郭志奇

0 引言

我國城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)主要采用DC 750 V或DC 1 500 V供電。直流牽引供電系統(tǒng)設計為懸浮系統(tǒng)，走行軌通過絕緣墊與大地絕緣，以減少雜散電流的泄漏。為了防止走行軌電位升高對站、車之間工作人員和上下車乘客以及線路巡視人員造成傷害，在車站變電所、車輛段及停車場檢修庫內(nèi)設置了鋼軌電位限制裝置（OVPD），將走行軌對地電位限制在預定的安全范圍內(nèi)；同時，在直流設備發(fā)生框架泄漏或接觸導線發(fā)生短路的瞬間，通過鋼軌電位限制裝置內(nèi)直流接觸器的迅速合閘，提供故障電流的金屬通路，使系統(tǒng)快速識別并清除故障[1]。目前國內(nèi)應用的鋼軌電位限制裝置直流接觸器市場被意大利、英國等少數(shù)幾個國外公司產(chǎn)品壟斷，進口設備的價格和后期維護費用昂貴，對運營維護和設備更新?lián)Q代非常不利。技術(shù)的自主化和產(chǎn)品的國產(chǎn)化是直流供電設備的必經(jīng)之路。本文介紹了直流接觸器的研發(fā)過程，通過功能分析、結(jié)構(gòu)設計、仿真計算、試驗驗證等，成功完成了直 流接觸器的研制，能夠滿足IEC和國標的要求。

1 直流接觸器概述

1.1 原理及參數(shù)

參照國外鋼軌電位限制裝置直流接觸器及相關(guān)標準[2]，本直流接觸器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 直流接觸器主要技術(shù)參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)和原理

直流接觸器主要由靜觸頭機構(gòu)、動觸頭機構(gòu)、電磁鐵機構(gòu)以及滅弧室等組成，結(jié)構(gòu)示意見圖1。合閘過程：電磁鐵斷電，動觸頭機構(gòu)在復位彈簧作用力下與靜觸頭機構(gòu)接觸，實現(xiàn)回路導通。分閘過程：電磁鐵得電，動觸頭機構(gòu)在傳動件作用下與靜觸頭機構(gòu)分離，分離時觸頭間產(chǎn)生的電弧在滅弧室綜合滅弧功能作用下迅速熄滅，實現(xiàn)回路切斷。

圖1 直流接觸器結(jié)構(gòu)

影響直流接觸器關(guān)合的主要因素：動力系統(tǒng)；電磁鐵機構(gòu)；滅弧室綜合滅弧功能；耐受電流的設計（動觸頭機構(gòu)）。

本文對直流接觸器的動力系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、耐受電流的設計進行深入研究。

2 動觸頭結(jié)構(gòu)設計

2.1 電動穩(wěn)定性設計

當電流流過接觸器觸頭時，由于觸頭實際接觸面積很小，在接觸區(qū)域附近會發(fā)生電流線收縮，產(chǎn)生電斥力，即Holm力。而通有電流的動觸頭在周圍磁場作用下也會產(chǎn)生洛倫茲力，這兩種力的合力構(gòu)成了接觸系統(tǒng)的電動斥力。在承載故障電流時，動觸頭和接觸表面的電流密度急劇增加，空間磁場也成倍增長，此時感應出的電動力可能使閉合的觸頭系統(tǒng)斥開，此時觸頭處形成故障電流電弧，該電弧強度遠大于接觸器自身滅弧能力，造成嚴重損壞。

為解決直流接觸器電動穩(wěn)定性問題，進行如下設計：

圖2 動觸頭結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，動觸頭結(jié)構(gòu)由14枚動觸指、28只觸頭彈簧、1只復位彈簧及1個觸頭支持件組成，其中每枚動觸指由各自的2只觸頭彈簧控制，且每枚動觸指均具有2只觸點，不同動觸指之間可以相互獨立動作。14枚動觸指呈現(xiàn)為并聯(lián)關(guān)系，當50 kA的過載電流流經(jīng)動觸頭結(jié)構(gòu)時，被均分為14份，流經(jīng)每1枚動觸指的過載電流為3 571.4 A，由于觸頭表面接觸情況會有略微偏差，流經(jīng)每1枚動觸指的過載電流按110%計算，即約為3 928.5 A。

（1）Holm力的計算[3]。

式中：Fh為觸頭間Holm力；μ0為真空導磁率，為4π×10-7H/m；i為主回路流經(jīng)電流，為3 928.5 A；H為觸頭材料（銀氧化錫AgSnO2）布氏硬度，取1 078 N/mm2；ξ為表征觸頭表面接觸情況，其取值范圍為0.3～0.6，一般取0.45；S為觸頭面積，為115.2 mm2；R為觸頭等效半徑，為6 mm；Fk為觸頭彈簧預壓力，為16.5 N；r為觸點有效接觸面積的等效半徑（與觸頭壓力有關(guān)，壓力越大，觸點的有效接觸面積越大）。

代入計算可得每個觸點所受Holm力Fh≈12.5 N。

（2）洛倫茲力的計算。根據(jù)畢奧-沙伐定律計算動觸頭所受洛倫茲力[4]。

動靜觸頭剖面圖見圖3。圖中字母所代表的含義：h為動觸指與靜觸頭垂直高度，為18 mm；d為動觸指水平長度，為73 mm；r為動觸指等效半徑，取6 mm；INss為額定短路電流，為3 928.5 A。

圖3 直流接觸器動靜觸頭剖面圖

綜上，F(xiàn)h+FL≈15 N＜Fk，即觸點所受電動斥力小于觸頭彈簧預壓力，故當發(fā)生短路故障時，50 kA的過載電流所形成的電動斥力不會將觸頭彈開，接觸器的電動穩(wěn)定性得到保障。

同時，為了保證整體動觸頭系統(tǒng)不被電動斥力彈開，復位彈簧的初壓力設計為465 N，大于所有28只觸頭彈簧預壓力總和。

2.2 熱穩(wěn)定性設計

對比成型的交流接觸器的觸頭彈簧預壓力，直流接觸器觸頭彈簧預壓力與其相同，而交流接觸器能夠承載8倍額定電流Ie的過載電流，持續(xù)時間為10 s，觸頭接觸電阻約為350 μΩ，視上述參數(shù)為交流接觸器保證熱穩(wěn)定性的極限情況，則當主回路出現(xiàn)50 kA故障短路電流時，通過總發(fā)熱量不變可計算交流接觸器可承載故障電流的時間，即

式中：Ie為額定電流，取300 A；R0為觸頭接觸電阻，取350 μΩ；T為持續(xù)時間，取10 s；INss為額定短路電流，取50 kA；RS為調(diào)整后的接觸電阻；t為可承受時間。

在觸頭壓力加大的情況下，接觸電阻會減小至30 μΩ，計算得可承受時間t= 268.8 ms，能夠滿足250 ms的標準要求。

本次研究的軌電位直流接觸器在滿足故障電流電動穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，觸頭接觸電阻小于30 μΩ，且整體結(jié)構(gòu)設計中，導電銅排截面積為交流接觸器的13倍，散熱空間大很多，因此可判定，該直流接觸器可承載50 kA，250 ms的故障電流，且接觸器質(zhì)量性能不受任何影響。

3 電磁鐵機構(gòu)設計

采用螺管式電磁鐵結(jié)構(gòu)，鐵心材料為電工純鐵。

3.1 啟動階段

磁動勢IN計算：

式中：U為線圈控制電壓，DC 220 V×75% = 165 V；R為啟動線圈電阻，45 Ω；N為啟動線圈匝數(shù)，4 400。代入數(shù)據(jù)可得IN≈1.6×104A。

電磁鐵為整體結(jié)構(gòu)設計，除工作氣隙外幾乎沒有額外磁損耗，根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律，有

式中：Φδ為氣隙磁通；Λδ為氣隙磁導；Φ為磁路磁通；Rm為磁路磁阻。

由于磁路磁阻很小，磁通勢幾乎全落在氣隙上，則式（4）可推導為

（3）由麥克斯韋電磁理論可知，電磁鐵吸力F1計算式為

將式（5）代入式（6）可得

式中：S為電磁鐵工作氣隙面積，取11.77 cm2；μ0為真空導磁率，取1.25×10-8H/cm；δ為電磁鐵工作氣隙長度，mm。則F1= 1.52×104/δ2（N）。

3.2 反力特性

彈簧反力Ff計算式為

式中：G為復位彈簧材料1Cr18Ni9Ti切變模量，取71.7×103MPa；D為復位彈簧中徑，為28 mm；d為復位彈簧材料的直徑，為3.5 mm；n為復位彈簧的有效圈數(shù)，為6；f為復位彈簧變形量；H0為復位彈簧原長，為86 mm；H1為復位彈簧初壓力位置，為48 mm。將數(shù)據(jù)代入式（8）可得

3.3 保持階段

整個啟動階段持續(xù)300 ms，遠大于電磁鐵完成整個吸合過程的總時長，在電磁鐵完成整個吸合過程后，電磁鐵銜鐵內(nèi)仍然保留了約δ= 0.5 mm釋放氣隙，以便線圈斷電后電磁鐵能夠順利釋放。

為保證接觸器電磁鐵工作時線圈長期通電狀態(tài)下保持較小功率，保持階段線圈電阻設計為R= 1 100 Ω，匝數(shù)N= 15 000匝。

根據(jù)電磁鐵吸力計算式（式（6）），在電磁鐵完成整個吸合過程后，保持階段的電磁鐵吸力F2= 1.2×104N，復位彈簧反力Ff= 438.6 N（δ= 0.5 mm釋放氣隙），可見F2＞＞Ff，電磁鐵可以維持在保持狀態(tài)而不被復位彈簧的反力頂開。

4 滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

4.1 雙斷口觸頭系統(tǒng)

直流接觸器在設計時選用雙斷口觸頭系統(tǒng)，整個回路開斷后產(chǎn)生2個斷點，相應同時產(chǎn)生了2個電弧電阻，相較于單斷口觸頭系統(tǒng)，電弧電阻速度提升增大了一倍，從而可以盡快降低回路電流。

4.2 永磁磁吹滅弧階段

直流接觸器在滅弧室內(nèi)裝有2塊釹鐵硼材質(zhì)永磁體，分別位于觸點正上方，并在永磁體磁極面處無縫銜接有2片導磁板，可將永磁體產(chǎn)生的永磁磁場引致觸頭兩側(cè)，使觸頭周圍均勻分布了大小、方向固定的平行恒定磁場。觸頭開斷時，斷口即形成電弧，受恒定磁場安培力作用，電弧被迅速吹離觸點并拉長（圖4），隨即繼續(xù)受安培力作用進入下一滅弧階段，即縱縫滅弧階段。

圖4 永磁磁吹滅弧階段

4.3 縱縫滅弧階段

在滅弧室內(nèi)側(cè)裝有2組隔弧襯板，由耐弧絕緣的陶土材料制作，每組內(nèi)2個隔弧襯板間距11 mm，形成縱縫結(jié)構(gòu)，該縱縫結(jié)構(gòu)與電弧的軸線平行，當發(fā)生電弧時，利用永磁體產(chǎn)生的恒定磁場將電弧推入其中，與縫壁緊密接觸而被強烈冷卻，電弧電壓迅速提升而導致電弧能量被進一步減弱（圖5）。與此同時，電弧周圍高溫的氣體進入狹小的縱縫空間，迅速形成高氣壓，將電弧吹向下一滅弧階段，即曲縫滅弧階段。

圖5 縱縫滅弧階段

4.4 曲縫滅弧階段

在滅弧室內(nèi)縱縫隔弧襯板上方裝有曲縫隔弧襯板，同樣由耐弧絕緣的陶土材料制作，其內(nèi)腔縫壁為犬牙交錯的形狀，電弧受縱縫滅弧空間的高氣壓影響進入曲縫滅弧階段，電弧長度進一步被拉長，并再次與縫壁緊密接觸被冷卻，電弧能量被進一步減弱，至此，電弧已被熄滅（圖6），但滅弧室內(nèi)仍存在較高溫度及部分游離的電子。

圖6 曲縫滅弧階段

4.5 滅弧柵片滅弧階段

在滅弧室內(nèi)曲縫隔弧襯板上方裝有滅弧柵片，靠近滅弧室內(nèi)部，與永磁體較近的柵片被設計為銅材質(zhì)，既不會影響原有磁場，又增強了近弧端的散熱能力。由于前序滅弧階段中電弧產(chǎn)生的高溫氣體仍儲存在滅弧室內(nèi)，如不迅速降溫冷卻，多次開斷后會造成熱量的堆積，空氣介質(zhì)呈現(xiàn)出大量游離狀態(tài)，將嚴重影響接觸器的滅弧能力。滅弧柵片可以迅速吸收滅弧室內(nèi)的熱量，避免了熱量的堆積，保證了接觸器在頻繁開斷狀態(tài)下的滅弧能力。且當出現(xiàn)開斷過載電流時，電弧經(jīng)過前序滅弧階段后仍未熄滅，殘余能量的電弧受滅弧柵片吸引進入滅弧柵片內(nèi)，并分成許多串聯(lián)的短電弧，這些短電弧不在同一水平線即出現(xiàn)錯位時，電弧受力將進一步被拉長，直至電弧熄滅（圖7）。

圖7 滅弧柵片滅弧階段

5 型式試驗

基于仿真計算反復優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，設計并制造了軌道交通鋼軌電位限制裝置直流接觸器的樣機，并在業(yè)內(nèi)權(quán)威實驗室嚴格按照相關(guān)標準完成了全套型式試驗。

5.1 額定關(guān)合和開斷能力試驗

關(guān)合和開斷能力試驗分別由2個實驗完成。關(guān)合能力試驗由2個合閘操作組成，操作時間間隔240 s，本直流接觸器按照第Ⅲ類電路取時間常數(shù)tc= 0.01 s。開斷能力試驗由5次分閘操作組成，電路時間常數(shù)tc= 0.01 s，操作時間間隔240 s。

試驗波形如圖8所示。根據(jù)試驗波形，額定電壓為1 520 V、額定電流為1 680 A、時間常數(shù)10.9 ms時通斷時間為400 ms，燃弧時間僅為105 ms，符合相關(guān)規(guī)定和設計預期值。

圖8 額定關(guān)合和開斷能力波形

5.2 短時耐受電流能力試驗

由于鋼軌電位限制裝置在以下幾種情況時承受系統(tǒng)短路電流為30～50 kA：整流器正極對外殼短路、直流開關(guān)母線對外殼短路、直流饋線開關(guān)斷路器下端口對外殼短路、接觸網(wǎng)對架空地線或接地扁鋼短路、接觸網(wǎng)對鋼軌短路，因此直流接觸器的短時耐受電流是一項非常重要的試驗指標。

圖9 短時耐受電流能力波形

試驗波形如圖9所示。根據(jù)試驗波形，在短時耐受電流為50.4 kA時，直流接觸器的耐受時間為282 ms，完全滿足短時耐受電流50 kA，耐受時間250 ms的要求。

6 現(xiàn)有國外產(chǎn)品對比

6.1 外形結(jié)構(gòu)

本直流接觸器采用封閉式滅弧室，高壓帶電部件除供用戶接線的安裝銅排外均封閉在滅弧室內(nèi)，維護人員手指或直徑大于1.5 mm的工具均無法觸及高壓帶電部件，確保了使用過程中的安全性。而現(xiàn)有國外同類型產(chǎn)品均為外露式結(jié)構(gòu)，高壓帶電部件無任何防護，存在安全隱患。

6.2 臨界電流危害

本直流接觸器采用永磁磁吹滅弧技術(shù)，利用恒定的永磁體形成磁場為熄滅電弧提供驅(qū)動力，該磁場不受外界任何因素影響，可保持長期穩(wěn)定，在電流很小時也能提供足夠的驅(qū)動力進行滅弧。而國外同類型產(chǎn)品均采用電磁線圈磁吹滅弧技術(shù)，利用與主回路串聯(lián)的電磁線圈形成可變磁場為熄滅電弧提供驅(qū)動力，該磁場隨主回路電流大小與方向的改變而改變，當系統(tǒng)主回路流經(jīng)較小電流時，電磁線圈磁場強度較小，進而滅弧效果被大大削弱，甚至在某段“臨界電流”區(qū)間內(nèi)，電弧始終無法被熄滅，造成嚴重質(zhì)量事故[5]。

7 結(jié)論

（1）通過闡述國產(chǎn)直流接觸器的研發(fā)過程，分析研究了目前鋼軌電位限制裝置進口直流接觸器的現(xiàn)狀。針對軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)軌電位限制裝置頻繁動作的問題，提出了一種采用無極性永磁磁吹滅弧技術(shù)的直流接觸器。永磁磁鐵提供磁場高效穩(wěn)定，無臨界電流風險；采用節(jié)能型控制線圈系統(tǒng)，線圈長期工作耗電量低，不易發(fā)熱；多極動觸指并聯(lián)，降低觸頭間Holm力，提升耐受過載電流能力；特殊合金材料的觸頭耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊。

（2）研制的國產(chǎn)直流接觸器的核心參數(shù)均優(yōu)于國際知名品牌的產(chǎn)品，滿足直流牽引供電系統(tǒng)保護測量的要求。

（3）基于仿真及優(yōu)化設計制造的樣機嚴格按照相關(guān)標準在權(quán)威試驗室順利通過了全部型式試驗，為軌道交通國產(chǎn)直流接觸器替代進口直流接觸器提供了可能，有效地促進了城市軌道交通直流牽引供電設備的國產(chǎn)化。