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∥高級工程師)

0 引言

為滿足工況轉換和安全防護的需要，城市軌道交通牽引供電、能饋及電池管理等系統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計必須能良好處理正反方向電流的滅弧，否則可造成產品重度燒蝕甚至火災等嚴重后果。

出于故障安全考慮，接觸器帶負載分斷保護的需求不可或缺，其對滅弧技術提出了很高的要求。其中對臨界電流的分斷是技術難點。臨界電流是指接觸器能夠安全分斷的直流電流，一般特指負載為感性、時間常數較大的一段小電流范圍。臨界電流很重要，又常被忽視。大容量接觸器在分斷小電流負載時燒損，大多是其臨界電流性能較差造成的。

滅弧技術是安全分斷的技術保證。電弧的產生本質是由于氣體的游離作用。電弧會對電器的接通分斷性能和絕緣性能造成較大的損害。快速滅弧可使電器具有更長的壽命或更大的分斷容量。當氣體的消游離速度超過游離速度時，可熄滅電弧。一般通過拉長或冷卻電弧的方式來加強消游離作用的速度。

現有滅弧方式按照物理原理可分為自然式和強制式。自然式滅弧依靠機械力或電磁力將電弧拉長或移動，其中電磁力是由電弧電流本身所固有的電磁場所產生。強制式滅弧主要運用外加磁場對電弧產生的電磁力來進行驅動，以加強電弧的運動速度，使之移至滅弧室中被拉長(或切為短段)、冷卻并最終熄滅。強制式是目前的主流滅弧方式，也是本文討論的對象。

1 傳統滅弧方式

傳統滅弧一般有ES(串聯線圈的電磁滅弧)、EM(非串聯線圈的電磁滅弧)、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線圈，并依靠流過該線圈的電流來提供外加電磁場，進而實現滅弧。

優點：串聯線圈提供的磁場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；電磁場強度也隨電流負載大小變化在變化，過載電流分斷時會以更大的滅弧功率進行滅弧。

缺點：因該線圈需長時間承受主電路的工作電流，故設計體積龐大，結構和工藝復雜，耗銅多、重量重、成本高；從性能上看，線圈的連接發熱點多，發熱量大，散熱和絕緣需特殊設計和工藝保證；在臨界電流分斷時，因流經線圈的電流小，無法提供足夠強大的磁場，故存在分斷困難的問題。因此，目前實際運用中，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接入線圈，進而實現滅弧。

優點：主要通過線圈滅弧；與ES方式同樣，可隨電流方向改變滅弧方向，并能在過載時提供更大滅弧磁場功率；由于線圈僅在分斷時短時接入，避免了長時通電的發熱問題。

缺點：EM滅弧方式結構和工藝較復雜，尺寸、重量、成本沒有優勢；從性能上看，由于需要起弧后的電弧電流來接入滅弧線圈，故分斷初始時響應緩慢，觸頭燒蝕會較重，使臨界電流的分斷困難。

EM方式常用于交流滅弧系統，是傳統交流滅弧系統在雙向直流工況的常規應用。在實際運用中，在中等電流(400～1 000 A)規格的滅弧中有較多應用。

1.3 PM方式

滅弧原理：如圖1 c)所示，采用“同向布置”2個永久磁鐵形成恒定的磁場對電弧進行作用，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斷，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。對此通常會為每個需要分斷的觸點設置正反2個滅弧室。

注：左側為串聯線圈。

優點：永磁滅弧的恒定磁場可迅速驅離電弧，減少了電弧高溫造成的觸頭金屬部分燒蝕；小電流也會被迅速驅離；對臨界電流的分斷性能較好；永久磁鐵的結構布置簡單，絕緣處置容易，不存在發熱問題。

缺點：永磁恒定磁場不能隨電流方向改變磁場極性；考慮高壓絕緣和電氣間隙的因素，布置多個滅弧室不僅會造成重量、體積及成本的大幅增加，可行性較差，其結構還可能導致雙向分斷能力不對等，需在設計和使用時進行平衡；制造過程中需對極性進行嚴格管控，一旦出現錯誤就會造成嚴重后果；由于永久磁鐵的場強恒定，其過載能力弱。實際運用中，PM方式在1 500 V以下且400 A以下的小電流規格滅弧中有使用。

1.4 EPM方式

EPM方式是在EM方式和PM方式上的改進。

優點：加強了電弧產生階段的滅弧磁場強度，對臨界電流的分斷有改善；2種磁場的疊加作用提升了分斷能力。

缺點：受永磁磁場的限制，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種電磁場相互削弱，進而造成不同電流方向的滅弧性能巨大差異。

1.5 傳統滅弧方式的特點總結

在雙向直流工況下，傳統滅弧方式存在諸多不足：變換電流方向適應性差、體積或重量過大、工藝性差、過載能力差或臨界電流分斷能力差等。

本文上述4種傳統方式的特點總結如下：

1)PM方式的體積小、結構簡單；

2)PM方式沒有臨界電流問題；

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；

以往的動態沖擊實驗對動態材料參數的測定并未提出簡單易行的實驗方法。Zheng等[12]于2014年建立了基于3D Voronoi技術的閉孔泡沫有限元模型，采用基于離散變形梯度的方法計算局部應變場，通過對每一個拉格朗日位置的應力-應變狀態的確定獲得動態應力-應變關系，即動態、剛性-塑性硬化(D-R-PH)模型:

5)ES方式與EM方式的響應速度較慢；

6)隨負載增大，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了新型滅弧方式的發展，新型滅弧方式引入永磁技術，充分發揮了永磁場的體積小、磁場強大、絕緣方便、不發熱等優勢。采用新型滅弧方式的接觸器通過對結構的大幅度優化和改進，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方式的滅弧結構主要由2個“反向布置”的永久磁鐵及其兩側的滅弧線圈構成，其滅弧過程見圖2。CT方式充分利用了永磁及電磁的特點，針對分斷過程中的3個階段進行了獨特設計。

1)階段1——電弧產生階段。在圖2 a)中，觸橋向下移動時觸點開始分斷，電弧產生。永久磁鐵產生的磁場可快速使電弧驅離觸頭表面，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——電弧移動階段。在圖2 b)中，觸橋已經移動至下方的最終斷開位置。此時電弧的移動是重點。依據“右手法則”，2個反向布置永久磁鐵形成的永磁場將驅使電弧都向相同方向運動。圖2 b)中，左側電弧移向下方的滅弧室C，右側電弧向中心移動。

a)階段1

3)階段3——滅弧室滅弧階段。如圖2 c)所示，當電弧繼續移動后，右側左向電弧接通了上部的引弧片，從而連接了布置于兩側的滅弧線圈(先接通右側線圈，再通過中間的電弧連接左側引弧片，進而接通左側線圈)。此時，電弧能量轉移至上側電弧，而下方左側電弧自行熄滅。滅弧室C不需要承擔實際的滅弧，是個無引弧片、滅弧柵的簡易滅弧室。由于滅弧線圈僅短時工作(一般不超過200 ms)，可提供強大的滅弧功率，故不需要考慮長時間通電的發熱問題。在混合永磁+雙電磁磁場的作用下，電弧可快速移動至圖2 c)上方的主滅弧室中熄滅。

優點：電弧產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，特別適合重任務工況。

缺點：由于布置了2套滅弧系統，兼顧了電磁方式和永磁方式，故整體結構設計復雜，接觸器的尺寸、重量及成本有一定的增加。

2.2 CP方式

CP方式是專門針對雙向直流工況設計的最新滅弧方式，在傳統永磁滅弧基礎上進行了重要改進。如圖3所示，CP方式滅弧結構有如下改進：① 在觸頭兩側結構布置了2套4個永久磁鐵，且磁鐵極性兩兩相對，左右一致；② 在永久磁鐵外側布置了極板，與永久磁鐵間的極板共同構成4個小永磁滅弧室(滅弧通道)；③ 在最外側上下方再各設1套主滅弧室。

圖3 CP方式的滅弧結構

如圖4所示，采用CP方式的接觸器在雙向直流工況下的分斷工作情況為：

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

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

a)電流為A方向

采用CP方式結構的優點是：① 在電弧產生、移動及滅弧等各階段都能提供強大的永磁場，且電弧移動迅速、無延遲，使接觸器電壽命更長;② 設置了2套永磁滅弧系統和滅弧通道，1套在正向電流時使用，1套在反向電流時使用;對于直流工況、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 恒定的永磁場一直在起作用，在小電流時也有效，無臨界電流問題;④ 徹底取消了電磁線圈，充分發揮了永久磁鐵體積小、絕緣方便的特點;4個滅弧通道不承擔主要的滅弧工作，相應不需要更多的大體積主滅弧室，故該滅弧結構在外形尺寸、重量和成本上都有優勢。

缺點：雙套強力永磁場的系統原理和結構復雜，工藝要求高；由于永久磁鐵的磁場恒定，過載分斷能力不強。

3 滅弧效能的評價

選擇EM、CT及CP等方式，分別進行3 kV臨界電流分斷模擬試驗。模擬試驗的負載時間常數τ為30.0 ms和6.7 ms，雙向直流模擬電流I的方向為A向和B方向，通過測定燃弧時間來判斷分斷效果。模擬試驗結果如表1所示。

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

表1 3 kV臨界電流分斷模擬試驗結果

對采用不同滅弧方式的低壓雙向直流接觸器性能進行評價，結果見表2。

表2 不同滅弧方式的低壓雙向直流接觸器性能評價

4 結語

在城市軌道交通變流系統低壓雙向直流電路的應用中，出于對故障和安全的考慮，對接觸器的帶負載分斷要求很高。傳統的滅弧方式很難解決雙向直流的分斷難題，其結構與性能的需求難以平衡，其對臨界電流的處理為難點。

以永久磁鐵技術為核心的新型滅弧方式創新地組合使用了永磁技術，利用永磁場的特點，極大地提高了滅弧效率，革命性地解決了雙向直流分斷的問題，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于傳統滅弧方式。隨著制造工藝的優化，制造成本進一步降低，新型滅弧方式將成為低壓雙向直流接觸器的最佳選擇。