城市軌道交通直流牽引系統NDC直流開關三種磁路分析

肖濤古 馬耀東

摘要：針對廣州地鐵某線路直流牽引系統，著重分析了NDC直流開關永磁操作機構、永磁閉鎖機構、大電流脫扣裝置、無源轉移線圈等部件的結構功能，對NDC直流開關的操作機構合閘和復位過程、分閘和大電流脫扣過程及磁吹滅弧過程的磁路變化進行了詳細論述，總結了NDC直流開關分合閘、復位、脫扣及磁吹滅弧的原理，為NDC直流開關的維護及故障處理提供了參考。

關鍵詞：永磁閉鎖機構；永磁操作機構；磁路分析

中圖分類號：TM561? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：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。斷路器和小車采用一體化設計，面板采用人體工程學設計[1]，有效保障了運營維護人員的人身安全。斷路器小車尺寸小，操作方便，結構簡單，一次元件和二次控制系統相互獨立，能有效防止一次系統對二次控制系統的干擾（振動、電磁干擾等），增強系統的穩定性。該型直流開關為磁保持開關，采用永久磁通保持開關合閘位置，開關合閘時相對啟動電流較大，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直流開關的合閘和復位過程、分閘和大電流脫扣過程及磁吹滅弧過程的磁路變化，對其原理及動作過程進行詳細闡述。

1? ? NDC直流開關結構介紹

NDC直流開關整體結構簡單、尺寸小、操作方便，寬×深×高：370 mm×895 mm×1 215 mm。如圖1所示，主要構成部件包括動/靜觸頭、一次連接觸頭、永磁閉鎖機構、永磁操作機構、大電流脫扣裝置、滅弧罩、電弧轉移線圈等[1]。

永磁操作機構用于實現斷路器合閘和機構復位，永磁操作機構構成部件包括永磁鐵、銜鐵、勵磁線圈、分閘彈簧、非磁性驅動桿等。

永磁閉鎖機構用于實現斷路器的快速分閘，永磁閉鎖機構構成部件包括永磁鐵、銜鐵、勵磁線圈、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，用于實現斷路器間接快速脫扣功能。

開關配置有電弧轉移線圈，在小電流開斷時能產生足夠的驅動力來推動電弧進入滅弧柵片，實現無極限雙向開斷。

2? ? NDC直流開關合閘及復位過程分析

2.1? ? 永磁操作機構基本介紹及磁路分析

NDC直流開關通過永磁操作機構實現斷路器合閘和機構復位，并實現開關合位保持功能[2]。如圖2所示，永磁操作機構核心部件包括永磁鐵、銜鐵、勵磁線圈等，與機構磁性框架構成對應的磁路。

永磁操作機構形成的磁路一種為永磁鐵形成的用于保持機構固定位置的磁路，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，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，因此永磁鐵產生的下半部分磁通大于上半部分磁通，產生的磁力保持銜鐵位于下部。在分閘位置時，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，因此永磁鐵產生的上半部分磁通大于下半部分磁通，產生的磁力保持銜鐵位于上部。

永磁操作機構形成的磁路另外一種為勵磁線圈通電后形成的用于抵消永磁鐵保持磁通驅動銜鐵以實現斷路器合閘和復位操作的磁路，該磁路因勵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動銜鐵實現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動銜鐵實現操作機構復位的復位過程磁路。

2.2? ? 合閘時永磁操作機構的磁路分析

當斷路器合閘時，如圖4所示，勵磁線圈通電產生磁通，抵消永磁鐵分位保持磁通，加強了永磁鐵在下半部分的磁通。當電流足夠大時，勵磁線圈產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，銜鐵與操作機構下半部分磁性框架貼合。隨著銜鐵位置改變，操作機構向外推動非磁性驅動桿的末端，驅動梁擺動，使動觸頭移到合閘位置。動靜觸頭接觸后，觸頭間產生彈性壓力，其方向與永磁閉鎖機構合位保持力方向相反，且在合閘過程中，分閘彈簧壓縮儲能。

2.3? ? 復位時永磁操作機構的磁路分析

當斷路器分閘或脫扣后操作機構復位，如圖5所示，勵磁線圈通電，電流流通的方向與合閘操作時相反，產生復位過程磁通，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，當吸引力低于保持所需吸引力水平時，分閘彈簧彈力釋放，驅動銜鐵向上部移動，隨著銜鐵貼近操作機構上部支撐面時，永磁體因磁路變化產生分位保持磁通，吸引銜鐵與操作機構上部支撐面貼合，消除反跳的可能性。隨著銜鐵位置改變，操作機構向內拉動非磁性驅動桿的末端，驅動梁擺動，永磁閉鎖機構銜鐵隨著驅動梁運動到機構支撐面，形成永磁體閉鎖磁路，閉鎖磁通產生，使銜鐵與支撐面貼合，永磁閉鎖機構內閂鎖分閘彈簧壓縮充能。斷路器復位完成，為下一次合閘做準備。

3? ? NDC直流開關分閘及大電流脫扣過程分析

3.1? ? 永磁閉鎖機構、大電流脫扣裝置基本介紹

NDC直流開關通過永磁閉鎖機構實現斷路器的快速分閘，并實現開關分合位置保持功能[2]。永磁操作機構核心部件包括永磁鐵、銜鐵、勵磁線圈等，與機構磁性框架構成對應的磁路。

斷路器配置有大電流脫扣裝置，用于實現斷路器間接快速脫扣功能。大電流脫扣保護是斷路器本體保護，合閘狀態下通過大電流達到設定值后快速動作分閘。

3.2? ? 正常分閘時永磁閉鎖機構磁路分析

如圖6所示，當開關處于合位或者分閘后已復位狀態時，永磁閉鎖機構銜鐵與機構磁性框架的支撐面緊密貼合，構成了閉鎖磁路，永磁閉鎖機構永磁鐵形成的閉鎖磁通用于保持銜鐵與支撐面吸合，與此同時永磁閉鎖機構內閂鎖分閘彈簧壓縮，永磁鐵形成的吸力大于閂鎖分閘彈簧的彈力。

直流開關正常分閘或大電流脫扣都是通過抵消永磁閉鎖機構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，當永磁閉鎖機構內閂鎖分閘彈簧上的彈力超過保持銜鐵與支撐面的吸力，永磁閉鎖機構后方銜鐵脫扣，當銜鐵與其支撐面分離時，觸頭壓力彈簧釋放能量，加速推動驅動桿，驅動動觸頭與靜觸頭快速分離。開關分閘或脫扣后永磁操作機構勵磁線圈得電，永磁操作機構進行復位，準備下一次合閘。

直流開關正常分閘時，永磁閉鎖機構勵磁線圈通電，如圖8所示，電流產生的磁通方向與永磁鐵的磁通方向相反，勵磁線圈通電產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? ? 大電流脫扣時裝置磁路分析

當主回路的電流大于大電流脫扣定值時，永磁閉鎖機構直接動作脫扣。如圖9所示，主回路電流在大電流脫扣裝置磁路中產生磁通，隨著主回路電流增大，該磁通量也會相應增加，這部分磁通量會抵消永磁閉鎖機構永磁鐵的閉鎖磁通，使得永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力減小。當主回路電流達到大電流脫扣定值，永磁閉鎖機構內閂鎖分閘彈簧彈力超過永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力，永磁閉鎖機構后方銜鐵脫扣，當銜鐵與其支撐面分離時，觸頭壓力彈簧釋放能量，加速推動驅動桿，使得動靜觸頭快速分離。

通過調節大電流脫扣裝置磁性部件之間的空氣間隙，可實現大電流脫扣磁路調節，進而設定大電流脫扣定值，可以根據需求設定開關主回路電流在達到某特定值時快速分斷開關。此外，大電流脫扣磁路中有一個移動閥門（活動銜鐵）控制大電流脫扣定值臨界值時的磁通量，防止主回路電流接近大電流脫扣定值時導致永磁閉鎖機構銜鐵與其支撐面保持力不穩定。移動閥門的工作原理是當主回路電流達到大電流脫扣定值時，移動閥門（活動銜鐵）首先動作，使得大電流脫扣回路磁路閉合，永磁閉鎖機構后方銜鐵流過磁通得到加強，抵消永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力，永磁閉鎖機構后方銜鐵脫扣，用于保證大電流脫扣保護動作準確性。

4? ? NDC直流開關無源電流轉移線圈吹弧原理

NDC直流開關滅弧裝置可通過電流產生的磁吹力將觸頭間產生的電弧迅速吹入滅弧室，其磁吹力[3]是通過無源電流轉移線圈實現的，當斷路器電流回路中電流偏小，電流本身產生的磁力不夠將電弧引入滅弧柵時，轉移線圈可以提供一個向上的磁吹力，把電弧引進滅弧柵。

如圖10所示，無源電流轉移線圈連接兩邊并列主電流電磁鐵芯產生磁通，當電流流經主回路時，線圈里的磁通流經觸頭之間，方向垂直于電弧電流，這樣排列線圈產生的磁力可以向上移動電弧電流。如果電流在反方向流動，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，可以協助開斷從幾安培到幾千安培的電流，甚至在出現最大短路電流后剩磁也很低，殘余磁化非常小，因此出現反向小電流也可以倒轉磁場，使得斷路器具備開斷臨界電流或反向臨界電流的能力。

5? ? 結語

綜上所述，NDC直流開關內部通過永磁操作機構、永磁閉鎖機構、大電流脫扣裝置、無源轉移線圈等部件，利用磁路變化實現分合閘、復位、脫扣及磁吹滅弧等功能。本文通過對直流開關的合閘和復位過程、分閘和大電流脫扣過程及磁吹滅弧過程的磁路變化和機構運動變化的深入分析，詳細介紹了NDC直流開關分合閘、復位、脫扣及磁吹滅弧的原理，對NDC直流開關的維護及故障處理有指導性意義。

[參考文獻]

[1] Hawker Siddeley.NDC斷路器操作與維護手冊[Z]，2013.

[2] 肖濤古，羅雄.地鐵DC 1 500 V磁保持斷路器的研究[J].現代城市軌道交通，2016（4）：23-26.

[3] 徐凱，李治軍，祝聰，等.小電流分斷吹弧磁場仿真及試驗研究[J].船電技術，2022，42（8）：27-30.

收稿日期：2023-01-10

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