断路器在正常运转工作中的相关参数、原理以及构造是本文研究的主要内容。针对工作中的断路器来说,故障高发的部位主要是操动机构、电磁铁与缓冲器,断路器的工作状态简单,主要是表现在开关的开与合,本文也以此为切入点,重点研究这一动态过程。

　　从工作内容形式上看,断路器主要由四个部分组成[1],分别为导电、绝缘、接触系统和灭弧装置部分以及操作系统,断路器在工作中的正常运转形态正是依托于以上部分。导通电流作用的承担者是导电部分,其主要作用不只是保证电流长时间的流通,在功能上与承担压力上要经受超负荷与短路电流以及其他不正常的电流等,保证正常断路器正常工作状态;用于工作维修人员人身安全保护的措施主要依靠绝缘部分完成,绝缘在形式上包含了端口、对地与相间绝缘等;断路器在运行过程中开合操作由接触系统和灭弧装置完成,这两部分也可用于衡量开合闸的能力;在断路器中的控制触头的断开与接通操作主要是由操作系统完成,其保障了断路器的正常运转的速度与时间。

　　断路器在正常工作状态的开合闸过程可由图1获得[3]。在进行分闸时,首先要判断断路器处于的状态是否为合闸,操作机构的受电工作驱动始于分闸线圈,动静触头的相关运作状态取决于分闸弹簧的弹力和电磁力,当触头停留在可靠位置时,操动机构同时停止运动;当进行合闸操作时,首先要判断断路器处于的状态是否为分闸,操作机构的受电工作驱动始于线圈,分闸弹簧被压缩,从而为后续的分闸操作打下基础,为分闸做准备,相对运动发生在动与静触头之间,当触头停留在可靠位置时,操动机构同时结束运动。

　　断路器处于正常运转的工作状态中时,整个电路中的电流数值为额定电流数值,主要开关的闭合与断开工作也可正常实现运转。但一旦断路器中的电流无法由电力系统正常提供时,在电网中极容易出现短路电流,短路电流的出现导致电动力成倍增加,进而干扰触头的工作,导致其无法完成正常的开关闭合操作,严重情况下还会导致触头的损坏,所以针对操作结构提出了新的功能要求,即克服线]。操动机构在断路器工作状态下的主要特点与分类情况如下。

　　手动操动机构:常被应用于12V以下电压以及开断电流较小的情况下。简单化的操作可完全不需要合闸电源的参与,生产相对容易,前期投入成本数额少。但是此操作系统在操作中的安全性较差,难以完成自动的合闸。

　　电磁操动机构:适用范围是油断路器,其操作电压范围为126kV,这一结构在实践中的应用时间较长,有大量的操作经验,且相比于其他操动机构有更加简单的结构,但是工作的前提条件是必须拥有功率较大的直流电源。

　　弹簧操动机构:常适用的断路器型号为中小型,对电源的容量要求较低,即使在电流供应不足的情况下依然可以为断路器提供一次操动机会。但是相比于其他操动机构,其结构更加繁琐且投入成本巨大。

　　气动操动机构:常应用的环境为空压设备,即使在电源不供电时依然可进行多次的操动,所需的直流电压要求较低。使用过程中必须配合空压设备,但其本身的结构构成并不简单。

　　液压操动机构:适用范围是高压断路器,电压为126kV以上,拥有极强的开断能力,即使在电源不供电时依然可进行多次的操动,完全不依靠直流电压。操动机构自身的精度与成本很高。

　　断路器工作的基本形态与操作就是在规定的时间内完成电路的开断。开断电流主要依靠触头完成,在断路器的正常工作形态下,当工作电压范围处于12～20V时,电流在数值上的范围是0.25～1A,断路器的触头之间会产生电弧,即拥有导电性能的气体,此气体拥有明亮的颜色且十分炙热。开断操作就是当电弧熄灭时顺利完成。导电特性的原因使存在电弧情况时系统的工作状态为导通且延时开断,触头在高温度环境状态下极容易造成磨损,导致绝缘效果变弱。电流经过零点位置之后,等离子体作为电弧的一项重要性质发挥着作用[5]。

　　在图2中E表述的内容是电源的电压幅值，R为电阻，L为电感，两个触头间的电容C，由于电弧的实际性质为非线性电阻，所以得出公式：

　　当电压在触头位置的变化并不十分明显时，并且两个触头间的电容数值小到可以忽略，因此将此电流等效为开断电流，所以将公式（1）推导为：

　　在公式（2）中Rh是一个不呈现出线性关系的电弧电阻，本文对其做出如下近似假设：针对电弧电压来说，它只有方向发生了改变，电压的数值并未发生更改；可忽略不计主电路中的电阻，因为其数值实在过小；计时起点是电流过零时刻，与此同时最大数值的电流电压出现；两个触头实现分离、并在这过程中产生电弧的状态是当t=a/ω时，a是电弧在初始时刻的相位角数值。通过以上的判定假设，得出：

　　通过公式(4)可发现,线性分量与周期分量构成了电弧电流,前者的特征是时间改变,数值改变,后者的特征是滞后于电压相位二分之一π。电弧电流产生的一项数值条件是当ωt=a时,其会受到其他因素的影响,其中的一项影响因素为衰减分量,即电流在流经零点位置时,其时间并不是准确固定的,当过早时会进而导致畸变电流的产生。燃弧时间段内,将电弧等效看作非线性电阻,电阻数值能够决定电流数值大小,进而导致开断电流在起弧时产生畸变,起弧时间可以根据这一特征得到确定。

　　断路器的正常工作状态在实质上就是触头在不断移动的过程。非正常状态的电力系统工作状态情况下,故障电流的开关作用由断路器开关完成,断开的时间较短,因为故障多为暂时的。

　　断路器在正常工作状态情况下,电流大则速度快,操动系统的要求也会相应加大。在小电流工作状态时,为避免此种情况常会采用缓冲器装置保护触头并实现缓冲。图3所示的内容为断路器在工作状态中的开断与关合的各时间参量。

　　上文中知悉存在故障的时间是极短的,为实现电网的稳定运行,目前主要使用自动重合闸的操作方式,在断开之后的较短时间内实现再次的闭合,降低了损失,当短暂断开的闭合之后故障仍未排除,那么开断操作进入第三次的运行开断(图5)。

　　在电力系统当中，断路器的开断性能是一项重要的性能与评价依据。在断路器中，衡量对短路电流开断能力的主要指标是额定开断，这个额定开断的电流数值为对正常工作无影响之下的最大短路电流，在数值关系上，流过的电流数值大于额定开断电流、留有裕量，由直流与交流两个分量共同组成。当直流的分量占比相对于交流占比少于20%时，则可以将交流分量视作额定短路开断电流。假定在断路器的起弧瞬间，直流与交流分量的幅值分别为IDC、IAC,那么就为额定开断电流的数值，当直流的分量占比相对于交流占比大于20%时，直流与交流分量有效值之和为开断电流：

　　在电力系统正常工作过程中发生短路故障时会产生短路开断电流,两个触头之间的电弧熄灭以及触头分离时,在较短时间内两个触头间会出现短暂的电压,为恢复电压。其主要有两种分类,分别是瞬态与工频两种,前者的电压持续时间控制在几十微秒到几毫秒,工频电压只有在断路器的指令彻底完成之后才会消失。

　　断路器的绝缘质量取决于瞬态恢复电压,工频电压的频率决定了其变化的快慢。在电流过零时,触头之间的电阻值数值可以看作是无穷大的,瞬态恢复电压的计算通过电路中的相关参数计算即可获得,与断路器的状态之间无过大关联。在断路器进行开断状态时都无交流电的情况,其电压在电网中称之为瞬态恢复电压,根据目前在实践应用中的规范,其都指固有瞬态恢复电压。

　　本文的研究内容主要是断路器在工作中的原理与机械机构。研究了断路器在工作过程中的开断操作与电弧等相关特性,有利于对断路器进行检测。