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主要采用DC 750 V或DC 1 500 V供電。直流牽引供電系統設計為懸浮系統，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；同時，在直流設備發生框架泄漏或接觸導線發生短路的瞬間，通過鋼軌電位限制裝置內直流接觸器的迅速合閘，提供故障電流的金屬通路，使系統快速識別并清除故障[1]。目前國內應用的鋼軌電位限制裝置直流接觸器市場被意大利、英國等少數幾個國外公司產品壟斷，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換代非常不利。技術的自主化和產品的國產化是直流供電設備的必經之路。本文介紹了直流接觸器的研發過程，通過功能分析、結構設計、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

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

表1 直流接觸器主要技術參數

1.2 結構和原理

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

圖1 直流接觸器結構

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

本文對直流接觸器的動力系統、滅弧系統、耐受電流的設計進行深入研究。

2 動觸頭結構設計

2.1 電動穩定性設計

當電流流過接觸器觸頭時，由于觸頭實際接觸面積很小，在接觸區域附近會發生電流線收縮，產生電斥力，即Holm力。而通有電流的動觸頭在周圍磁場作用下也會產生洛倫茲力，這兩種力的合力構成了接觸系統的電動斥力。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定性問題，進行如下設計：

圖2 動觸頭結構示意圖

如圖2所示，動觸頭結構由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枚動觸指呈現為并聯關系，當50 kA的過載電流流經動觸頭結構時，被均分為14份，流經每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，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，Fh+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，接觸器的電動穩定性得到保障。

同時，為了保證整體動觸頭系統不被電動斥力彈開，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，持續時間為10 s，觸頭接觸電阻約為350 μΩ，視上述參數為交流接觸器保證熱穩定性的極限情況，則當主回路出現50 kA故障短路電流時，通過總發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為持續時間，取10 s；INss為額定短路電流，取50 kA；RS為調整后的接觸電阻；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定性的基礎上，觸頭接觸電阻小于30 μΩ，且整體結構設計中，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，且接觸器質量性能不受任何影響。

3 電磁鐵機構設計

采用螺管式電磁鐵結構，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，4 400。代入數據可得IN≈1.6×104A。

電磁鐵為整體結構設計，除工作氣隙外幾乎沒有額外磁損耗，根據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，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。將數據代入式（8）可得

3.3 保持階段

整個啟動階段持續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下保持較小功率，保持階段線圈電阻設計為R= 1 100 Ω，匝數N= 15 000匝。

根據電磁鐵吸力計算式（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而不被復位彈簧的反力頂開。

4 滅弧系統結構設計

4.1 雙斷口觸頭系統

直流接觸器在設計時選用雙斷口觸頭系統，整個回路開斷后產生2個斷點，相應同時產生了2個電弧電阻，相較于單斷口觸頭系統，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裝有2塊釹鐵硼材質永磁體，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，可將永磁體產生的永磁磁場引致觸頭兩側，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

在滅弧室內側裝有2組隔弧襯板，由耐弧絕緣的陶土材料制作，每組內2個隔弧襯板間距11 mm，形成縱縫結構，該縱縫結構與電弧的軸線平行，當發生電弧時，利用永磁體產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

在滅弧室內曲縫隔弧襯板上方裝有滅弧柵片，靠近滅弧室內部，與永磁體較近的柵片被設計為銅材質，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生的高溫氣體仍儲存在滅弧室內，如不迅速降溫冷卻，多次開斷后會造成熱量的堆積，空氣介質呈現出大量游離狀態，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的熱量，避免了熱量的堆積，保證了接觸器在頻繁開斷狀態下的滅弧能力。且當出現開斷過載電流時，電弧經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，并分成許多串聯的短電弧，這些短電弧不在同一水平線即出現錯位時，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化的結構方案，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，并在業內權威實驗室嚴格按照相關標準完成了全套型式試驗。

5.1 額定關合和開斷能力試驗

關合和開斷能力試驗分別由2個實驗完成。關合能力試驗由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tc= 0.01 s，操作時間間隔240 s。

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

圖8 額定關合和開斷能力波形

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短路電流為30～50 kA：整流器正極對外殼短路、直流開關母線對外殼短路、直流饋線開關斷路器下端口對外殼短路、接觸網對架空地線或接地扁鋼短路、接觸網對鋼軌短路，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 現有國外產品對比

6.1 外形結構

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，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。而現有國外同類型產品均為外露式結構，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，利用恒定的永磁體形成磁場為熄滅電弧提供驅動力，該磁場不受外界任何因素影響，可保持長期穩定，在電流很小時也能提供足夠的驅動力進行滅弧。而國外同類型產品均采用電磁線圈磁吹滅弧技術，利用與主回路串聯的電磁線圈形成可變磁場為熄滅電弧提供驅動力，該磁場隨主回路電流大小與方向的改變而改變，當系統主回路流經較小電流時，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”區間內，電弧始終無法被熄滅，造成嚴重質量事故[5]。

7 結論

（1）通過闡述國產直流接觸器的研發過程，分析研究了目前鋼軌電位限制裝置進口直流接觸器的現狀。針對軌道交通直流牽引供電系統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的直流接觸器。永磁磁鐵提供磁場高效穩定，無臨界電流風險；采用節能型控制線圈系統，線圈長期工作耗電量低，不易發熱；多極動觸指并聯，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）研制的國產直流接觸器的核心參數均優于國際知名品牌的產品，滿足直流牽引供電系統保護測量的要求。

（3）基于仿真及優化設計制造的樣機嚴格按照相關標準在權威試驗室順利通過了全部型式試驗，為軌道交通國產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化。