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(zhuǎn)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(tǒng)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(yīng)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(shè)計必須能良好處理正反方向電流的滅弧，否則可造成產(chǎn)品重度燒蝕甚至火災(zāi)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(shù)提出了很高的要求。其中對臨界電流的分斷是技術(shù)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(shù)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(shù)是安全分斷的技術(shù)保證。電弧的產(chǎn)生本質(zhì)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?？焖贉缁】墒闺娖骶哂懈L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(xiàn)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(chǎn)生。強制式滅弧主要運用外加磁場對電弧產(chǎn)生的電磁力來進行驅(qū)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(tǒng)滅弧方式

傳統(tǒng)滅弧一般有ES(串聯(lián)線圈的電磁滅弧)、EM(非串聯(lián)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(lián)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(xiàn)滅弧。

優(yōu)點：串聯(lián)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(shè)計體積龐大，結(jié)構(gòu)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(fā)熱點多，發(fā)熱量大，散熱和絕緣需特殊設(shè)計和工藝保證；在臨界電流分斷時，因流經(jīng)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(xiàn)滅弧。

優(yōu)點：主要通過線圈滅??；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(fā)熱問題。

缺點：EM滅弧方式結(jié)構(gòu)和工藝較復雜，尺寸、重量、成本沒有優(yōu)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(yīng)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(tǒng)，是傳統(tǒng)交流滅弧系統(tǒng)在雙向直流工況的常規(guī)應(yīng)用。在實際運用中，在中等電流(400～1 000 A)規(guī)格的滅弧中有較多應(yīng)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(shè)置正反2個滅弧室。

注：左側(cè)為串聯(lián)線圈。

優(yōu)點：永磁滅弧的恒定磁場可迅速驅(qū)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(qū)離；對臨界電流的分斷性能較好；永久磁鐵的結(jié)構(gòu)布置簡單，絕緣處置容易，不存在發(fā)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(jié)構(gòu)還可能導致雙向分斷能力不對等，需在設(shè)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(xiàn)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(guī)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(yōu)點：加強了電弧產(chǎn)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(tǒng)滅弧方式的特點總結(jié)

在雙向直流工況下，傳統(tǒng)滅弧方式存在諸多不足：變換電流方向適應(yīng)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(tǒng)方式的特點總結(jié)如下：

1)PM方式的體積小、結(jié)構(gòu)簡單；

2)PM方式?jīng)]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(tài)沖擊實驗對動態(tài)材料參數(shù)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(shù)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(yīng)變場，通過對每一個拉格朗日位置的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的確定獲得動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即動態(tài)、剛性-塑性硬化(D-R-PH)模型:

5)ES方式與EM方式的響應(yīng)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(fā)展，新型滅弧方式引入永磁技術(shù)，充分發(fā)揮了永磁場的體積小、磁場強大、絕緣方便、不發(fā)熱等優(yōu)勢。采用新型滅弧方式的接觸器通過對結(jié)構(gòu)的大幅度優(yōu)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(jié)構(gòu)主要由2個“反向布置”的永久磁鐵及其兩側(cè)的滅弧線圈構(gòu)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(shè)計。

1)階段1——電弧產(chǎn)生階段。在圖2 a)中，觸橋向下移動時觸點開始分斷，電弧產(chǎn)生。永久磁鐵產(chǎn)生的磁場可快速使電弧驅(qū)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(jīng)移動至下方的最終斷開位置。此時電弧的移動是重點。依據(jù)“右手法則”，2個反向布置永久磁鐵形成的永磁場將驅(qū)使電弧都向相同方向運動。圖2 b)中，左側(cè)電弧移向下方的滅弧室C，右側(cè)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(xù)移動后，右側(cè)左向電弧接通了上部的引弧片，從而連接了布置于兩側(cè)的滅弧線圈(先接通右側(cè)線圈，再通過中間的電弧連接左側(cè)引弧片，進而接通左側(cè)線圈)。此時，電弧能量轉(zhuǎn)移至上側(cè)電弧，而下方左側(cè)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(fā)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(yōu)點：電弧產(chǎn)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(wù)工況。

缺點：由于布置了2套滅弧系統(tǒng)，兼顧了電磁方式和永磁方式，故整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計的最新滅弧方式，在傳統(tǒng)永磁滅弧基礎(chǔ)上進行了重要改進。如圖3所示，CP方式滅弧結(jié)構(gòu)有如下改進：① 在觸頭兩側(cè)結(jié)構(gòu)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(cè)布置了極板，與永久磁鐵間的極板共同構(gòu)成4個小永磁滅弧室(滅弧通道)；③ 在最外側(cè)上下方再各設(shè)1套主滅弧室。

圖3 CP方式的滅弧結(jié)構(gòu)

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(cè)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(cè)的主滅弧室中熄滅。

a)電流為A方向

采用CP方式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：① 在電弧產(chǎn)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(shè)置了2套永磁滅弧系統(tǒng)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(fā)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(yīng)不需要更多的大體積主滅弧室，故該滅弧結(jié)構(gòu)在外形尺寸、重量和成本上都有優(yōu)勢。

缺點：雙套強力永磁場的系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)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(yōu)，CP方式最優(yōu)。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(jié)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(jié)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(jié)語

在城市軌道交通變流系統(tǒng)低壓雙向直流電路的應(yīng)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(tǒng)的滅弧方式很難解決雙向直流的分斷難題，其結(jié)構(gòu)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(shù)為核心的新型滅弧方式創(chuàng)新地組合使用了永磁技術(shù)，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(yōu)于傳統(tǒng)滅弧方式。隨著制造工藝的優(yōu)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。