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空气主断路器与真空主断路器特性比较

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西安铁路职业技术学院毕业设计
摘 要

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。
本文通过对空气断路器和真空断路器的研究。分析了空气断路器和真空断路结构组成和动作原理，从使用寿命的长短及检修周期出发，讨论了空气断路器和真空断路器工作参数和常规检测方法。其次，在分析理论的基础上，结合实际工作环境，详细介绍了空气断路器和真空断路器的工作条件。最后文章根据断路器的工作特点及系统性能要求，结合真空断路器、空气断路器的特点参数，对比得出：与空气断路器相比，真空断路器具有结构简单、工作可靠、动作速度快、绝缘强度高、维修方便等优点。

关键字：空气断路器 真空断路器 动作原理 常规检测

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目 录
摘 要 I
引 言 1
1 断路器的概述 2
1.1 基本概念 2
1.2 开断过程 2
1.3 基本结构及特性 2
1.4 断路器分类 3
2 空气断路器与真空断路器结构比较 4
2.1 空气断路器结构 4
2.2 真空断路器结构 5
2.3 动作原理 6
3 工作原理及参数比较 9
3.1 空气断路器工作原理 9
3.2 真空断路器工作原理及作用 11
3.4 参数比较 14
4 空气断路器具体介绍 15
4.1空气断路器主要附件 15
4.1.1内部附件 15
4.1.2外部附件 16
4.2 空气断路器工作条件 18
4.3 国家标准 18
5 真空断路器具体介绍 19
5.1国内主要依据标准 19
5.2 技术参数 20
5.3机械特性 20
5.4开距 21
5.4.1触头接触压力 21
5.4.2接触行程 22
5.5 分、合闸 22
5.5.1 平均合闸速度 22
5.5.2 平均分闸速度 22
5.5.3 合闸弹跳时间 23
5.5.4 合、分闸不同期性 23
5.5.5 合、分闸时间 23
5.6 回路电阻 23
5.7 开关设备 24
5.7.1 开关柜介绍 24
5.7.2 开关柜常见分类 24
6 空气断路器与真空断路器常规检测 24
6.1 空气断路器检测 24
6.2 真空断路器检测 24
总 结 26
致 谢 27
参考文献 28

-29
引 言
真空断路器处于合闸位置时，其对地绝缘由支持绝缘子承受，一旦真空断路器所连接的线路发生永久接地故障，断路器动作跳闸后，接地故障点又未被清除，则有电母线的对地绝缘亦要由该断路器断口的真空间隙承受；各种故障开断时，断口一对触子间的真空绝缘间隙要耐受各种恢复电压的作用而不发生击穿。因此，真空间隙的绝缘特性成为提高灭弧室断口电压，使单断口真空断路器向高电压等级发展的主要研究课题。
空气开关也就是断路器，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。断路器的动、静触头及触杆设计成平行状，利用短路产生的电动斥力使动、静触头断开，分断能力高，限流特性强。空气断路器是利用压缩空气把电弧拉长吹灭进行灭弧的，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，具有结构简单、工作可靠、动作速度快、绝缘强度高、维修方便等优点。采用真空断路器可以彻底避免以往空气断路器灭孤室瓷 瓶爆炸，非电性电阻瓷瓶爆炸，隔离开关轴折断、主阀卡位漏风、控制线圈烧损等惯性故障，减少机车事故，保证铁路运输安全。同时可延长主断路器的检修周期， 减少维修工作量，降低检修成本。TDV3型真空断路器机械寿命达4万次以上。

1 断路器的概述
1.1 基本概念
断路器（英文名称：circuit-breaker，circuit breaker）是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。
主要用途是接通或断开电路，在电力系统中起保护和控制作用。电力系统对断路器的基本要求是具有足够的开断能力和尽可能短的切断时间，保证系统中无故障部分的正常运行。
1.2 开断过程
当断路器接到分闸指令后，传动机构带动绝缘拉杆使可分触头机械分离，开始燃弧，灭弧装置内的绝缘介质使电弧熄灭，主电路断开（如图示1.1）。

图1.1 开断过程
1.3 基本结构及特性
断路器由导电回路、可分触头、灭弧装置、绝缘部件、底座、传动机构、操动机构组成，断路器的核心部件是灭弧装置和操作机构。
断路器的特性主要有：额定电压Ue；额定电流In；过载保护（Ir或Irth）和短路保护（Im）的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流（工业用断路器Icu；家用断路器Icn）等。
额定工作电压（Ue）：这是断路器在正常（不间断的）的情况下工作的电压。
额定电流（In）：这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。
短路继电器脱扣电流整定值（Im）：短路脱扣继电器（瞬时或短延时）用于高故障电流值出现时，使断路器快速跳闸，其跳闸极限Im。
额定短路分断能力（Icu或Icn）：断路器的额定短路分断电流是断路器能够分断而不被损害的最高（预期的）电流值。标准中提供的电流值为故障电流交流分量的均方根值，计算标准值时直流暂态分量（总在最坏的情况短路下出现）假定为零。工业用断路器额定值（Icu）和家用断路器额定值（Icn）通常以kA均方根值的形式给出。
短路分断能力（Ics）：断路器的额定分断能力分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力两种。
1.4 断路器分类
按安装地点可分为户内式和户外式两种 。
按灭弧介质不同分为：油断路器（多油断路器和少油断路器）、压缩空气断路器、真空断路器、SF6断路器。由于油断路器开断速度慢且容易引起火灾，压缩空气断路器噪声大，运行费用高，已逐渐被淘汰，真空和SF6断路器是应用最广泛的开关电器。
按电压等级分为中压断路器（35KV-66KV）、高压断路器（126KV-363KV）、超高压断路器（550KV-800KV）和特高压断路器(800KV-1100KV），目前断路器的最高电压是1100KV。
按操作方式分：有电动操作、储能操作和手动操作；
按结构分：有万能式和塑壳式；
按使用类别分：有选择型和非选择型；
按灭弧介质分：有油浸式、六氟化硫、真空式和空气式；
按动作速度分：有快速型和普通型；
按极数分：有单极、二极、三极和四极等；
按安装方式分：有插入式、固定式和抽屉式等。

2 空气断路器与真空断路器结构比较
2.1 空气断路器结构
空气断路器所有部件分上下两部分装在铸铝制成的底板上。底板安装在机车顶盖上，用密封圈使底板同顶盖间密封。露在车顶上的为高压部分，主要有灭弧室、非线性电阻、支持绝缘子、隔离开关和转动绝缘子等部件；装在底板下部的为低压部分，主要有储气缸、主阀、延时阀、传动气缸、起动阀、分闸电磁铁、合闸电磁铁、辅助触头和定位机构等部件。它的结构特点是机车气源充足，容易实现频繁的操作；开断能力大，燃弧时间短，动作快；无火灾危险；结构复杂，加工和装配要求高；由于开短能力太大，在开断小电感电流时容易产生截流过电压，为抑制截流过电压，常采用在主触头间并联非线形电阻的办法；由于隔离开关的开断噪音和压缩空气吹灭电弧时的噪音都很大，使得它操作时噪音很大。
空气断路器除了触头等主要的零部件外，还有外罩用于防止外界脏物污染触头；缓冲垫，用来缓和动主触头开断时触头弹簧对挡圈的撞击；而且空气断路器的灭弧室介质为空气，气路回路多，容易产生故障，机车每次行驶三个月就要进行库检，拆下来修一次，也要一，两天的时间
空气断路器的灭弧室结构如图2.1所示：

图2.1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。
2.2 真空断路器结构
真空断路器由底座将其分为上部高压部分和下部低压部分。高压部分包括真空灭弧室、中央传动机构箱、水平瓷瓶、至迟瓷瓶、绝缘推杆和接地开关静触头等，组成Ｔ形结构。低压部分包括操作机构、合闸电空阀、分闸电磁铁、辅助开关、计数器、过滤器、插座、箱体等。Ｔ形高压部分位于机车顶部，操作机构位于机车内部，它们之间通过支持瓷瓶和绝缘杆将高压部分和操作机构隔离开，以保证机车的安全。
真空灭弧室结构如图2.2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。
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。这一系列的措施可以使真空断路器可以彻底避免以往空气断路器灭孤室瓷 瓶爆炸，非电性电阻瓷瓶爆炸，隔离开关轴折断、主阀卡位漏风、控制线圈烧损等惯性故障，减少机车事故，保证铁路运输安全。同时可延长主断路器的检修周期， 减少维修工作量，降低检修成本。

图2.2 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。
原理结构真空断路器利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质，真空灭弧室由外壳、波纹管、屏蔽罩、触头构成，触头是真空灭弧室内最为重要的元件，决定其开断能力和电气寿命，一般用铜铬合金制成。真空断路器按照安装方式可分户外和户内，操作机构有电磁操动机构和弹簧操动机构两种。
性能特点：真空断路器可连续多次操作，开断性能好；灭弧迅速，开断时间短；灭弧室的机械寿命和电气寿命都很高，运行维护简单，灭弧室不需要检修，但开断电流及断口电压不易做得很高，开距小，不能用于大电流的开断，所以只局限于10KV-35KV电路的开断。

2.3 动作原理

空气断路器动作前储风缸要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。而真空断路器就不需要专门储风缸，它是靠电空阀和电磁铁控制闭合的，只要列车正常运行，就会有充足的气源供给。也因此不会像空气断路器那样结构复杂，容易出现故障。

（1）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。
（2）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。
合闸过程如图2.3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2.3 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。
分闸过程
分闸过程如图2.3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。
（3）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3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闸信号，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。而空气短路器就没有这个功能，它是在第一个动作作完以后才能再一次为下一次动作作好准备，进而才能够完成下一个动作，所以真空断路器相对空气断路器更加方便实用。
通过动作完成过程我门可以看到，真空断路器是靠机械动作完成开断的，动作稳定可靠，不存在由于气压不稳定而造成的升不起弓现象，它也减去了隔离开关，它依靠机械运动完成分断，因此它的动作速度快，动作可靠。

3 工作原理及参数比较
3.1 空气断路器工作原理
短路时，静触头周围的芳香族绝缘物气化，起冷却灭弧作用，飞弧距离为零。断路器的灭弧室采用金属栅片结构，触头系统具有斥力限流机构，因此，断路器具有很高的分断能力和限流能力。 具有复式脱扣器。反时限动作是双金属片受热弯曲使脱扣器动作，瞬时动作是铁芯街铁机构带动脱扣器动作。脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。空气开关内部比较精密，原理却甚为简单。它在入线和出线间串了个10几20圈的电感电流足够时吸合带动机械杠杆而动作保护。比较安全又不用换保险，是很好的推荐。
自动空气开关也称为低压断路器，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。
   自动空气开关具有多种保护功能(过载、短路、欠电压保护等)、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。
结构和工作原理
自动空气开关由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。自动空气开关工作原理图如图所示。

图3.1自动空气开关工作原理
1-主触点     2-自由脱扣机构     3-过电流脱扣器     4-分励扣器脱
5-热脱扣器     6-欠电压脱扣器     7-停止按钮
自动空气开关的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构
作，使主触点断开。
分励脱扣器：是一种用电压源激励的脱扣器，它的电压可与主电路电压无关。分励脱扣器是一种远距离操纵分闸的附件。当电源电压等于额定控制电源电压的70％-110％之间的任一电压时，就能可靠分断断路器。分励脱扣器是短时工作制，线圈通电时间一般不能超过1S，否则线会被烧毁。塑壳断路器为防止线圈烧毁，在分励脱扣线圈串联一个微动开关，当分励脱扣器通过衔铁吸合，微动开关从常闭状态转换成常开，由于分励脱扣器电源的控制线路被切断，即使人为地按住按钮，分励线圈始终不再通电就避免了线圈烧损情况的产生。当断路器再扣合闸后，微动开关重新处于常闭位置。但万能式DW45产品在出厂时要由用户在使用时在分励脱扣器线圈之前串联一组常开触头。
分励脱扣器属于电磁脱扣部件的1种，通过外加电信号完成断路器受控脱扣的功能。如消防状态需要切断正常供电回路，通过24VDC信号施加在断路器的分励脱扣器线圈上，使断路器分断。
断路器与分励脱扣器可以是一体的，也可以是组合装配的。
短路脱扣、漏电脱扣、分励脱扣都属于电磁脱扣原理。
3.2 真空断路器工作原理及作用
真空断路器处于合闸位置时，其对地绝缘由支持绝缘子承受，一旦真空断路器所连接的线路发生永久接地故障，断路器动作跳闸后，接地故障点又未被清除，则有电母线的对地绝缘亦要由该断路器断口的真空间隙承受；各种故障开断时，断口一对触子间的真空绝缘间隙要耐受各种恢复电压的作用而不发生击穿。因此，真空间隙的绝缘特性成为提高灭弧室断口电压，使单断口真空断路器向高电压等级发展的主要研究课题。
绝对压力低于一个大气压的气体稀薄的空间，称为真空空间，真空度越高即空间内气体压强越低。真空度的单位有三种表示方式:托(即1个mm水银柱高)，毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1托=131。6Pa，1毫巴=100Pa)我们通常所说真空灭弧室内部的真空度要达10-4托是指灭弧室内的气体压强仅为"万分之一mm水银柱高"，亦即是1。31x10-2Pa。
"派森定理"亦有译为"巴申定律"，是指间隙电压耐受强度与气体压力之间的关系。派森定理的关系曲线呈"V"字形，即充气压力的增加或降低，都能提高极间间隙绝缘强度。其击穿机理至今还不清楚，因为真空灭弧室内部真空度高于10-4托，这样稀薄空气的空间，气体分子的自由行程为103mm，在真空灭弧室这么大小的容积内，发生碰撞的机率几乎是零。因此不会发生碰撞游离而使真空间隙击穿。派森定理的"V"形曲线是实验得出的，条件是在均匀电场的情况下，其间隙击穿电压Uj可表示为:
　　　　　　　　 Uj=KLa
　　　　　　L------间隙距离；
　　　　　　a------间隙系数(间隙<5mm时a=1，>5mm时，a=0。5)
由派森定理的"V"形关系曲线中看出，当真空度达103托时出现拐点，拐点附近曲线变得平坦，击穿电压几乎无变化。
当真空度和间隙距离相同时，其击穿电压则随触头电极材料发生变化，电极材料机械强度高，熔点高时，真空间隙的击穿电压亦随之提高。
前面已说过，在真空灭弧室这样高度真空度的空间内，气体分子的自由行程很大，不会发生碰撞分离而使真空间隙在高压电作用下会击穿又是客观存在，于是就有种解释真空绝缘会破坏的机理，场致发射引起击穿，微块引起击穿和微放电导致击穿。
间隙电场能量集中，在电极微观表面的突出部分发生电子发射或蒸发逸出，撞击阳极使局部发热，继续放出离子或蒸汽，正离子再撞击阴极发生二次发射，相互不断积累，最后导致间隙击穿。著名的Fowler and Noraheim场发射电流I表达式为:
　　　　　　　I=AE2e-B/E
　　　　　　式中　E------电场强度；
　　　　　A------常数，与发射点的面积有关
　　　　B------常数，与电极表面的逸出有关
在小的间隙(<1mm)及短脉冲电压情况下，可以合理地认为真空间隙击穿是由场致发射引起的，但在长间隙及连续加压与长脉冲电压下，有的学者认为真空的击穿尚存在其它机理:
(1)阴极引起的击穿；在强电场下，由于场发射电流的焦耳发热效应，使阴极表面突出物的温度升高，当温度达到临界点时，突出物熔化产生蒸汽引起击穿。
(2)阳极引起的击穿:由于阴极发射的电子束，轰击阳极使某点发热产生熔化和蒸汽而发生间隙击穿。产生阳极引起击穿的条件与电场提高系数和间隙距离有关。
假设在电极表面附着较轻松的微块，在电场作用下，微块脱落而且加速，这微块撞击对面的电极时，由于冲击发热可使其本身熔化产生蒸汽，引起击穿。
电极的阴极表面沾污，将发生微放电现象。微放电是一种小的自抑制熄灭的电流脉冲，它的总放电电荷3107C，存在时间由50ms到几ms，放电一般发生在大于1mm的间隙中。
这些真空间隙的击穿机理表明，真空电极的材料与电极的表面状况对真空间隙的绝缘都是非常关键的因素。
真空断路器接触间隙的击穿电压，因耐压实验前不同工况的分合闸操作有相应的不同结果，意大利哥伦布(Colombo)工程师在设备讨论会上有文论述过这方面的问题:试验对象是24KV断路器，铜铬触头，额定开断电流16KA，额定电流630A，触头开距15。8mm，触头分闸速度1。1m/s，合闸速度为0。6m/s。
在关合---分闸操作(试验系列2~5)后产生的最大击穿电压比空载循环(试验系列1)后给出的数值低，这意味着触头击穿距离受电弧电流的影响而减小；同时，系列2和系列5所测得的数值亦小于系列3和系列4的试验值，而电流过零波形和极性似乎无明显影响。试验结果证实了开闭操作的形式对断路器触头之间的绝缘耐受能力有影响，击穿电压在30~50kV范围内，击穿距离为0。6~2mm之间，击穿时触头的电场强度为25~44kV。
提高真空灭弧室绝缘耐受能力的措施
真空断路器要向高电压使用领域发展，提高真空灭弧室断口极间绝缘耐受能力制成额定电压较高的单独断口真空灭弧室的经济意义是巨大的，不但可减少串联断口的数量，而且使断路器结构简单，从而提高了设备可靠性并使设备造价亦相应降低。提高单断口真空灭弧室的绝缘耐受能力主要在下列三方面采取措施。
1、真空灭弧室内触头间耐压强度的提高
前面以说过，在灭弧室内部高度真空的情况下，触头间存在的气体非常稀少，不会受极间电压而产生游离，但极间发生击穿是客观存在，从而产生几种真空绝缘破坏机理的解释。真空间隙实际击穿时，有可能是几种机理同时发生作用，而且击穿途径中总是有游离气体存在，这是由施加电压后产生的金属蒸汽或触头释放了所吸附的气体提供的。基于此点出发，采取下列措施以提高真空灭弧室触头间隙的耐压性能:
(1)选择熔点或沸点高，热传导率小，机械强度和硬度大的触头材料；
(2)预先向触头间隙施加高电压，使其反复放电，使触头表面附着的金属或绝缘微粒熔化，蒸发，即所谓"老炼处理"；
(3)清除吸附在触头或灭弧室表面上的气体，即进行加热脱气处理；
(4)选择合适的触头形状，改善触头的电场分布。
2、提高开断电流后触头极间的绝缘恢复速度
通常断路开断电流成功的关键在于电弧电流过零后，触头间隙绝缘恢复速度快于触头间隙间的暂态恢复电压速度，就不会发生重燃而达到成功开断。真空灭弧室开断电流时，电弧放出的金属蒸汽在电弧电流过零时会迅速扩散，遇到触头或屏蔽罩表面会立即凝结。因此欲求在开断电流相应的触头尺寸，材质，形态，触头间隙以及电流开断时产生的金属蒸汽密度，带电粒子密度等影响因素进行反复实验取得试验数据作分析研究。发现触头直径越大且触头间隙越小，电流开断后的绝缘强度恢复越快；纵向磁场触头结构的采用，有极为良好的弧后绝缘恢复特性。
3、提高真空灭弧室的外部绝缘
真空灭弧室的外部表面，如处于正常的大气之中，则绝缘耐压是很低的，不能适合高电压条件下使用，随着真空断路器向高电压，小型化方向发展，对真空灭弧室外部表面采取下列强化措施:
(1)用环氧树脂绝缘包裹真空灭弧室陶瓷外壳表面，环氧树脂具有高绝缘性能，其冲击电压为50kV/mm，工频耐压为30kV/mm，而且其制品机械强度高，浇注加工性能好，可以较容易成型复盖于陶瓷外壳表面，从而达到灭弧室外表面绝缘强化的目的。并提高了耐污性能，使所需对地绝缘更趋合理化。户外真空断路则往往采用带有裙边的硅胶外套作管，复盖于陶瓷外壳的表面，具有更好的抗雾闪性能，但机械强度则不如环氧树脂制间。
(2)将真空灭弧室置于SF6气体之中，使陶瓷外壳为SF6气体所包围，由于SF6气体只起绝缘作用，其充气压力一般是不高的。
3.4 参数比较
对于两种断路器的参数我门作一下来直观的比较：见表3.1
表3.1 参数比较
序号
参数
TBVAC.N99型真空断路器
TDZ1A-10/25型空气断路器
1
额定工作电压
30KV
25KA
2
额定工作电流
750A
400A
3
额定断路电流
20KA
10A
4
合闸时间
≤60ms
≤0.1s
5
总质量
120kg
150kg
6
额定操作气压
450～1000KPa
700～900kPa
7
寿命
250000次
20000次
8
额定分断容量
600MVA
250MVA

从各方面的参数我们再一次见证了真空断路器的优越性和它必将取代的空气断路器

4 空气断路器具体介绍
4.1空气断路器主要附件
4.1.1内部附件
辅助触头：辅助触头是断路器主电路分、合机构机械上连动的触头，主要用于断路器分、合状态的显示，接在断路器的控制电路中通过断路器的分合，对其相关电器实施控制或联锁。例如向信号灯、继电器等输出信号。塑壳断路器壳架等级额定电流100A为单断点转换触头，225A及以上为桥式触头结构，约定发热电流为3A；壳架等级额定电流400A及以上可装两常开、两常闭，约定发热电流为6A。操作性能次数与断路器的操作性能总次数相同。如图4.1
报警触头：用于断路器事故的报警触头，且此触头只有当断路器脱扣分断后才动作，

  图4.1空气断路器
主要用于断路器的负载出现过载短路或欠电压等故障时而自由脱扣，报警触头从原来的常开位置转换成闭合位置，接通辅助线路中的指示灯或电铃、蜂鸣器等，显示或提醒断路器的故障脱扣状态。由于断路器发生因负载故障而自由脱扣的机率不太多，因而报警触头的寿命是断路器寿命的1/10。报警触头的工作电流一般不会超过1A。
分励脱扣器：是一种用电压源激励的脱扣器，它的电压可与主电路电压无关。分励脱扣器是一种远距离操纵分闸的附件。当电源电压等于额定控制电源电压的70%-110%之间的任一电压时，就能可靠分断断路器。分励脱扣器是短时工作制，线圈通电时间一般不能超过1S，否则线会被烧毁。塑壳断路器为防止线圈烧毁，在分励脱扣线圈串联一个微动开关，当分励脱扣器通过衔铁吸合，微动开关从常闭状态转换成常开，由于分励脱扣器电源的控制线路被切断，即使人为地按住按钮，分励线圈始终不再通电就避免了线圈烧损情况的产生。当断路器再扣合闸后，微动开关重新处于常闭位置。
欠电压脱扣器：欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降(甚至缓慢下降)到额定工作电压的70%至35%范围内，欠电压脱扣器应运作，欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35%时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭合；电源电压等于或大于85%欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合。因此，当受保护电路中电源电压发生一定的电压降时，能自动断开断路器切断电源，使该断路器以下的负载电器或电气设备免受欠电压的损坏。使用时，欠电压脱扣器线圈接在断路器电源侧，欠电压脱扣器通电后，断路器才能合闸，否则断路器合不上闸。
4.1.2外部附件
电动操作机构：是用于远距离自动分闸和合闸断路器的一种附件，电动操作机构有电动机操作机构和电磁铁操作机构两种，电动机操作机构为塑壳式断路器壳架等级额定电流400A及以上断路器，电磁铁操作机构适用于塑壳断呼器壳架等级额定电流225A及以下断路器，无论是电磁铁或电动机，它们的吸合和转动方向都是相同，仅由电动操作机构内部的凸轮的位置来达到合、分，断路器在用电动机构操作时，在额定控制电压的85%-110%之间的任一电压下，应能保证断路器可靠闭合。如图4.2
转动操作手柄：适用于塑壳断路器，在断路器的盖上装转动操作手柄的机构，

  图4.2空气断路器
手柄的转轴装在它的机构配合孔内，转轴的另一头穿过抽屉柜的门孔，旋转手柄的把手装在成套装置的门上面所露出的转轴头，把手的圆形或方形座用螺钉固定的门上，这样的安装能使操作者在门外通过手柄的把手顺时针或逆时针转动，来确保断路器的合闸或分闸。同时转动手柄能保证断路器处于合闸时，柜门不能开启；只有转动手柄处于分闸或再扣，开关板的门才能打开。在紧急情况下，断路器处于"合闸"而需要打开门板时，可按动转动手柄座边上的红色释放按钮。
加长手柄：是一种外部加长手柄，直接装于断路器的手柄上，一般用于600A及以上的大容量断路器上，进行手动分合闸操作。
手柄闭锁装置：是在手柄框上装设卡件，手柄上打孔然后用挂锁锁起来。主要用于断路器处于合闸工作状态时，不容许其他人分闸而引起停电事故，或断路器负载侧电路需要维修或不允许通电时，以防被人误将断路器合闸，从而保护维修人员的安全或用电设备的可靠使用。
接线方式：断路器的接线方式有板前、板后、插入式、抽屉式，用户如无特殊要求，均按板前供货，板前接线是常见的接线方式。如图4.3
1、板后接线方式：板后接线最大特点是可以在更换或维修断路器，

 图4.3 空气断路器
不必重新接线，只须将前级电源断开。由于该结构特殊，产品出厂时已按设计要求配置了专用安装板和安装螺钉及接线螺钉，需要特别注意的是由于大容量断路器接触的可靠性将直接影响断路器的正常使用，因此安装时必须引起重视，严格按制造厂要求进行安装。
2、插入式接线：在成套装置的安装板上，先安装一个断路器的安装座，安装座上6个插头，断路器的连接板上有6个插座。安装座的面上有连接板或安装座后有螺栓，安装座预先接上电源线和负载线。使用时，将断路器直接插进安装座。如果断路器坏了，只要拔出坏的，换上一只好的即可。它的更换时间比板前，板后接线要短，且方便。由于插、拔需要一定的人力。因此，我国的插入式产品，其壳架电流限制在最大为400A。从而节省了维修和更换时间。插入式断路器在安装时应检查断路器的插头是否压紧，并应将断路器安全紧固，以减少接触电阻，提高可靠性。
3、抽屉式接线：断路器的进出抽屉是由摇杆顺时针或逆时针转动的，在主回路和二次回路中均采用了插入式结构，省略了固定式所必须的隔离器，做到一机二用，提高了使用的经济性，同时给操作与维护带来了很大的方便，增加了安全性、可靠性。特别是抽屉座的主回路触刀座，可与NT型熔断路器触刀座通用，这样在应急状态下可直接插入熔断器供电。
4.2 空气断路器工作条件
周围空气温度：周围空气温度上限+40℃；周围空气温度下限-5℃；
周围空气温度24h的平均值不超过+35℃。
海拔：安装地点的海拔不超过2000m。
大气条件：大气相对湿度在周围空气温度为+40℃时不超过50%；在较底温度下可以有较高的相对湿度；最湿月的月平均最大相对湿度为90%，同时该月的月平均最低温度+25℃,并考虑到因温度变化发生在产品表面上的凝露。
污秽等级：污秽污染等级为3级。
4.3 国家标准
GB 10963-1989 家用及类似场所用断路器；
GB 14048.2-1994 低压开关设备和控制设备低压断路器；
GB 16916.1-1997 家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCCB）第1部分：一般规则；
GB 16916.21-1997 家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCCB）第2.1部分：一般规则对动作功能与线路电压无关的RCCB的适用性；
GB 16916.22-1997 家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCCB）第2.2部分：一般规则对动作功能与线路电压有关的RCCB的适用性；
GB 16917.1-1997 家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCBO）第1部分：一般规则；
GB 16917.21-1997 家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（