内任一高度的前后摆动量，若不为水平对称，则应调整平衡杆，通过改变平衡杆的长度，保持弓头滑板面的水平。弓头弹簧盒内装有弹簧盒杆和弓头弹簧。弹簧盒杆应上下活动自如，无阻滞现象，否则应对弓头进行详细的检查，找出影响盒杆运动的原因。因为弓头受到来自于接触网上硬点的冲击，常伴随有弓头的变形，所以此项调整较为复杂。若为盒杆内弹簧的原因，则应更换弹簧。 第二节 高压连接器 一、概述 高压连接器的主要功能是在两节机车进行连挂时，自动连接两节机车车顶的25 kV高压电路。它安装在每节车尾部的车顶上，依靠机车连挂车构的力量，与车构同时对接，分离时也随机车的车钩脱开而自动分离。SS4改型电力机车采用的是TLG1-400／25型高压连接器。 二、主要技术多数 额定电压……………………………………………………………………25 kV 额定电流………………………………………………………………… 400 A 接触电阻阻值（连接状态）…………………………………………≤650μΩ 导电杆中心线至车顶高………………………………………………… 586mm 导电杆上下摆动角……………………………………………………≮8°30′ 导电杆左右摆动角………………………………………………………≮34° 导电杆最大回程………………………………………………………≮240mm 导电杆最小回程（α=34°时）……………………………………… ≮210mm 三、基本结构及主要部件的作用 单台TLG1－400／25型高压连接器的外形如图18—6所示，它主要由机械传动机构和电气连接机构两部分组成。
图18—6 TLG1-400/25型高压连接器外形图 1—支架绝缘子；2—导电极；3—软连接线；4—半环；5—导向羊角件；6—喇叭形头部；7—导电杆；8—橡胶波纹管；9—挡板；10—十子轴支架；11—止动器；12—球面止挡；13—支承缸体；14—伸张弹簧。 （一）机械传动机构 高压连接器的机械传动机构由伸张弹簧14、橡胶波纹管8、十字轴支承装置10、止动器11、球面止挡12、支承缸体13及支持绝缘子1等组成。支持绝缘子1将连接器的主体固定在车顶，并与车顶电气隔离。支承缸体安装在支持绝缘子1上，井由缸体定位销定位。 伸张弹簧14安装在橡胶波纹管8内。当连接器头部不受压缩力时，连接器处于最大伸张状态，为对接作好准备；对接时，两台连接器相互压缩，当压缩到一定量时，连接器头部的半环与叉形连接机构动作，相互扣紧，连接过程完成。当两台连接器之间的距离随机车变化时，两台连接器的伸张弹簧保证其头部的电气连接机构一直处于扣紧状态，导电半环与叉形件的接触压力保持不变，因而具有优良的导电性能。TLGI型高压连接器允许的运动距离是16mm。 十字轴支承体包括十字接头安装和十字轴支承装置。十字接头安装由十字接头和轴套组成，如图18—7所示。十字接头1通过3个沉头螺钉3与轴套2固定连接。轴套由黄铜管加工而成，开有一长方形键槽孔。
图18—7 十字接头安装 1—十字接头；2—轴套；3—沉头螺钉。 十字轴支承装置如图18—8所示。在单节机车运行时，单台连接器处于自由状态，其连接电杆伸出机车端墙，处于悬臂状。为了保证在此状态下运行的稳定性，设有十字轴支承装置和止动杆。十字轴支承装置用于使处于自由状态的单台连接器处于平衡状态，止动器11用于保证伸张弹簧14有一定的初始压力。止动器下部的止动杆与球面止挡形成一对自复位机构，当连接器头部作上下左右摆 动时，自复位机构能使连接器回到中心位置，保持在车顶的稳定位置。
图18—8 十字轴支承装置 1—板簧；2—轴承；3—左右十字头支承座；4—蜗卷簧；5—止动板； 6—十字头安装；7—调整螺钉；8—密封圈；9—缸体。 考虑到机车在弯道、坡道和轮缘磨耗等状态下对接和运行的可靠性，要求压连接器具有较宽的上下、左右导向和偏摆裕度。 高压连接器头部的上下摆动控制由图18—8中的板簧1及蜗卷簧4来平衡。板簧用螺钉固定在转动板上，再将左右十字头承座体用3个螺钉固定在转动板的内侧，起支承十字接头安装的作用。蜗卷簧由弹簧钢带绕制而成，套装在十字头安装横向轴两端，再装于左右十字头支承座内。静止时，板簧力及头部重力形成的力矩与蜗卷簧的力短相等，从而使导电杆保持水平。当因外力的作用使头部上下摆动时，由蜗卷簧及板簧的作用使之回到静止平衡状态。由于蜗卷簧的张力可以由调整螺钉7进行调整，因而可以容易地使连接器在静止时使导电杆达到水平状态。此外，在不同轮箍磨耗情况的机车对接时，可预先调整连接器的安装高度，使前后两台连接器基本处于同一水平面上。图18—8上十字轴支承装置的缸体上的刻度便是作高度调整用的。 连接器头部的左右摆动由支承缸体中的弹簧控制。支承缸体由缸体和转轴安装等组成，如图18－9所示。轴承安装5由转轴19、轴承座、上传动块8、扭簧18、下传动块16和轴承10等组成。转轴 19由轴与钢板焊接后加工而成，轴承 10套于转轴上。扭簧18由弹簧钢丝右旋绕制，套于转轴上。扭簧上端用上传动块8与开口销12扭住，下端用下传动块16与开口销12扭住。转轴安装完毕后，装人缸体3内，在转轴上装人轴承10后，用螺栓9将盖板11固定在缸体上。缸体中的这对扭簧通过其定位螺钉的调整，使连接器处于对中状态。当连接器头部左右摆动时，可在扭簧的作用下自动回位。
图18—9 支承缸体 1—球面止挡；2、7、9—螺栓；3—缸体；4、15—密封胶；5—轴承安装；6—套环； 8—上传动块；10—轴承；11—盖板；12—开口销；13—调整垫； 14—垫圈；16—下传动块；17—定位销；18—扭簧；19—转轴； （二）电气连接部分 电气连接部分既决定了喇叭型头部的摆动方向，又起导通电流的作用。它由图18—6中的喇叭形头部6、导电杆7、盖板装配等组成。 喇叭形头部的主体由轻质铸铝合金制成。在喇叭形头部上装有羊角5、半环4及叉形件。羊角5在水平及垂直方向都具有较宽的导向范围，当两台高压连接器对接时，即使水平位置或垂直位置存在误差，也可以保证良好的自动导向对接性能。此特性保证机车在最小曲率半径125 m及前后两节车轮箍磨耗（单边）差不大于30 mm时，高压连接器能可靠地进行摘挂。 导电杆如图18—6所示。它轴向穿过十字接头安装孔，再通过导电杆上的键槽与十字接头的轴套上的长方形键槽孔配合，组装成一整体。这就有效地控制了高压连接器的退程范围，起到了导通电流、机械连接、滑动和限位的作用。 盖板装配主要由盖板1、又形件（动触头）2、半圆环（静触头）7和拉簧18等组成，如图18—10所示。盖板二为薄形铸铝合金板，在其上面装有叉形件2（动触头）、半圆环7（静触头）和拉簧18。盖板紧固在喇叭型头部上，喇叭形头部、双连线13再与顶杆紧固连接成整体。上述3种部件是高压连接器中难度大而结构复杂的薄壁形铸铝合金组件。
图18—10 盖板装配 1—盖板；2—叉形件；3、12—销；4—环；5、9、14、15、20—螺栓；6、10、16—垫圈；7—半圆环； 8—双金属片；11—卡箍；13—双连线；17—套环；18—拉簧；19—罩。 高压连接器的叉形件（动触头）和半圆环（静触头）为铜质镀银材料，采用线接触方式，具有工作可靠、接触电阻小和散热较好的优点。连接动作时，两台高压连接器的叉形件插人彼此的半圆环中，同时由叉形件上的拉簧提供接触压 力。 四、动作原理 在两节车需要连挂，作重联运行时，依靠两节车车钩挂接时的牵引力，使两个连接器慢慢靠近，在羊角的导向作用下，使各自的导电半圆环（静触头）准确地插人对方的叉形件（动触头）中，接通两节车一次侧高压电路。同时叉形件上的拉力弹簧紧紧地把半环扣住，由于两台连接器的相对位移由张力弹簧、复位弹簧来吸收调整，因而能保持叉形件与半圆环的接触压力恒定不变、从而能够保证较好的电气性能。 当两节车分离时，依靠两节车分离时的牵引力可自动分离，井断开两节车的一次侧高压电路，拉簧复原。 五、高压连接器接合状态下的电流路径 从图18—6上可以看出，高压连接器接合状态下的电流路径为：从一节车的高压回路到导电极2，经软连接线3，到导电杆7，然后通过喇叭形头部内的软连线、半环、叉形件，到另一台连接器的叉形件、半环、导电杆母线等，再到另一节车的车顶母线。 六、高压连接器的主要特点 1.高压连接器自身不带操动机构，其连接与分离时的操作力均来源于机车车钩连挂或分离时的牵引力，随机车车钩的连接或分离同时完成，不必单独操作、非常方便。 2.在连接状态下，触头的接触压力只与触头弹簧有关，不受机车运行状态的影响，故触头的接触压力基本上恒定不变，避免了触头的磨耗和电蚀。 3.导电触头为叉环结构，是典型的线接触方式，工作状态稳定可靠，接触电阻小，散热性能好。 4.连接器不带灭弧装置，因而必须在无电状态下进行连接或分离操作。 5.高压连接器必须成对使用。从产品的通用性和互换性上来考虑。每台高压连接器的结构完全相同，具有良好的互换性，没有前后之分。为了满足不同的运行要求，可以任意组合。 第三节 主断路器 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。 主断路器属于高压断路器的一种，按其灭弧介质可分为油断路器、空气断路器、六氟化硫断路器和真空断路器等。目前，在SS1型、SS3A型、SS3B型等电力机车上采用的是TDZ1－200/25[T—铁路机车用；D—断路器Z一主；1一设计序号；200一额定分断容量（MV·A）；25—额定电压（kV）]型空气断路器；在SS4型、SS4改型、SG型、SS7c型、SS7D型及SS8型等电力机车上采用的是TDZ1A－10／25［T—铁路机车；D—断路器；Z—主；1A—设计序号；10—额定电流（kA）；25—额定电压（kV）］型空气断路器；6K型电力机车上采用的是真空断路器。 与其他类型的断路器相比，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.压缩空气流动性好，传导速度高。灭弧时动作迅速、可靠，可使气体的流动与电弧柱的膨胀和收缩紧密相随，因此燃弧时间短，灭弧性能好，触头寿命长。 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.在气压和分判能力一定的情况下，分判小电感电流时，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。本节只介绍TDZIA－10／25型空气断路器。 二、主要技术参数 额定电压……………………………………………………………………25 kV 额定电流……………………………………………………………………400 A 额定频率……………………………………………………………………25 Hz 额定分断电流………………………………………………………………10 kA 额定分断容量…………………………………………………………250 MV·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…………………………………………………………………≤0.1s 额定控制电压……………………………………………………… DC110 V 总质量……………………………………………………………………150 kg
图18－11 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－距离开关；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。 三、基本结构及主要部件的作用 TDZ1A-10／25型空气断路器结构如图18—11所示，它以安装在机车车顶盖上铸铝制成片底板为界，分上、下两大部分。露在车顶上的为高压部分，主要有灭弧室二、非线性电阻瓷瓶Z支持瓷瓶20、隔离开关6和转动瓷瓶7等部件。装在底板下部的不低压部分，主要有储气缸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 灭弧室的结构如图18－12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11，一端装风道接头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，以此将高压电引人主断路器。
图18－12 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－固定盘； 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－隔离开关及触头。 静触头13的头部为球状，端部镶着耐电弧的铂块，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，压缩空气进人灭弧室，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人主动触头“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。主断路器分间完成，压缩空气停止进入灭弧室，动触头在触头弹簧5的作用下与静触头重新闭合。 2.非线性电阻 非线性电阻用于限制过电压，减小电压恢复速度。空气断路器在分断小电流时，由于熄弧能力太强，易产生截流过电压；同时，其分断的可靠性受断口间电弧电流过零瞬时恢复电压上生的速度影响很大。因此，该型主断路器在动、静触头间并联了非线性电阻。 非线性电阻的结构如图18—11所示。在非线性电阻瓷瓶内，装了10个串联的非线性电阻3和干燥剂4等主要部件。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。 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。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。为了避免非线性电阻片受潮后性能发生改变，在放置非线性电阻片的空心瓷瓶内设有密封圈和干燥剂。 3.隔离开关 隔离开关结构如图18—13所示。它由静触头（见图18—12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。
图18－13 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，同时用作上、下转动座之间的电联接。在主断器动作过程中，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。主断路器分问时的动作顺序是：主触头分断电路并在灭弧室内熄灭主动、静触头之间的电弧、隔离开关打开，主触头重新闻合。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。即主断路器分问时，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，主断路器合问时，主触头不再动作，仅需操纵隔离开关问刀闭合即可。 （二）低压部分 1.起动阀 起动间由左边的分门阀和右边的合闸阀两部分组成，呈对称分布，如图18—14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，共用间体2、密封垫1和盖板6。D、E、F3个空腔分别与储风缸、主阀C腔、传动风缸相通。
图18－14 启动阀 1－密封垫；2－阀体；3－阀杆；4－密封垫；5－弹簧；6－盖板。 当分、合闸线圈失电时，D腔充满了来自储风缸的压缩空气，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，合问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腔内的压缩空气经阀门从F腔进人传动气缸，带动主断路器闭合。F腔内有直径为2 mm的排气孔，进人 D腔的压缩空气管径为 8 mm，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门阀阀杆，使问杆克服弹簧5的作用向上移动，阀门打开，D腔内的压缩空气经阀门从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18—15所示。它由间体二、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18—11中的19）经主阀送人支持瓷瓶和灭弧室，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人灭弧室。
图18－15 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，分门阀动作，起动阀D腔内的压缩空气经阀门从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。支持瓷瓶进人灭弧室，带动主触头动作；向下送人延时阀的进气孔。
图18－16 延时阀 1－阀座；2－密封环；3－膜片；4－阀杆；5－伐体；6－阀门；7－弹簧；8－阀盖；9－调节螺钉。 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。 延时阀的结构如图18—16所示。它由阀座1、膜片3、阀杆4、阀体5、阀体6、弹簧7、阀盖8、调节螺钉9等部件组成。调节螺钉9用于调整进人膜片3下部空腔的气路大小，改变延时时间。 当延时间进气孔无压缩空气送人时，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，进人膜片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，大量的压缩空气进人传动气缸的进气孔。 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18—17所示，活塞杆3上装有工作活塞2、缓冲活塞7和套筒1石，连杆销9与图18—11中的控制轴8相连。
图18－17 传动气缸 1－套筒；2－工作活塞；3－活塞缸；4－工作气缸体；5－隔板；6－缓冲气缸体；7－缓冲活塞； 8－套筒；9－连接销。 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进人工作活塞左侧，推动工作活塞右移，带动控制轴、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进人缓冲活塞右侧，当工作活塞向有运动，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，分别进人工作活塞的右侧和缓冲活塞的左侧。一方面，工作活塞左移，带动隔离开关合问；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，保证主断路器在合问过程中也具有先快后慢的特点。 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讯号，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 主断路器的动作原理用图18—11来说明。 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。 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腔进人主阀的C腔，主阀左移，储风缸内大量的压缩空气经支持瓷瓶进人灭弧室，推动主动触头左移，电弧被吹人空心的动触头，冷却、拉长、进而熄灭。 进人延时间的压缩空气经一定时间延时后，推动延时阀阀门上移，压缩空气进人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。 与控制轴同步动作的辅助开关同时完成如下3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人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；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。 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腔进人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。 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，压缩空气停止进人传动风缸，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。 第四节 真空断路器 一、概述 真空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速度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。分断容量大、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80年代才运用到电力机车上。下面介绍的是我国自行设计、制造的TDV3－8／25型真空断路器。 二、主要技术参数 最高工作电压………………………………………………………………31 kV 额定电压………………………………………………………………… 25 kV 额定电流………………………………………………………………… 400 A 额定频率……………………………………………………………………50 HZ 额定分断容量…………………………………………………………200 MV·A 额定分断电流…………………………………………………………………8kA 极限通过电流………………………………………………………………20 kA 分闸时间……………………………………………………………… ≤45 ms 固有分闸时间……………………………………………………………≤25ms 合闸时间………………………………………………………………≤150 ms 最大外形尺寸………………………………………………1080×430×987mm 总质量…………………………………………………………………约 175 kg
图18－18 TDV3-8/25型真空断路器 1－箱体；2－计数器；3－辅助开关；4－水平瓷瓶；5－中央传动机构箱；6－真空灭弧室；7－端盖；8－支持瓷瓶；9－绝缘推杆；10－过滤器；11－合闸电磁铁；12－操作机构；13－分闸电磁铁。 三、结构及主要部件的作用 TDV3－8／25〔T—铁路机车用；D—断路器；V—真空；3—设计序号；8—额定开断电流（kA）；25—额定电压（kV）〕型真空断路器以底座为界，分为高压和低压两部分，如图18—18所示。高压部分为T形结构，位于机车顶部，包括真空灭弧室6、中央传动机构箱5、水平瓷瓶4、支持瓷瓶8、绝缘推杆9等；低压部分位于机车内部，包括箱体1、合闸电空阀11、分闸电磁铁13、操作机构12、辅助开关3、计数器2、过滤器10等。高压部分和低压部分之间通过支持瓷瓶和绝缘杆隔离，保证机车的安全。 （一）真空灭弧室 真空灭弧室结构如图18－19所示。动、静触头4密封在玻璃管3内。静触头杆1直接固定在上方的金属端板8上，动触头杆7通过金属波纹管与下方的金属端板8联接，这样的结构既可保持密封，又使动触头可在一定范围内移动，保证了动、静触头在一定的真空度下断开。动、静触头与玻璃管之间设有金属屏蔽罩5，它固定在玻璃管中部的金属环上。屏蔽罩的作用是在熄弧过程中吸收并冷却由电弧产生的金属蒸气，防止金属蒸气扩散到玻璃管内壁上而破坏其绝缘性能。
图18－19 真空灭弧室 1－静触头杆；2－排气管；3－玻璃管；4－动、静触头；5－屏蔽罩； 6－波纹管；7－动触头杆；8－端板；9－螺栓。 在TDV3型真空断路器中，为了提高真空灭弧室的真空度和寿命，在灭弧室中加入了一定的高压消气剂，以减少和吸收触头在工作中产生的微量空气；为了达到导电性能好。开断能力大、抗熔焊能力高、截流水平低等较佳的综合技术指标，动、静触头采用了多元铜合金材料；为了提高波纹管的质量与寿命，采用了大口径波纹管，并在波纹管封装时采用了预拉伸技术。
图18－20 中央传动机构箱 1－箱体；2－支持瓷瓶；3－真空灭弧室；4－动触头杆；5、6－弹簧；7、8－连杆；9－绝缘杆。 （二）中央传动机构箱 TDV3型真空断路器用两个真空灭弧室串接成双断口结构型式，以保证断路器具有较高的耐压能力和灭弧能力。两个动触头杆由中央传动机构箱控制。中央传动机构箱的结构如图18—20所示。 当绝缘推杆9上移时，连杆7、8将向上的推力分解成左、右方向的推力，推动两个动触头向各自的静触头移动并闭合。当绝缘杆下移时，两动触头运动方向与上述相反，使动、静触头分离。 弹簧6保证了动触头有一定的超程。弹簧5为缓冲弹簧组，合问时，此弹簧吸收和缓和合问时的冲击能量，抑制合问时的触头弹跳；分闸时，分闸弹簧的拉力和缓冲弹簧的复位力共同作用，保证分闸速度快、动作稳定、工作可靠的动作要求，抑制分问时触头的弹跳。 （三）气动操作机构 气动操作机构垂直安装在支持瓷瓶底座下方，其作用是控制绝缘杆的上升与下降，进而完成断路器的合闸与分闸，如图18—21所示。正常情况下，联杆7因弹簧及自重作用而下降，被锁扣8锁定。当合闸风缸1充风时，活塞杆上移，将滚子3沿拐臂垂直边上推，使主控制杆4逆时针方向转动，推动绝缘杆5上升，实现合闸，同时使控制联锁转换。
图18－21 气缸操作机构 1－合闸风缸；2－拐臂；3－滚子；4－主控制杆；5－绝缘杆； 6－空气缓冲器；7－联杆；8－锁扣；9－构架；10－拨杆；11－分闸电磁铁。 当分闸电磁铁11得电时，其衔铁撞击拨杆10，拨动锁扣 8使联杆7脱扣，拐臂2逆时针转动，滚子3下降，分闸弹簧的拉力通过主控制杆4使绝缘杆 5下移，实现分闸，并使控制联锁转换。 四、动作原理 （一）合闸过程 合闸过程如图18—22（a）所示。正常情况下，联杆6因弹簧及自重的作用而下降，被锁扣8锁定。拐臂5的直角边分别为水平和垂直状态，为滚子16提供了一个垂直的轨道。 当合闸指令发出后，电空阀15得电动作，给合闸风缸9充风，活塞杆上移，推动滚子16沿拐臂5的垂直边上移，推杆4使主轴驱动杆2和主轴转动杆1以主轴A点为支点逆时针方向转动。一方面，分闸弹簧3拉伸储能；另一方面，推动绝缘杆12向上运动，带动连杆分别向左、右运动，压缩弹簧13，使灭弧室中动、静触头闭合。 与此同时，辅助开关17动作，其常闻联锁断开合闸电空阀电路，为分闸作好准备。
图18－22 真空断路动作原理 (a)合闸过程；(b)分闸过程；(c)自由脱扣过程。 1－主轴转动杆；2－主轴驱动杆；3－分闸弹簧；4－推杆；5－拐臂；6－联杆；7－拨杆；8－锁扣； 9－合闸风缸；10－分闸电磁铁；11－连杆；12－绝缘杆；13－弹簧；14－真空灭弧室； 15－合闸电空阀；16－滚子；17－辅助开关；18－空气缓冲阀。 （二）分闸过程 分闸过程如图18—22(b)所示。当分闸指令发出后，分闸电磁铁10得电动作，衔铁撞击拨杆7，拨动锁扣8使联杆6脱扣，拐臂逆时针转动，滚子16下降，在分闸弹簧3的拉力作用下，使主轴驱动杆2和主轴转动杆1以主轴A点为支点顺时针方向转动，拉动绝缘杆12向下运动，通过连杆使灭弧室中动、静触头断开。 与此同时，辅助开关17动作，分闸电磁铁失电，联杆6在滚子落下后，在自重及弹簧作用下，自动恢复到锁定状态，拐臂5也恢复到原始位置，分闸过程结束，为合闸作好准备。 在分、合闸过程中，空气缓冲器18起减小分、合闸过程中冲击和振动的作用。 （三）自由脱扣过程 所谓自由脱扣，就是指真空断路器在合闸过程中，同时接到分闸指令时，合闸过程立即中止而去完成分闸过程。其动作过程如图18－22(c)所示。 当合闸指令发出后，合闸电空阀15得电，合闸风缸充风，活塞上移，推动滚子16上步。若此时接到机车的分问信号，分闸电磁铁动作，衔铁撞击拨杆7使联杆6脱扣，在分闸弹簧3的作用下，拐臂5逆时针转动，滚子16下降，断路器进行分闸过程，而无法合闸。 第五节 转换开关 一、概述 在韶山系列电力机车上，SS1型、SS3型、SS3B型电力机车采用的是TKH3－500／1500型转换开关，SS4型电力机车采用的是TKH4-840／1000型转换开关，SS8型电力机车采用的是TKH4-970／1000型转换开关。各型转换开关的工作原理和结构基本相同：每台转换开关控制两台牵引电机；每台转换开关由换向鼓和牵引制动鼓两大部分组成；每个转鼓各有两个工作位置，即“向前”位和“向后”位，“牵引”位和“制动”位。因为这两个转换开关均具有两个工作位置，所以又称该开关为两位置转换开关。 转换开关的作用有两个：换向鼓用于改变机车运行方向，所以又称反向鼓；牵引制动鼓用于实现机车牵引工况与电阻制动工况之间的转换。 TKH4A－970／1000型转换开关由TKH4－840／1000型转换开关派生而成，本节主要介绍SS8型电力机车采用的TKH4A－970／1000型转换开关。 二、主要技术参数 额定电压………………………………………………………………DC1000 V 额定电流…………………………………………………………………DC970 A 主触指单个统压力……………………………………………………39～49 N 主触指接触线长度………………………………………………………≥14 mm 主触指超程………………………………………………………………2～3 mm 联锁触头额定电压………………………………………………………DCll0 V 联锁触头额定电流………………………………………………………DC10 A 传动气缸额定风压………………………………………………………490 kPa 传动气缸工作风压………………………………………………375～650 kPa 气缸活塞行程………………………………………………………（44±1）mm 三、结构及主要部件的作用 TKH4A型转换开关安装于机车高压电器柜的下部，由骨架、转鼓、触指杆、传动气缸、联锁触头等组成，外形结构如图18—23所示。 （一）骨架 骨架由底板1、面板6、支柱2及套在支柱上的环氧玻璃市管11等组成。底板和面板上都焊有角钢，用来安装触指杆（静触头组）5，尼龙轴套15用来安装反向鼓及牵引制动鼓。反向鼓及牵引制动鼓用连接板组合在一起。
图18－23 TKH4A型转换开关外形结构 1－底座；2－支柱；3－牵引制动鼓；4－反向鼓；5－触指杆；6－面板；7－传动气缸；8－拨叉； 9－销；10－电空阀；11－环氧玻璃布管；12－凸轮；13－联锁触头；14－槽钢；15－尼龙轴套。 （二）转鼓 转鼓又称作转换开关的动触头组，分为反向鼓和牵引制动鼓，它们的结构形式基本相同，仅组装在转轴上触片的安装排列位置及绝缘垫圈长度不同，如图18—24所示。它由转轴、绝缘垫圈、触片、手柄、凸轮等组成。转轴1由方钢制成，在其下端有一挡圈，通过定位销固定在转轴上。动触片、绝缘垫圈、凸轮与转轴的动作同步。
图18－24 反向鼓和牵引制动鼓外形图 (a)反向鼓；(b)牵引制动鼓。 1－转轴；2－凸轮；3、9－长短不同的绝缘垫圈；4、5－触片(动触头)；6－手柄座；7－压紧螺母； 8－手柄座；10－转动鼓绝缘。 触片（动触头）4、5形状基本相似，仅有左右之分，它由“T”形钢片做成弧形，用埋头螺钉安装在与转轴固定的转鼓上，如图18—25所示。
图18—25 触片（动触头）组装 1-胶木座；2-触片。 动触片间间隔套装有长短不同的绝缘垫圈。绝缘垫圈的长度由额定电压等级所决定，其作用是使触片（动触头）之间保持有一定的绝缘距离，使开关工作安全可靠。 凸轮2属于联锁触头的一部分，用于控制联锁触头的开闭。 正常情况下，由传动装置控制反向鼓和牵引制动鼓转轴的动作；当传动装置发生故障、手动检查转换开关、调整触头之间的触头压力和接触线时，可手动操作手柄8，使反向鼓或牵引制动鼓的转轴转动。 （三）触指杆（静触头组） 触指杆即转换开关的静触头组，由一块环氧玻璃布板和若干组触指杆装配而成，如图18—26所示。 触指杆（静触头组）有左右之分，安装于骨架的面板和底板的角钢上。每组静触头由两个触指并联工作，其上装有触指弹簧4，借以获得一定的触头超程和终压力，保证与动触片间有良好的电接触。螺母6用于调节转换开关的静触指与转鼓上动触片之间的接触压力，压力调整好后，用双螺母锁紧，使压力保持不变。调整螺栓3用来调节触指2的超程。接线板10用于对外与主电路相连接。 （四）传动装置 两位置转换开关采用双活塞气缸传动装置传动，它由电空阀、传动气缸、转轴、转鼓等组成。传动气缸结构如图18—27所示。
图18—26 触指杆 1-环氧玻璃布板；2-触指；3-调整螺栓；4-弹簧； 5、6-螺杆、螺母；7-螺栓；8-触指座；9-软连接；10-接线板。
图18—27 传动气缸 1-气缸盖；2-密封垫；3、4、5-螺栓、螺母及垫圈；6-皮碗； 7-活塞；8-活塞杆；9-气缸体；10-管接头；11-毛毡。 两位置转换开关传动原理用图18—23说明。由TFK1B型电空阀控制的压缩空气推动气缸内活塞左右移动，通过在活塞杆上开有的槽和孔，使销9插人活塞杆孔内，装于转轴上端的拨叉8卡住销9，这样气缸中活塞杆的左右运动就转变为转轴工转鼓的转动，并带动动触片动作，使反向鼓得到“向前”和“向后”，牵引制动鼓得到“牵引”和“制动”两个工作位置。在开关完成转换工作的同时，装于转轴上的凸轮及装于底板上的联锁触头13也进行着转换，开断和闭合控制电路中相应的联锁触点，使转换开关不会自动转换为非工作状态。 双活塞气缸传动装置转轴的转角大小决定于传动气缸的活塞行程。这一系统必须进行气缸的气密性能试验，试验合格后才能安装到转换开关上去。 （五）联锁触头 联锁触头用于控制有关联锁电路，安装在转换开关的底板上（见图18—23中A—A剖面图）。TKH4A－970／1000型转换开关采用TKY1型盒式联锁触头，如图18－28所示。它为单件滚轮推杆双断点桥式结构，由有机玻璃外壳、推杆4、滚轮7、反力弹簧3及封闭在外壳内的桥式触头组成，具有联锁灵活，防污性好，接触可靠等优点。通过透明的有机玻璃外壳，可以方便地观察触头的开闭情况。
图18－28 联锁触头结构示意图 1-盖板；2-动触桥；3-反力弹簧；4-推杆；5-触头座；6-静触头；7-滚轮；8-轴。 联锁触头的开闭由凸轮控制。当凸轮的凸出部分推动滚轮时，推杆压缩反力弹簧，使触桥与静触头闭合；反之，触头断开。 四、动作原理 转换开关借助电空阀控制压缩空气，带动转轴、动触片动作，利用动触片在不同的位置与静触指构成不同电路，改变机车主电路。 1.换向原理
图18—29 换向原理示意图 （a）牵引电动机接线原理图；（b）动主触片展开图。 1、2、3、4-静主触头；A、B-动主触片。 机车的正反向运行是通过改变牵引电动机励磁绕组中电流的方向来达到的，如图18—29所示。在向前位时，图（b）中的静触指1与2、3与4分别在动触片A、B上，即1与2、3与4分别沿触片A、B的垂直方向接通，图（a）中的常闭触头闭合，此时，牵引电动机电枢绕组与励磁绕组电流同向，机车向前运行。转轴带动动触片转动到向后位时，图（b）中的静触指2与4、1与3分别在动触片A、B上，即2与4、1与3分别沿动触片A、B的水平方向接通，图（a）中的常开触头闭合，常闹触头断开，这就在牵引电动机电枢绕组电流方向不变的情况下改变了牵引电动机励磁绕组中的电流方向，机车向后运行。 2.牵引制动转换原理 机车的牵引制动工况转换是通过改变牵引电动机励磁绕组接线方式来实现的，如图18—30所示。
图18—30 牵引制动转换原理示意图 （a）牵引电动机接线原理图；（b）动主触片展开图。 1、4、5、6、7、8-静主触头；C、D-动主触片。 机车在牵引状态时，图18—30（b）中的静触指6与1、5与4分别在动触片C、D上，即6与l、5与4分别沿动触片C、D的垂直方向接通，(图a)中的常闭触头闭合，此时，牵引电动机电枢绕组与励磁绕组串联，作电动机运行。转轴带动动触片转动到向后位时，(图b）中的静触指6与7、8与4分别在动触片CD上，即6与7、8与4分别沿动触片C、D的水平方向接通，图（a）中的常开触头闭合，常闭触头断开，此时，牵引电动机电枢绕组与制动电阻串联，励磁绕组与其他牵引电动机的励磁绕组串联，构成独立的励磁回路，牵引电动机作发电机运行，机车由牵引工况转换为电阻制动工况。 第六节 司机控制器 一、概述 司机控制器是司机用来操纵机车运行的主今电器，它通过控制电力机车控制电路中的电器，间接控制主电路的电气设备，使司机能安全、方便地操纵机车。 为便于双端操作，在机车的I、H端司机室各装有一台结构完全相同的主司机控制器；同时，为了便于调车作业，在I、11端司机室靠近司机座位侧窗下各装有一台结构完全相同的辅助司机控制器，又名调车控制器。
图18－31 TKS14B型主司机控制器 1-手轮；2-手柄；3-凸轮；4-凸轮；5-定位凸轮；6-凸轮架；7-凸轮块； 8-辅助触头盒；9-电位器；10-插座；11-主轴；12-转换轴；13-锁柱。 SS4改型电力机车采用的是TKS14A(T-铁路机车用;K-控制器；S-司机；14-设计系列号；A-设计序号)型主司机控制器和TKS15A型调车控制器，SS8型电力机车采用的是TKS14B型主司机控制器和TKS15B型调车控制器。两种型号机车的控制器基本相似，本节只介绍 SSS型电力机车采用的司机控制器。 二、TKS14B型司机控制器 （一）主要技术参数 额定电压…………………………………………………………………DCll0 V 额定电流…………………………………………………………………… 5 A 触头开距………………………………………………………两断点之和j4mm 触头超程………………………………………………………………0 5～lmm 触头晚压力………………………………………………………………ZX10 N 手柄操作力………………………………………………………………＞50 N （二）结构及主要部件作用 主司机控制器和调车控制器从结构来看都属于凸轮控制器，与鼓形控制器不同的是，它的凸轮是由凸轮架和凸轮块拼装而成，因而每一个凸轮的凸凹形状可根据控制需要而改变。 TKS14B型司机控制器由上层、中上层、中下层和下层4部分构成，各层之间由钢板隔开，并由6方支柱支撑：左右两侧装有主轴11和转换轴12，主轴用于调节机车的速度，换向轴用于控制机车的运行状态及方向，如图18—31所示。 该控制器的上层为主司机控制器的面板，如图18－31的A向图，其上有手轮1，手柄2；中上层主要为机械联锁装置，包括作为联锁用的凸轮组3（B—B剖面）、凸轮组4（A—A剖面）。定位用的凸轮组5（C—C剖面）及锁柱13；中下层包括作为控制用以实现电逻辑要求的凸轮架6和安装在其上的凸轮块7，以及辅助触头盒8（见图18－31的D—D剖面）；下层主要有电位器9及接线插座10。 电位器9固定在主轴上，它为塑料导电膜电位器。辅助触头盒8由两根档棍固定，其接触元件为双断点桥式常闭型结构，具有自润滑功能。 根据触头闭合表的需要，手轮可在“牵引”区域或“制动”区域内操纵主轴转动，与此同时，带动电位器9随主轴一起转动，电位器“1”、“2”端输出电压的大小随之改变，该电压被作为机车电路的指令来决定电机的转速，最终达到调节机车速度的目的。主轴转动 时，自“0”位开始可顺时针方向或逆时针方向各转动150°：顺时针方向0°～15°区域为“0”位区，在此区域内，司机控制器无输出（即电位器 1、2端电压约为0V），15°~150°区域为牵引”区域；同理，逆时针方向0°～15°区域为“0”位区，司机控制器无输出，15°～150°区域为“制动”区域。 主轴上装有10层凸轮架，其中7层为备用层，另3层根据主轴触头闭合表的要求，在凸轮架上安装相应的凸轮块。凸轮架上，装有凸轮块的地方形成凸缘，无凸轮块的地方形成四槽。主轴下方对应安装有辅助触头盒，当主轴转动到凸缘对准辅助触头盒的杠杆时，该辅助触头盒的触点断开，当主轴转动到凹槽对准辅助触头盒的杠杆时，辅助触头盒的触点闭合。转换轴与主轴的结构及控制方式相似，其备用层只有5层，凸轮块的位置和形状根据转换轴触头闭合表的要求设计和布置。 换向轴共有“后”、“0”、“制”、“前”4个位置，这4个位置由机械联锁装置中定位凸轮来定位。 （三）控制原理 1.机械联锁关系 司机借助手轮1及手柄2实现对司机控制器的操作。手轮1固定在面板上，手柄为可取式（钥匙式），利用面板上限位器的缺口，保证只有当转换轴处于“0”位时才能将手柄插人或取出。手柄同时又是调车控制器（TKS15B型）的手柄。同样，利用调车控制器面板上限位器的缺口，保证只有当调车控制器的主轴处于“取”位时，手柄才能插人或取出。这样，整台机车的主司机控制器和调车控制器共用一个活动手柄，从而保证了机车在运行中，司机只能操作一台司机控制器，其余3台均被锁在“0”位或“取”位，不致引起电路指令发生混乱。 为了防止司机可能产生的误操作，确保机车设备及机车运行安全，司机控制器的手轮与手柄之间设有机械联锁装置，它们之间的联锁要求如下： （1）手柄在“0”位时，手轮被锁在“0”位不能动作； （2）手柄在“前”或“后”位时，手轮可在“牵引”区域转动； （3）手柄在“制”位时，手轮可在“制动”区域转动； （4）手轮在“0”位时，手柄可在“0”、“前”、“后”、“制”各位间任意转动； （5）手轮在“牵引”区域时，手柄被锁在“前”位或“后”位； （6）手轮在“制动”区域时，手柄被锁在“制”位。 上述机械联锁要求是由机械联锁装置来实现的。机械联锁装置主要由凸轮3、4及锁柱构成（见图18—31中B——B、A——A视图）。 2.触头闭合表要求的实现 电逻辑即闭合表的要求是由主轴、转换轴、辅助触头盒及电连接来实现的，它们的结构分别如图18—32、图18—33、图18—34所示。
图18—32 主轴组装
图18—33 转换轴组装
图18—34 辅助触头盒 1-触头盒体和盖；2-触头弹簧；3-恢复弹簧；4-杠杆； 5-动触头；6-静触头；7-接线片；8-软连接。 图18—31的D—D视图中的凸轮架上装有凸轮块。当转动手轮时，主轴、凸轮架随之转动，当凸轮块的位置转动到辅助触头盒的杠杆位置时，杠杆受到凸轮块的挤压而将与其连动的动触头顶开，此时，与该辅助触头盒相连的控制线失电；当主轴转动到辅助触头盒杠杆处的凸轮架上无凸轮块时，由于辅助触头盒恢复弹簧的作用，辅助触头盒的触点闭合，这样，与该辅助触头盒相连的控制线得电。利用此原理，可根据电路原理图上司机控制器各控制线得、失电情况，在主轴、转换轴的凸轮架上布置相应的凸轮块（见图18—32中主轴凸轮块展开图、图18—33中转换轴凸轮块展开图）以满足要求。 这种结构非常灵活、方便。对于不同型号的机车，可能有不同的闭合表要求，但使用这种系列司机控制器，不需要重新设计新的凸轮来满足不同闭合表的要求，只需要将凸轮块的位置按照各种闭合表的要求重新拼装即可。所以，这种结构是司机控制器系列化、通用化较理想的结构。 3.电位器的调节 手轮调速主要是通过调节电位器输出电阻的大小来实现的。 该型司机控制器采用的是塑料导电膜，其电阻分配如图18—35所示。图中，135“区域为有效电气角度，30°区域的出线端子为“3”端，60°区域的出线端为广端，135°区域为“2”端。在135°区域内有一个固定电阻与一个均匀分布的同样大小的可调电阻。电气原理图如图18—36所示。
图18—35 电位器电阻分布示意图
图18—36 电位器原理图 图18—36中的电阻代表的是“牵引”区域或“制动”区域的单边电阻，两边的结构以“0”位为中心对称。电位器安装到主轴上时，应保证其30°“0”位区与司机控制器面板上标牌所标明的“牵引”、“制动”之间的“0”位区一致。调节步骤如下： （1）电位器“3”端接地，“1”端加15V直流电压，然后测量“1”、“2”端电压。 （2）调整电位器轴，使“1”、“2”端电压在手轮处于“牵引”“0”位和“制动”“18”位时，均不超过0.1V。 （3）拧紧紧定螺钉，并涂上红油漆防止松动。 三、TKS15B型调车控制器 TKS15B型调车控制器总装如图18—37所示。 TKS15B型调车控制器在结构及原理上与TKS14B型司机控制器基本相似。所不同的是，TKS15B型调车控制器只有一根轴，手柄共有“取”、“向后”、“取”、“向前”4个位置。
图18—37 TKS15B型调车控制器总装 1-限位器；2-手柄；3-主轴；4-电位器； 5-辅助触头盒；6-凸轮架；7-定位凸轮；8-插座。 “取”位即为调车控制器的机械“0”位。手柄只能从“取”位插人或取出。它的电位器同TKS14B型司机控制器。但其限位器限制了手柄在“向前”或“向后”转动的最大范围为75°，加上分压电阻（见图18—39）的作用，限制了司机操作控制器最大只能到6级。辅助触头闭合表要求如图18—38所示，它是通过主轴（见图18—40）上的凸轮块相应的配置来达到要求。电位器的调节同TKS14B型主司机控制器。
图18—38 辅助触头组及闭合表
图18—39 电位器与分压电阻连接原理图
图18—40 调车控制器主轴组装 小 结 本章所介绍的电器都是电力机车上作用比较重要，结构较为复杂的主要电器。对受电弓而言，应在了解其结构的基础上，掌握受电的升、降弓过程及其特点。 对于主断路器，要了解结构中各部件的结构及工作原理，从而掌握主断路器的分闸、合闸工作过程。 对于转换开关，要了解其作用及基本结构，并要看懂由转鼓展开图而形成的触头闭合表。 司机控制器是对机车发出指令的电器，应掌握换向、调速控制各工作位的作用，机械联锁装置的作用并能看懂由凸轮装置而形成的触头闭合表。 复习思考题 1、说明单臂受电弓的结构和主要部件的作用？ 2、说明单臂受电弓的升、降弓过程及特点。 3、TSG1型高压连接器有什么作用？说明其结构和主要部件的作用。 4、高压连接器连接和分离的原理是什么？ 5、说明主断路器的结构和主要部件的作用。 6、说明主断路器的分、合闸动作过程。 7、说明改进后的起动阀和主阀的结构和动作原理。 8、说明真空断路器的结构和主要部件的作用。 9、司机控制器的换向手柄和调速手轮各有哪几个工作位置？各工作位置有什么作用？ 10、说明司机控制器换向手柄和调速手轮之间有哪些联锁要求？