一種城市軌道交通鋼軌電位限制裝置直流接觸器

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(shè)計(jì)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(duì)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(shè)置了鋼軌電位限制裝置（OVPD），將走行軌對(duì)地電位限制在預(yù)定的安全范圍內(nèi)；同時(shí)，在直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏或接觸導(dǎo)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(shí)別并清除故障[1]。目前國內(nèi)應(yīng)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(gè)國外公司產(chǎn)品壟斷，進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格和后期維護(hù)費(fèi)用昂貴，對(duì)運(yùn)營維護(hù)和設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證等，成功完成了直 流接觸器的研制，能夠滿足IEC和國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)[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(jī)構(gòu)、動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu)、電磁鐵機(jī)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(dòng)觸頭機(jī)構(gòu)在復(fù)位彈簧作用力下與靜觸頭機(jī)構(gòu)接觸，實(shí)現(xiàn)回路導(dǎo)通。分閘過程：電磁鐵得電，動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)件作用下與靜觸頭機(jī)構(gòu)分離，分離時(shí)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(shí)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(dòng)力系統(tǒng)；電磁鐵機(jī)構(gòu)；滅弧室綜合滅弧功能；耐受電流的設(shè)計(jì)（動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu)）。

本文對(duì)直流接觸器的動(dòng)力系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、耐受電流的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

2 動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

當(dāng)電流流過接觸器觸頭時(shí)，由于觸頭實(shí)際接觸面積很小，在接觸區(qū)域附近會(huì)發(fā)生電流線收縮，產(chǎn)生電斥力，即Holm力。而通有電流的動(dòng)觸頭在周圍磁場作用下也會(huì)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(dòng)斥力。在承載故障電流時(shí)，動(dòng)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(shí)感應(yīng)出的電動(dòng)力可能使閉合的觸頭系統(tǒng)斥開，此時(shí)觸頭處形成故障電流電弧，該電弧強(qiáng)度遠(yuǎn)大于接觸器自身滅弧能力，造成嚴(yán)重?fù)p壞。

為解決直流接觸器電動(dòng)穩(wěn)定性問題，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

圖2 動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)示意圖

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

（1）Holm力的計(jì)算[3]。

式中：Fh為觸頭間Holm力；μ0為真空導(dǎo)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(yù)壓力，為16.5 N；r為觸點(diǎn)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(diǎn)的有效接觸面積越大）。

代入計(jì)算可得每個(gè)觸點(diǎn)所受Holm力Fh≈12.5 N。

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

動(dòng)靜觸頭剖面圖見圖3。圖中字母所代表的含義：h為動(dòng)觸指與靜觸頭垂直高度，為18 mm；d為動(dòng)觸指水平長度，為73 mm；r為動(dòng)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(dòng)靜觸頭剖面圖

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

同時(shí)，為了保證整體動(dòng)觸頭系統(tǒng)不被電動(dòng)斥力彈開，復(fù)位彈簧的初壓力設(shè)計(jì)為465 N，大于所有28只觸頭彈簧預(yù)壓力總和。

2.2 熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

對(duì)比成型的交流接觸器的觸頭彈簧預(yù)壓力，直流接觸器觸頭彈簧預(yù)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(shí)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(dāng)主回路出現(xiàn)50 kA故障短路電流時(shí)，通過總發(fā)熱量不變可計(jì)算交流接觸器可承載故障電流的時(shí)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(shí)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(shí)間。

在觸頭壓力加大的情況下，接觸電阻會(huì)減小至30 μΩ，計(jì)算得可承受時(shí)間t= 268.8 ms，能夠滿足250 ms的標(biāo)準(zhǔn)要求。

本次研究的軌電位直流接觸器在滿足故障電流電動(dòng)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(shè)計(jì)中，導(dǎo)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)階段

磁動(dòng)勢(shì)IN計(jì)算：

式中：U為線圈控制電壓，DC 220 V×75% = 165 V；R為啟動(dòng)線圈電阻，45 Ω；N為啟動(dòng)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(shè)計(jì)，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(dǎo)；Φ為磁路磁通；Rm為磁路磁阻。

由于磁路磁阻很小，磁通勢(shì)幾乎全落在氣隙上，則式（4）可推導(dǎo)為

（3）由麥克斯韋電磁理論可知，電磁鐵吸力F1計(jì)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(dǎo)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(jì)算式為

式中：G為復(fù)位彈簧材料1Cr18Ni9Ti切變模量，取71.7×103MPa；D為復(fù)位彈簧中徑，為28 mm；d為復(fù)位彈簧材料的直徑，為3.5 mm；n為復(fù)位彈簧的有效圈數(shù)，為6；f為復(fù)位彈簧變形量；H0為復(fù)位彈簧原長，為86 mm；H1為復(fù)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(gè)啟動(dòng)階段持續(xù)300 ms，遠(yuǎn)大于電磁鐵完成整個(gè)吸合過程的總時(shí)長，在電磁鐵完成整個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)為R= 1 100 Ω，匝數(shù)N= 15 000匝。

根據(jù)電磁鐵吸力計(jì)算式（式（6）），在電磁鐵完成整個(gè)吸合過程后，保持階段的電磁鐵吸力F2= 1.2×104N，復(fù)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(fù)位彈簧的反力頂開。

4 滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 雙斷口觸頭系統(tǒng)

直流接觸器在設(shè)計(jì)時(shí)選用雙斷口觸頭系統(tǒng)，整個(gè)回路開斷后產(chǎn)生2個(gè)斷點(diǎn)，相應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生了2個(gè)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(diǎn)正上方，并在永磁體磁極面處無縫銜接有2片導(dǎo)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(shí)，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(diǎn)并拉長（圖4），隨即繼續(xù)受安培力作用進(jìn)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(gè)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(dāng)發(fā)生電弧時(shí)，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(qiáng)烈冷卻，電弧電壓迅速提升而導(dǎo)致電弧能量被進(jìn)一步減弱（圖5）。與此同時(shí)，電弧周圍高溫的氣體進(jìn)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(cuò)的形狀，電弧受縱縫滅弧空間的高氣壓影響進(jìn)入曲縫滅弧階段，電弧長度進(jìn)一步被拉長，并再次與縫壁緊密接觸被冷卻，電弧能量被進(jìn)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(shè)計(jì)為銅材質(zhì)，既不會(huì)影響原有磁場，又增強(qiáng)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(chǔ)存在滅弧室內(nèi)，如不迅速降溫冷卻，多次開斷后會(huì)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(yán)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(dāng)出現(xiàn)開斷過載電流時(shí)，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(jìn)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(cuò)位時(shí)，電弧受力將進(jìn)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(yàn)

基于仿真計(jì)算反復(fù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)并制造了軌道交通鋼軌電位限制裝置直流接觸器的樣機(jī)，并在業(yè)內(nèi)權(quán)威實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成了全套型式試驗(yàn)。

5.1 額定關(guān)合和開斷能力試驗(yàn)

關(guān)合和開斷能力試驗(yàn)分別由2個(gè)實(shí)驗(yàn)完成。關(guān)合能力試驗(yàn)由2個(gè)合閘操作組成，操作時(shí)間間隔240 s，本直流接觸器按照第Ⅲ類電路取時(shí)間常數(shù)tc= 0.01 s。開斷能力試驗(yàn)由5次分閘操作組成，電路時(shí)間常數(shù)tc= 0.01 s，操作時(shí)間間隔240 s。

試驗(yàn)波形如圖8所示。根據(jù)試驗(yàn)波形，額定電壓為1 520 V、額定電流為1 680 A、時(shí)間常數(shù)10.9 ms時(shí)通斷時(shí)間為400 ms，燃弧時(shí)間僅為105 ms，符合相關(guān)規(guī)定和設(shè)計(jì)預(yù)期值。

圖8 額定關(guān)合和開斷能力波形

5.2 短時(shí)耐受電流能力試驗(yàn)

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

圖9 短時(shí)耐受電流能力波形

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

6 現(xiàn)有國外產(chǎn)品對(duì)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(hù)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(hù)，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(dòng)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(shí)也能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)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(dòng)力，該磁場隨主回路電流大小與方向的改變而改變，當(dāng)系統(tǒng)主回路流經(jīng)較小電流時(shí)，電磁線圈磁場強(qiáng)度較小，進(jìn)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(yán)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(jìn)口直流接觸器的現(xiàn)狀。針對(duì)軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)軌電位限制裝置頻繁動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)；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(dòng)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(hù)測(cè)量的要求。

（3）基于仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)制造的樣機(jī)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在權(quán)威試驗(yàn)室順利通過了全部型式試驗(yàn)，為軌道交通國產(chǎn)直流接觸器替代進(jìn)口直流接觸器提供了可能，有效地促進(jìn)了城市軌道交通直流牽引供電設(shè)備的國產(chǎn)化。