地鐵DC1500V磁保持斷路器的研究

肖濤古，羅 雄

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000）

地鐵DC1500V磁保持斷路器的研究

肖濤古，羅 雄

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000）

主要介紹目前國內(nèi)地鐵采用的 1 500 V 直流斷路器的結(jié)構(gòu)及工作原理，著重分析比較了電保持斷路器與磁保持斷路器的分合閘過程及滅弧原理；對比 2 種斷路器的各種性能參數(shù)，包括開斷電流參數(shù)、分合閘時間分析等；從結(jié)構(gòu)原理及性能參數(shù)方面的不同對 2 種斷路器的優(yōu)缺點進行了總結(jié)分析，對后續(xù)直流斷路器的選型、維護使用具有指導(dǎo)性意義。

直流斷路器；磁保持；結(jié)構(gòu)；工作原理；性能參數(shù)

0 前言

目前國內(nèi)地鐵常用 1 500 V直流斷路器主要有瑞士賽雪龍 UR 系列/ HPB 系列電保持直流斷路器、UR 系列磁保持直流斷路器。某地鐵現(xiàn)引入英國霍克西利 NDC直流斷路器，是一種新型的永磁直流斷路器。本文通過分析 UR 系列電保持斷路器與 NDC 磁保持斷路器結(jié)構(gòu)，對比 2 種斷路器的各種性能參數(shù)，比較這 2 種斷路器的優(yōu)劣點。

1 斷路器結(jié)構(gòu)

1.1 賽雪龍斷路器

瑞士賽雪龍系列電保持斷路器主要由滅弧裝置、主回路、大電流脫扣裝置、合閘裝置及電磁操作機構(gòu)等幾部分構(gòu)成，UR40 斷路器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 NDC斷路器

NDC直流斷路器主體結(jié)構(gòu)與賽雪龍斷路器類似，主要不同之處在于用永磁操作機構(gòu)代替常規(guī)的電磁操作機構(gòu)、在主回路上方增加了電流轉(zhuǎn)移線圈，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 斷路器原理分析

2.1 斷路器分合閘過程對比分析

2.1.1 UR40斷路器分合閘過程

圖1 UR40 斷路器結(jié)構(gòu)圖

UR40斷路器合閘過程：合閘裝置內(nèi)驅(qū)動線圈通電，合閘裝置驅(qū)動壓迫撥叉單元向前推進直至與動觸頭的止動爪相靠，動觸頭在撥叉單元推動下與靜觸頭接觸合閘。驅(qū)動線圈通電后產(chǎn)生一個電磁場吸引動磁芯與撥叉單元相連，磁芯壓迫合閘裝置內(nèi)彈簧使動觸頭受到壓力，使斷路器保持合閘位置，同時合閘裝置內(nèi)復(fù)位彈簧被拉伸致使推動器內(nèi)推進機構(gòu)被壓縮，為下一次斷路器分閘操作儲備能量。

圖2 NDC 斷路器結(jié)構(gòu)圖

UR40 斷路器分閘過程：當(dāng)驅(qū)動線圈失電，合閘裝置內(nèi)復(fù)位彈簧將拉回撥叉單元，同時推動器內(nèi)推進機構(gòu)帶動動觸頭分閘［1］。

斷路器主觸頭合上后，需要持續(xù)給驅(qū)動線圈通電來保持斷路器合位，此類型斷路器當(dāng) DC110V 二次回路控制電源失電時，會引起直流斷路器跳閘，造成地鐵牽引供電系統(tǒng)供電不可靠運行。另外，保持合閘需持續(xù)給線圈通電，造成電力損耗。

2.1.2 NDC 斷路器分合閘過程

NDC 斷路器合閘過程：操作機構(gòu)合閘線圈通電時，線圈產(chǎn)生的磁通抵消永磁鐵產(chǎn)生的保持操作機構(gòu)分閘的磁通，加強永磁鐵在下部路徑的磁通。當(dāng)電流達到斷路器合閘電流時，銜鐵與支撐面分離，同時操作機構(gòu)軸向前推動驅(qū)動梁的下末端，驅(qū)動梁擺動，使動觸頭移到合閘位置。合閘后，合閘線圈不通電，永磁鐵大部分磁通通過下部路徑流經(jīng)銜鐵，產(chǎn)生大的保持力，操作機構(gòu)在此位置時，分閘彈簧及觸頭壓力彈簧被充分壓縮，產(chǎn)生保持觸頭合閘所需的力，為下一次斷路器分閘操作儲備能量。

NDC斷路器分閘過程：當(dāng)斷路器主回路電流大于過負荷設(shè)置值或永磁閉鎖機構(gòu)內(nèi)快速分閘線圈通電后，抵消永磁鐵產(chǎn)生的保持操作機構(gòu)合閘力，觸頭壓力彈簧釋放，永磁閉鎖機構(gòu)與其支撐面分離，彈簧載體加速推桿動作，驅(qū)使觸頭至分閘位置。

NDC 斷路器復(fù)位過程：分閘期間，操作機構(gòu)銜鐵保持合閘位置，觸頭分開后，復(fù)位線圈立刻通電，電流流通方向與合閘操作時相反，大大削弱了吸引力，當(dāng)這個力低于保持合閘位置所需力時，分閘彈簧施加的壓力向前驅(qū)動銜鐵，分開斷路器。隨著銜鐵靠近操作機構(gòu)的另一端時，磁通轉(zhuǎn)換到上部路徑，吸引銜鐵并消除反跳的可能性［2］。

斷路器主觸頭合上后，合閘線圈不需通電，通過永磁鐵電磁吸力使斷路器保持在合閘位置，此類型斷路器能有效地避免 DC110V 二次回路控制電源失電引起直流斷路器跳閘的風(fēng)險，比較節(jié)能省電。但是該類斷路器也存在一定的隱患，若因一次回路短路故障串電至控制電源回路引起 DC110V 電源失電，斷路器不會跳開，不能及時切除故障。

2.2 滅弧原理對比分析

斷路器在負荷情況下分閘時，觸頭間會產(chǎn)生拉弧，這不僅有礙于電路的及時分斷，還會使觸頭燒損，所以，斷路器的滅弧能力是斷路器的一項重要性能指標(biāo)。

電弧的產(chǎn)生過程：斷路器分斷過程中觸頭剛開始分離時，觸頭間間隙很小，電場強度極大，易產(chǎn)生高熱和強場，金屬內(nèi)部的自由電子從陰極表面逸出，奔向陽極。自由電子在向陽極移動過程中撞擊中性氣體分子，使之激勵和游離，在觸頭間隙中產(chǎn)生大量的離子和電子，使氣體導(dǎo)電形成熾熱的電子流，即電弧。

2.2.1 UR40斷路器滅弧原理

UR40 是單極雙向直流快速斷路器，該斷路器經(jīng)特殊設(shè)計來確保過流時觸頭能快速分斷，且瞬時產(chǎn)生一種持續(xù)整個電弧階段的過電壓來達到滅弧的效果。當(dāng)斷路器分閘時，主回路的獨特設(shè)計和觸頭自身特點具有自然吹弧性能，即在滅弧的過程中，電流一方面流經(jīng)上部連接排和觸頭，另一方面在吹弧角板的幫助下流經(jīng)電極和下部的連接排，電流產(chǎn)生的磁吹力將觸頭間產(chǎn)生的電弧迅速吹入滅弧室。一旦電弧進入滅弧室，它將被角板和隔板分割，并將被往上勁吹，這樣燃燒的氣體在位于隔板上方的絕緣板之間放電的同時去離子，達到滅弧的效果，見圖3［3］。但該設(shè)計有一缺點，便是當(dāng)斷路器電流回路中電流偏小時，電流產(chǎn)生的力比較小，電弧很容易停留在觸頭上，使觸頭燒損。

圖3 UR40 斷路器滅弧原理圖

2.2.2 NDC斷路器滅弧原理

NDC 直流斷路器滅弧裝置在 UR40 滅弧原理的基礎(chǔ)上，增加無源電流轉(zhuǎn)移線圈（圖4），當(dāng)斷路器電流回路中電流偏小，電流本身產(chǎn)生的磁力不夠?qū)㈦娀∫霚缁艜r，轉(zhuǎn)移線圈可以提供一個向上的磁吹力，把電弧引進滅弧柵。

圖4 NDC 斷路器電流轉(zhuǎn)移線圈

無源電流轉(zhuǎn)移線圈連接兩邊并列主電流電磁鐵芯產(chǎn)生的磁通，當(dāng)電流流經(jīng)主回路時，線圈里的磁通流經(jīng)觸頭之間，方向垂直于電弧電流，這樣排列線圈產(chǎn)生的磁力可以向上移動電弧電流。如果電流在反方向流動，那么線圈里的磁通也是反向的，作用在電弧電流上的磁力仍然是向上的。線圈用軟磁材料制作，可以協(xié)助開斷從幾安培到幾千安培的電流，甚至在出現(xiàn)最大短路電流后剩磁也很低，殘余磁化非常小。因此，在反方向上的小電流也可以倒轉(zhuǎn)磁場。斷路器也能開斷臨界電流或者反向臨界電流。

3 斷路器技術(shù)參數(shù)分析對比

3.1 斷路器分斷技術(shù)參數(shù)分析

斷路器分閘速度和故障預(yù)期電流及電流變化率有關(guān)［4］。圖5 為直流饋線斷路器分斷技術(shù)參數(shù)。

圖5 直流斷路器分斷技術(shù)參數(shù)

對額定運行電流相等的上述 2 種斷路器分斷技術(shù)參數(shù)對比見表1。

從表1 中可以看出，UR40 斷路器預(yù)期短路電流為90 kA，而斷路器切斷電流值為 75 kA；NDC 斷路器預(yù)期短路電流為 100 kA，切斷電流值為 126 kA。對比分析，NDC 斷路器在短路情況下能開斷大的故障電流，保護斷路器；同時賽雪龍電保持系列斷路器最小開斷電流為 10 A，NDC 斷路器應(yīng)用電流轉(zhuǎn)移線圈，能開斷更小的幾安培的電流。綜合分析得出 NDC 斷路器的開斷能力更強。

表1 斷路器分斷技術(shù)參數(shù)對比

3.2 斷路器合閘時間分析

UR40 斷路器采用電磁鐵操作機構(gòu)，在接受 0.5～1 s合閘脈沖后斷路器合閘，此時通過在控制回路內(nèi)接入合閘保持電阻，將保持電流限定在合閘電流的 5%，使斷路器保持在合閘位置。此種控制方式依賴于穩(wěn)定的操作電壓，若操作電壓不夠穩(wěn)定，合閘驅(qū)動電流及合閘速度變化會比較大，UR 斷路器的合閘時間為100～180 ms。

NDC 斷路器采用永磁操作機構(gòu)，永磁機構(gòu)的操作與電磁鐵的操作類似，但相比電磁鐵，永磁鐵有一顯著的特點，即在沒有額外的電力輔助情況下能使操作機構(gòu)承載高彈簧負荷。當(dāng)線圈通電產(chǎn)生磁通，抵消永磁鐵產(chǎn)生的保持操作機構(gòu)分閘的磁通，當(dāng)電流達到斷路器合閘電流時，驅(qū)動銜鐵與支撐面分離，因為需要一定的磁通就可以驅(qū)動這一運動，所以，在一個大的操作電壓范圍內(nèi)驅(qū)動電流和合閘速度變化不大，因此，避免了電磁鐵操作的斷路器的很多缺點，NDC 斷路器的合閘時間更穩(wěn)定，維持在 150 ms 左右。

3.3 斷路器分閘時間分析

UR40 斷路器接到分閘命令時，復(fù)位彈簧拉回撥叉單元，同時拖動器內(nèi)推進機構(gòu)帶動動觸頭分閘，UR 斷路器的分閘時間一般在 10 ms 以上。

NDC 斷路器分閘時，抵消永磁鐵產(chǎn)生的保持操作機構(gòu)合閘力，觸頭壓力彈簧瞬時釋放，永磁閉鎖機構(gòu)與其支撐面分離，彈簧載體加速推桿動作，驅(qū)使觸頭至分閘位置，因此，相比 UR 斷路器，NDC 斷路器的分閘時間更短，分閘時間一般小于 5 ms。

4 總結(jié)

與傳統(tǒng)的 1 500 V 電保持直流斷路器相比，新型的永磁直流斷路器結(jié)構(gòu)性能等各方面都要更加優(yōu)秀，具體表現(xiàn)為：

（1）合閘時間穩(wěn)定，不受操作電壓波動影響；

（2）分閘時間更短，能更有效地保護觸頭；

（3）通過增加電流轉(zhuǎn)移線圈，協(xié)助斷路器開斷從幾安培到幾千安培的電流；

（4）采用永磁操作機構(gòu)，合閘后通過永磁鐵使斷路器保持合閘位置，不需要通過持續(xù)的保持電流來保持合閘，此方式不僅省電，而且當(dāng)二次控制回路失壓時，斷路器不會跳閘，保證了供電的可靠性。

［1］ Secheron.SG101782TCN A01-Manual UR36-40S 操作維護手冊［G］.

［2］ Hawker Siddeley.NDC斷路器操作與維護手冊［G］.2013.

［3］ 劉磊，王海云，董溪坤，等.直流斷路器開斷方法及應(yīng)用概述［J］.化工自動化及儀表，2013，40 （12）：1449-1452.

［4］ 董恩源，叢吉遠，鄒積巖，等.1500 V船用新型直流斷路器的研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24 （5）：153-156.

責(zé)任編輯 冒一平

Study on Metro DC1500V Magnetic Latching Circuit Breaker

Xiao Taogu， Luo Xiong

The paper mainly introduces the current domestic MTR 1500V DC circuit breaker structure and working principle， focuses on the analysis and comparison of the switching process of the electric and magnetic latching circuit breaker and arc extinguishing principles.It also makes comparison of performance features the two different circuit breaker， including open and close current parameters， and open and close time analysis etc.The advantages and disadvantages of two kinds of circuit breakers are analyzed and summarized from the aspects of different structure principle and performance parameters.It provides guidance and signifi cance to the selection of future DC circuit breaker， and its maintenance.

DC circuit breaker， magnetic latching，structure， working principle， performance parameter

TM561∶U231.8

肖濤古（1984—），男，工程師

2016-03-02