城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)NDC直流開關(guān)三種磁路分析

肖濤古 馬耀東

摘要：針對(duì)廣州地鐵某線路直流牽引系統(tǒng)，著重分析了NDC直流開關(guān)永磁操作機(jī)構(gòu)、永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置、無源轉(zhuǎn)移線圈等部件的結(jié)構(gòu)功能，對(duì)NDC直流開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)合閘和復(fù)位過程、分閘和大電流脫扣過程及磁吹滅弧過程的磁路變化進(jìn)行了詳細(xì)論述，總結(jié)了NDC直流開關(guān)分合閘、復(fù)位、脫扣及磁吹滅弧的原理，為NDC直流開關(guān)的維護(hù)及故障處理提供了參考。

關(guān)鍵詞：永磁閉鎖機(jī)構(gòu)；永磁操作機(jī)構(gòu)；磁路分析

中圖分類號(hào)：TM561? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）10-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.013

0? ? 引言

廣州地鐵某線路牽引供電采用的是1 500 V NDC直流開關(guān)。斷路器和小車采用一體化設(shè)計(jì)，面板采用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)[1]，有效保障了運(yùn)營維護(hù)人員的人身安全。斷路器小車尺寸小，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一次元件和二次控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，能有效防止一次系統(tǒng)對(duì)二次控制系統(tǒng)的干擾（振動(dòng)、電磁干擾等），增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該型直流開關(guān)為磁保持開關(guān)，采用永久磁通保持開關(guān)合閘位置，開關(guān)合閘時(shí)相對(duì)啟動(dòng)電流較大，合閘后不需要線圈電流來保持合閘位置，通過永磁體的磁通來保持合閘位。NDC直流斷路器通過電弧轉(zhuǎn)移線圈具備了小電流開斷能力。本文將著重分析NDC直流開關(guān)的合閘和復(fù)位過程、分閘和大電流脫扣過程及磁吹滅弧過程的磁路變化，對(duì)其原理及動(dòng)作過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1? ? NDC直流開關(guān)結(jié)構(gòu)介紹

NDC直流開關(guān)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、操作方便，寬×深×高：370 mm×895 mm×1 215 mm。如圖1所示，主要構(gòu)成部件包括動(dòng)/靜觸頭、一次連接觸頭、永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、永磁操作機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置、滅弧罩、電弧轉(zhuǎn)移線圈等[1]。

永磁操作機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)斷路器合閘和機(jī)構(gòu)復(fù)位，永磁操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈、分閘彈簧、非磁性驅(qū)動(dòng)桿等。

永磁閉鎖機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)斷路器的快速分閘，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)構(gòu)成部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈、閂鎖分閘彈簧、觸頭壓力彈簧等。

斷路器配置有大電流脫扣裝置，用于實(shí)現(xiàn)斷路器間接快速脫扣功能。

開關(guān)配置有電弧轉(zhuǎn)移線圈，在小電流開斷時(shí)能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力來推動(dòng)電弧進(jìn)入滅弧柵片，實(shí)現(xiàn)無極限雙向開斷。

2? ? NDC直流開關(guān)合閘及復(fù)位過程分析

2.1? ? 永磁操作機(jī)構(gòu)基本介紹及磁路分析

NDC直流開關(guān)通過永磁操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器合閘和機(jī)構(gòu)復(fù)位，并實(shí)現(xiàn)開關(guān)合位保持功能[2]。如圖2所示，永磁操作機(jī)構(gòu)核心部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈等，與機(jī)構(gòu)磁性框架構(gòu)成對(duì)應(yīng)的磁路。

永磁操作機(jī)構(gòu)形成的磁路一種為永磁鐵形成的用于保持機(jī)構(gòu)固定位置的磁路，該磁路因銜鐵位置不同，又可分為用于合閘位置保持的合位保持磁路、用于分閘位置保持的分位保持磁路。如圖3所示，在合閘位置時(shí)，銜鐵位于下部，與下半部分磁性框架緊密貼合，氣隙處于上部，因此永磁鐵產(chǎn)生的下半部分磁通大于上半部分磁通，產(chǎn)生的磁力保持銜鐵位于下部。在分閘位置時(shí)，銜鐵位于上部，與上半部分磁性框架緊密貼合，氣隙處于下部，因此永磁鐵產(chǎn)生的上半部分磁通大于下半部分磁通，產(chǎn)生的磁力保持銜鐵位于上部。

永磁操作機(jī)構(gòu)形成的磁路另外一種為勵(lì)磁線圈通電后形成的用于抵消永磁鐵保持磁通驅(qū)動(dòng)銜鐵以實(shí)現(xiàn)斷路器合閘和復(fù)位操作的磁路，該磁路因勵(lì)磁線圈通電電流方向不同，又可分為用于抵消永磁鐵分位保持磁通驅(qū)動(dòng)銜鐵實(shí)現(xiàn)斷路器合閘的合閘過程磁路、用于抵消永磁鐵合位保持磁通驅(qū)動(dòng)銜鐵實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)復(fù)位的復(fù)位過程磁路。

2.2? ? 合閘時(shí)永磁操作機(jī)構(gòu)的磁路分析

當(dāng)斷路器合閘時(shí)，如圖4所示，勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁通，抵消永磁鐵分位保持磁通，加強(qiáng)了永磁鐵在下半部分的磁通。當(dāng)電流足夠大時(shí)，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的合閘過程磁通抵消永磁鐵分位保持磁通后促使銜鐵與支撐面分離，使斷路器合閘，銜鐵與操作機(jī)構(gòu)下半部分磁性框架貼合。隨著銜鐵位置改變，操作機(jī)構(gòu)向外推動(dòng)非磁性驅(qū)動(dòng)桿的末端，驅(qū)動(dòng)梁擺動(dòng)，使動(dòng)觸頭移到合閘位置。動(dòng)靜觸頭接觸后，觸頭間產(chǎn)生彈性壓力，其方向與永磁閉鎖機(jī)構(gòu)合位保持力方向相反，且在合閘過程中，分閘彈簧壓縮儲(chǔ)能。

2.3? ? 復(fù)位時(shí)永磁操作機(jī)構(gòu)的磁路分析

當(dāng)斷路器分閘或脫扣后操作機(jī)構(gòu)復(fù)位，如圖5所示，勵(lì)磁線圈通電，電流流通的方向與合閘操作時(shí)相反，產(chǎn)生復(fù)位過程磁通，削弱永磁鐵合位保持磁通，大大減弱了銜鐵與下部支撐面的吸引力，當(dāng)吸引力低于保持所需吸引力水平時(shí)，分閘彈簧彈力釋放，驅(qū)動(dòng)銜鐵向上部移動(dòng)，隨著銜鐵貼近操作機(jī)構(gòu)上部支撐面時(shí)，永磁體因磁路變化產(chǎn)生分位保持磁通，吸引銜鐵與操作機(jī)構(gòu)上部支撐面貼合，消除反跳的可能性。隨著銜鐵位置改變，操作機(jī)構(gòu)向內(nèi)拉動(dòng)非磁性驅(qū)動(dòng)桿的末端，驅(qū)動(dòng)梁擺動(dòng)，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)銜鐵隨著驅(qū)動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)到機(jī)構(gòu)支撐面，形成永磁體閉鎖磁路，閉鎖磁通產(chǎn)生，使銜鐵與支撐面貼合，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)閂鎖分閘彈簧壓縮充能。斷路器復(fù)位完成，為下一次合閘做準(zhǔn)備。

3? ? NDC直流開關(guān)分閘及大電流脫扣過程分析

3.1? ? 永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置基本介紹

NDC直流開關(guān)通過永磁閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器的快速分閘，并實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合位置保持功能[2]。永磁操作機(jī)構(gòu)核心部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈等，與機(jī)構(gòu)磁性框架構(gòu)成對(duì)應(yīng)的磁路。

斷路器配置有大電流脫扣裝置，用于實(shí)現(xiàn)斷路器間接快速脫扣功能。大電流脫扣保護(hù)是斷路器本體保護(hù)，合閘狀態(tài)下通過大電流達(dá)到設(shè)定值后快速動(dòng)作分閘。

3.2? ? 正常分閘時(shí)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)磁路分析

如圖6所示，當(dāng)開關(guān)處于合位或者分閘后已復(fù)位狀態(tài)時(shí)，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)銜鐵與機(jī)構(gòu)磁性框架的支撐面緊密貼合，構(gòu)成了閉鎖磁路，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)永磁鐵形成的閉鎖磁通用于保持銜鐵與支撐面吸合，與此同時(shí)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)閂鎖分閘彈簧壓縮，永磁鐵形成的吸力大于閂鎖分閘彈簧的彈力。

直流開關(guān)正常分閘或大電流脫扣都是通過抵消永磁閉鎖機(jī)構(gòu)永磁鐵閉鎖磁通的方式來削弱保持銜鐵與支撐面的吸力，如圖7所示，當(dāng)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)閂鎖分閘彈簧上的彈力超過保持銜鐵與支撐面的吸力，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵脫扣，當(dāng)銜鐵與其支撐面分離時(shí)，觸頭壓力彈簧釋放能量，加速推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭與靜觸頭快速分離。開關(guān)分閘或脫扣后永磁操作機(jī)構(gòu)勵(lì)磁線圈得電，永磁操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，準(zhǔn)備下一次合閘。

直流開關(guān)正常分閘時(shí)，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)勵(lì)磁線圈通電，如圖8所示，電流產(chǎn)生的磁通方向與永磁鐵的磁通方向相反，勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生的磁通抵消永磁鐵的磁通，削弱保持銜鐵與支撐面的吸力，使得后方銜鐵脫扣。

3.3? ? 大電流脫扣時(shí)裝置磁路分析

當(dāng)主回路的電流大于大電流脫扣定值時(shí)，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)直接動(dòng)作脫扣。如圖9所示，主回路電流在大電流脫扣裝置磁路中產(chǎn)生磁通，隨著主回路電流增大，該磁通量也會(huì)相應(yīng)增加，這部分磁通量會(huì)抵消永磁閉鎖機(jī)構(gòu)永磁鐵的閉鎖磁通，使得永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力減小。當(dāng)主回路電流達(dá)到大電流脫扣定值，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)閂鎖分閘彈簧彈力超過永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵脫扣，當(dāng)銜鐵與其支撐面分離時(shí)，觸頭壓力彈簧釋放能量，加速推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿，使得動(dòng)靜觸頭快速分離。

通過調(diào)節(jié)大電流脫扣裝置磁性部件之間的空氣間隙，可實(shí)現(xiàn)大電流脫扣磁路調(diào)節(jié)，進(jìn)而設(shè)定大電流脫扣定值，可以根據(jù)需求設(shè)定開關(guān)主回路電流在達(dá)到某特定值時(shí)快速分?jǐn)嚅_關(guān)。此外，大電流脫扣磁路中有一個(gè)移動(dòng)閥門（活動(dòng)銜鐵）控制大電流脫扣定值臨界值時(shí)的磁通量，防止主回路電流接近大電流脫扣定值時(shí)導(dǎo)致永磁閉鎖機(jī)構(gòu)銜鐵與其支撐面保持力不穩(wěn)定。移動(dòng)閥門的工作原理是當(dāng)主回路電流達(dá)到大電流脫扣定值時(shí)，移動(dòng)閥門（活動(dòng)銜鐵）首先動(dòng)作，使得大電流脫扣回路磁路閉合，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵流過磁通得到加強(qiáng)，抵消永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力，永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵脫扣，用于保證大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確性。

4? ? NDC直流開關(guān)無源電流轉(zhuǎn)移線圈吹弧原理

NDC直流開關(guān)滅弧裝置可通過電流產(chǎn)生的磁吹力將觸頭間產(chǎn)生的電弧迅速吹入滅弧室，其磁吹力[3]是通過無源電流轉(zhuǎn)移線圈實(shí)現(xiàn)的，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(shí)，轉(zhuǎn)移線圈可以提供一個(gè)向上的磁吹力，把電弧引進(jìn)滅弧柵。

如圖10所示，無源電流轉(zhuǎn)移線圈連接兩邊并列主電流電磁鐵芯產(chǎn)生磁通，當(dāng)電流流經(jīng)主回路時(shí)，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(dòng)電弧電流。如果電流在反方向流動(dòng)，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。線圈是用軟磁材料制作的，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，因此出現(xiàn)反向小電流也可以倒轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得斷路器具備開斷臨界電流或反向臨界電流的能力。

5? ? 結(jié)語

綜上所述，NDC直流開關(guān)內(nèi)部通過永磁操作機(jī)構(gòu)、永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置、無源轉(zhuǎn)移線圈等部件，利用磁路變化實(shí)現(xiàn)分合閘、復(fù)位、脫扣及磁吹滅弧等功能。本文通過對(duì)直流開關(guān)的合閘和復(fù)位過程、分閘和大電流脫扣過程及磁吹滅弧過程的磁路變化和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化的深入分析，詳細(xì)介紹了NDC直流開關(guān)分合閘、復(fù)位、脫扣及磁吹滅弧的原理，對(duì)NDC直流開關(guān)的維護(hù)及故障處理有指導(dǎo)性意義。

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收稿日期：2023-01-10

作者簡(jiǎn)介：肖濤古（1984—），男，江西遂川人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事城市軌道交通供電工作。