城市軌道交通裝備的雙向直流接觸器滅弧方式比較

李 宏

(西安沙爾特寶電氣有限公司，710100，西安∥高級(jí)工程師)

0 引言

為滿足工況轉(zhuǎn)換和安全防護(hù)的需要，城市軌道交通牽引供電、能饋及電池管理等系統(tǒng)在變流過程中常使用600～3 000 V的中低壓雙向直流接觸器。這些接觸器應(yīng)能較好地適用于直流工況、雙向直流工況及50或60 Hz交流工況。由于雙向直流電既有普通直流電的特性，又有交流電的電流變換方向特性，因此雙向直流接觸器設(shè)計(jì)必須能良好處理正反方向電流的滅弧，否則可造成產(chǎn)品重度燒蝕甚至火災(zāi)等嚴(yán)重后果。

出于故障安全考慮，接觸器帶負(fù)載分?jǐn)啾Ｗo(hù)的需求不可或缺，其對(duì)滅弧技術(shù)提出了很高的要求。其中對(duì)臨界電流的分?jǐn)嗍羌夹g(shù)難點(diǎn)。臨界電流是指接觸器能夠安全分?jǐn)嗟闹绷麟娏?，一般特指?fù)載為感性、時(shí)間常數(shù)較大的一段小電流范圍。臨界電流很重要，又常被忽視。大容量接觸器在分?jǐn)嘈‰娏髫?fù)載時(shí)燒損，大多是其臨界電流性能較差造成的。

滅弧技術(shù)是安全分?jǐn)嗟募夹g(shù)保證。電弧的產(chǎn)生本質(zhì)是由于氣體的游離作用。電弧會(huì)對(duì)電器的接通分?jǐn)嘈阅芎徒^緣性能造成較大的損害?？焖贉缁】墒闺娖骶哂懈L的壽命或更大的分?jǐn)嗳萘?。?dāng)氣體的消游離速度超過游離速度時(shí)，可熄滅電弧。一般通過拉長或冷卻電弧的方式來加強(qiáng)消游離作用的速度。

現(xiàn)有滅弧方式按照物理原理可分為自然式和強(qiáng)制式。自然式滅弧依靠機(jī)械力或電磁力將電弧拉長或移動(dòng)，其中電磁力是由電弧電流本身所固有的電磁場(chǎng)所產(chǎn)生。強(qiáng)制式滅弧主要運(yùn)用外加磁場(chǎng)對(duì)電弧產(chǎn)生的電磁力來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以加強(qiáng)電弧的運(yùn)動(dòng)速度，使之移至滅弧室中被拉長(或切為短段)、冷卻并最終熄滅。強(qiáng)制式是目前的主流滅弧方式，也是本文討論的對(duì)象。

1 傳統(tǒng)滅弧方式

傳統(tǒng)滅弧一般有ES(串聯(lián)線圈的電磁滅弧)、EM(非串聯(lián)線圈的電磁滅弧)、PM(永磁滅弧)及EPM(永磁+電磁滅弧)等4種方式。

1.1 ES方式

滅弧原理：如圖1 a)所示，ES方式在主電路中固定串聯(lián)線圈，并依靠流過該線圈的電流來提供外加電磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滅弧。

優(yōu)點(diǎn)：串聯(lián)線圈提供的磁場(chǎng)可隨電流方向改變而改變滅弧的方向，圖1 a)箭頭指示為滅弧方向；電磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨電流負(fù)載大小變化在變化，過載電流分?jǐn)鄷r(shí)會(huì)以更大的滅弧功率進(jìn)行滅弧。

缺點(diǎn)：因該線圈需長時(shí)間承受主電路的工作電流，故設(shè)計(jì)體積龐大，結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，耗銅多、重量重、成本高；從性能上看，線圈的連接發(fā)熱點(diǎn)多，發(fā)熱量大，散熱和絕緣需特殊設(shè)計(jì)和工藝保證；在臨界電流分?jǐn)鄷r(shí)，因流經(jīng)線圈的電流小，無法提供足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)，故存在分?jǐn)嗬щy的問題。因此，目前實(shí)際運(yùn)用中，尤其是較大電流的接觸器上很少使用此方式。

1.2 EM方式

滅弧原理：如圖1 b)所示，不在主回路中固定接入線圈；在滅弧過程中，利用電弧電流來短時(shí)接入線圈，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滅弧。

優(yōu)點(diǎn)：主要通過線圈滅?。慌cES方式同樣，可隨電流方向改變滅弧方向，并能在過載時(shí)提供更大滅弧磁場(chǎng)功率；由于線圈僅在分?jǐn)鄷r(shí)短時(shí)接入，避免了長時(shí)通電的發(fā)熱問題。

缺點(diǎn)：EM滅弧方式結(jié)構(gòu)和工藝較復(fù)雜，尺寸、重量、成本沒有優(yōu)勢(shì)；從性能上看，由于需要起弧后的電弧電流來接入滅弧線圈，故分?jǐn)喑跏紩r(shí)響應(yīng)緩慢，觸頭燒蝕會(huì)較重，使臨界電流的分?jǐn)嗬щy。

EM方式常用于交流滅弧系統(tǒng)，是傳統(tǒng)交流滅弧系統(tǒng)在雙向直流工況的常規(guī)應(yīng)用。在實(shí)際運(yùn)用中，在中等電流(400～1 000 A)規(guī)格的滅弧中有較多應(yīng)用。

1.3 PM方式

滅弧原理：如圖1 c)所示，采用“同向布置”2個(gè)永久磁鐵形成恒定的磁場(chǎng)對(duì)電弧進(jìn)行作用，保證電弧的吹出方向正確。普通PM方式因其僅考慮單向直流分?jǐn)?，故不能直接用于雙向直流接觸器上，而需特別考慮反方向的滅弧。對(duì)此通常會(huì)為每個(gè)需要分?jǐn)嗟挠|點(diǎn)設(shè)置正反2個(gè)滅弧室。

注：左側(cè)為串聯(lián)線圈。

優(yōu)點(diǎn)：永磁滅弧的恒定磁場(chǎng)可迅速驅(qū)離電弧，減少了電弧高溫造成的觸頭金屬部分燒蝕；小電流也會(huì)被迅速驅(qū)離；對(duì)臨界電流的分?jǐn)嘈阅茌^好；永久磁鐵的結(jié)構(gòu)布置簡單，絕緣處置容易，不存在發(fā)熱問題。

缺點(diǎn)：永磁恒定磁場(chǎng)不能隨電流方向改變磁場(chǎng)極性；考慮高壓絕緣和電氣間隙的因素，布置多個(gè)滅弧室不僅會(huì)造成重量、體積及成本的大幅增加，可行性較差，其結(jié)構(gòu)還可能導(dǎo)致雙向分?jǐn)嗄芰Σ粚?duì)等，需在設(shè)計(jì)和使用時(shí)進(jìn)行平衡；制造過程中需對(duì)極性進(jìn)行嚴(yán)格管控，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤就會(huì)造成嚴(yán)重后果；由于永久磁鐵的場(chǎng)強(qiáng)恒定，其過載能力弱。實(shí)際運(yùn)用中，PM方式在1 500 V以下且400 A以下的小電流規(guī)格滅弧中有使用。

1.4 EPM方式

EPM方式是在EM方式和PM方式上的改進(jìn)。

優(yōu)點(diǎn)：加強(qiáng)了電弧產(chǎn)生階段的滅弧磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)臨界電流的分?jǐn)嘤懈纳疲?種磁場(chǎng)的疊加作用提升了分?jǐn)嗄芰Α?/p>

缺點(diǎn)：受永磁磁場(chǎng)的限制，PM方式的局限同樣存在；在雙向直流的電路中，反方向的電流可造成2種電磁場(chǎng)相互削弱，進(jìn)而造成不同電流方向的滅弧性能巨大差異。

1.5 傳統(tǒng)滅弧方式的特點(diǎn)總結(jié)

在雙向直流工況下，傳統(tǒng)滅弧方式存在諸多不足：變換電流方向適應(yīng)性差、體積或重量過大、工藝性差、過載能力差或臨界電流分?jǐn)嗄芰Σ畹取?/p>

本文上述4種傳統(tǒng)方式的特點(diǎn)總結(jié)如下：

1)PM方式的體積小、結(jié)構(gòu)簡單；

2)PM方式?jīng)]有臨界電流問題；

3)PM方式的極性問題非常重要；

4)ES方式與EM方式的接線無極性要求；

以往的動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)材料參數(shù)的測(cè)定并未提出簡單易行的實(shí)驗(yàn)方法。Zheng等[12]于2014年建立了基于3D Voronoi技術(shù)的閉孔泡沫有限元模型，采用基于離散變形梯度的方法計(jì)算局部應(yīng)變場(chǎng)，通過對(duì)每一個(gè)拉格朗日位置的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的確定獲得動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即動(dòng)態(tài)、剛性-塑性硬化(D-R-PH)模型:

5)ES方式與EM方式的響應(yīng)速度較慢；

6)隨負(fù)載增大，ES方式與EM方式可提供更大的滅弧功率。

2 新型滅弧方式

迅速增長的雙向直流工況需求大力推動(dòng)了新型滅弧方式的發(fā)展，新型滅弧方式引入永磁技術(shù)，充分發(fā)揮了永磁場(chǎng)的體積小、磁場(chǎng)強(qiáng)大、絕緣方便、不發(fā)熱等優(yōu)勢(shì)。采用新型滅弧方式的接觸器通過對(duì)結(jié)構(gòu)的大幅度優(yōu)化和改進(jìn)，獲得了整體性能的提升。目前典型的新型滅弧方式為CT(新型永磁+電磁滅弧)方式及CP(新型雙永磁滅弧)方式。

2.1 CT方式

CT方式的滅弧結(jié)構(gòu)主要由2個(gè)“反向布置”的永久磁鐵及其兩側(cè)的滅弧線圈構(gòu)成，其滅弧過程見圖2。CT方式充分利用了永磁及電磁的特點(diǎn)，針對(duì)分?jǐn)噙^程中的3個(gè)階段進(jìn)行了獨(dú)特設(shè)計(jì)。

1)階段1——電弧產(chǎn)生階段。在圖2 a)中，觸橋向下移動(dòng)時(shí)觸點(diǎn)開始分?jǐn)?，電弧產(chǎn)生。永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)可快速使電弧驅(qū)離觸頭表面，保證了滅弧效果和觸頭壽命，比電磁滅弧效果更好。

2)階段2——電弧移動(dòng)階段。在圖2 b)中，觸橋已經(jīng)移動(dòng)至下方的最終斷開位置。此時(shí)電弧的移動(dòng)是重點(diǎn)。依據(jù)“右手法則”，2個(gè)反向布置永久磁鐵形成的永磁場(chǎng)將驅(qū)使電弧都向相同方向運(yùn)動(dòng)。圖2 b)中，左側(cè)電弧移向下方的滅弧室C，右側(cè)電弧向中心移動(dòng)。

a)階段1

3)階段3——滅弧室滅弧階段。如圖2 c)所示，當(dāng)電弧繼續(xù)移動(dòng)后，右側(cè)左向電弧接通了上部的引弧片，從而連接了布置于兩側(cè)的滅弧線圈(先接通右側(cè)線圈，再通過中間的電弧連接左側(cè)引弧片，進(jìn)而接通左側(cè)線圈)。此時(shí)，電弧能量轉(zhuǎn)移至上側(cè)電弧，而下方左側(cè)電弧自行熄滅。滅弧室C不需要承擔(dān)實(shí)際的滅弧，是個(gè)無引弧片、滅弧柵的簡易滅弧室。由于滅弧線圈僅短時(shí)工作(一般不超過200 ms)，可提供強(qiáng)大的滅弧功率，故不需要考慮長時(shí)間通電的發(fā)熱問題。在混合永磁+雙電磁磁場(chǎng)的作用下，電弧可快速移動(dòng)至圖2 c)上方的主滅弧室中熄滅。

優(yōu)點(diǎn)：電弧產(chǎn)生至熄滅的各階段均無臨界電流問題，觸頭壽命長；雙向直流的正反方向滅弧效果相同，特別適合重任務(wù)工況。

缺點(diǎn)：由于布置了2套滅弧系統(tǒng)，兼顧了電磁方式和永磁方式，故整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，接觸器的尺寸、重量及成本有一定的增加。

2.2 CP方式

CP方式是專門針對(duì)雙向直流工況設(shè)計(jì)的最新滅弧方式，在傳統(tǒng)永磁滅弧基礎(chǔ)上進(jìn)行了重要改進(jìn)。如圖3所示，CP方式滅弧結(jié)構(gòu)有如下改進(jìn)：① 在觸頭兩側(cè)結(jié)構(gòu)布置了2套4個(gè)永久磁鐵，且磁鐵極性兩兩相對(duì)，左右一致；② 在永久磁鐵外側(cè)布置了極板，與永久磁鐵間的極板共同構(gòu)成4個(gè)小永磁滅弧室(滅弧通道)；③ 在最外側(cè)上下方再各設(shè)1套主滅弧室。

圖3 CP方式的滅弧結(jié)構(gòu)

如圖4所示，采用CP方式的接觸器在雙向直流工況下的分?jǐn)喙ぷ髑闆r為：

1)電流方向?yàn)锳方向(左正右負(fù)，見圖4 a))：電弧將在永磁場(chǎng)作用下迅速通過下方滅弧通道，并在外側(cè)的主滅弧室中拉長、冷卻直至熄滅。

2)電流方向?yàn)锽方向(右正左負(fù)，見圖4 b))：電弧在永磁場(chǎng)作用下通過上方滅弧通道后，也在外側(cè)的主滅弧室中熄滅。

a)電流為A方向

采用CP方式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：① 在電弧產(chǎn)生、移動(dòng)及滅弧等各階段都能提供強(qiáng)大的永磁場(chǎng)，且電弧移動(dòng)迅速、無延遲，使接觸器電壽命更長;② 設(shè)置了2套永磁滅弧系統(tǒng)和滅弧通道，1套在正向電流時(shí)使用，1套在反向電流時(shí)使用;對(duì)于直流工況、雙向直流工況，以及50 Hz或60 Hz的交流工況，總能有正確的滅弧極性;③ 恒定的永磁場(chǎng)一直在起作用，在小電流時(shí)也有效，無臨界電流問題;④ 徹底取消了電磁線圈，充分發(fā)揮了永久磁鐵體積小、絕緣方便的特點(diǎn);4個(gè)滅弧通道不承擔(dān)主要的滅弧工作，相應(yīng)不需要更多的大體積主滅弧室，故該滅弧結(jié)構(gòu)在外形尺寸、重量和成本上都有優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn)：雙套強(qiáng)力永磁場(chǎng)的系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高；由于永久磁鐵的磁場(chǎng)恒定，過載分?jǐn)嗄芰Σ粡?qiáng)。

3 滅弧效能的評(píng)價(jià)

選擇EM、CT及CP等方式，分別進(jìn)行3 kV臨界電流分?jǐn)嗄M試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)的負(fù)載時(shí)間常數(shù)τ為30.0 ms和6.7 ms，雙向直流模擬電流I的方向?yàn)锳向和B方向，通過測(cè)定燃弧時(shí)間來判斷分?jǐn)嘈Ч?。模擬試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可見：從燃弧時(shí)間來看，EM方式最差，CT方式較優(yōu)，CP方式最優(yōu)。由此可知，采用CP方式時(shí)，滅弧效能最好，接觸器的電壽命最長。

表1 3 kV臨界電流分?jǐn)嗄M試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采用不同滅弧方式的低壓雙向直流接觸器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。

表2 不同滅弧方式的低壓雙向直流接觸器性能評(píng)價(jià)

4 結(jié)語

在城市軌道交通變流系統(tǒng)低壓雙向直流電路的應(yīng)用中，出于對(duì)故障和安全的考慮，對(duì)接觸器的帶負(fù)載分?jǐn)嘁蠛芨?。傳統(tǒng)的滅弧方式很難解決雙向直流的分?jǐn)嚯y題，其結(jié)構(gòu)與性能的需求難以平衡，其對(duì)臨界電流的處理為難點(diǎn)。

以永久磁鐵技術(shù)為核心的新型滅弧方式創(chuàng)新地組合使用了永磁技術(shù)，利用永磁場(chǎng)的特點(diǎn)，極大地提高了滅弧效率，革命性地解決了雙向直流分?jǐn)嗟膯栴}，適用于直流工況、雙向直流工況及50 Hz或60 Hz交流工況。新型滅弧方式的滅弧性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)滅弧方式。隨著制造工藝的優(yōu)化，制造成本進(jìn)一步降低，新型滅弧方式將成為低壓雙向直流接觸器的最佳選擇。