城市轨道交通直流牵引系统NDC直流开关三种磁路分析

引言

广州地铁某线路牵引供电采用的是1500VNDC直流开关。断路器和小车采用一体化设计,面板采用人体工程学设计,有效保障了运营维护人员的人身安全。断路器小车尺寸小,操作方便,结构简单,一次元件和二次控制系统相互独立,能有效防止一次系统对二次控制系统的干扰(振动、电磁干扰等),增强系统的稳定性。该型直流开关为磁保持开关,采用永久磁通保持开关合闸位置,开关合闸时相对启动电流较大,合闸后不需要线圈电流来保持合闸位置,通过永磁体的磁通来保持合闸位。NDC直流断路器通过电弧转移线圈具备了小电流开断能力。本文将着重分析NDC直流开关的合闸和复位过程、分闸和大电流脱扣过程及磁吹灭弧过程的磁路变化,对其原理及动作过程进行详细阐述。

1NDC直流开关结构介绍

NDC直流开关整体结构简单、尺寸小、操作方便,宽×深×高:370mm×895mm×1215mm。如图1所示,主要构成部件包括动/静触头、一次连接触头、永磁闭锁机构、永磁操作机构、大电流脱扣装置、灭弧罩、电弧转移线圈等。

永磁操作机构用于实现断路器合闸和机构复位,永磁操作机构构成部件包括永磁铁、衔铁、励磁线圈、分闸弹簧、非磁性驱动杆等。

永磁闭锁机构用于实现断路器的快速分闸,永磁闭锁机构构成部件包括永磁铁、衔铁、励磁线圈、门锁分闸弹簧、触头压力弹簧等。

断路器配置有大电流脱扣装置,用于实现断路器间接快速脱扣功能。

开关配置有电弧转移线圈,在小电流开断时能产生足够的驱动力来推动电弧进入灭弧栅片,实现无极限双向开断。

2NDC直流开关合闸及复位过程分析

2.1永磁操作机构基本介绍及磁路分析

NDC直流开关通过永磁操作机构实现断路器合闸和机构复位,并实现开关合位保持功能。如图2所示,永磁操作机构核心部件包括永磁铁、衔铁、励磁线圈等,与机构磁性框架构成对应的磁路。

永磁操作机构形成的磁路一种为永磁铁形成的用于保持机构固定位置的磁路,该磁路因衔铁位置不同,又可分为用于合闸位置保持的合位保持磁路、用于分闸位置保持的分位保持磁路。如图3所示,在合闸位置时,衔铁位于下部,与下半部分磁性框架紧密贴合,气隙处于上部,因此永磁铁产生的下半部分磁通大于上半部分磁通,产生的磁力保持衔铁位于下部。在分闸位置时,衔铁位于上部,与上半部分磁性框架紧密贴合,气隙处于下部,因此永磁铁产生的上半部分磁通大于下半部分磁通,产生的磁力保持衔铁位于上部。

永磁操作机构形成的磁路另外一种为励磁线圈通电后形成的用于抵消永磁铁保持磁通驱动衔铁以实现断路器合闸和复位操作的磁路,该磁路因励磁线圈通电电流方向不同,又可分为用于抵消永磁铁分位保持磁通驱动衔铁实现断路器合闸的合闸过程磁路、用于抵消永磁铁合位保持磁通驱动衔铁实现操作机构复位的复位过程磁路。

2.2合闸时永磁操作机构的磁路分析

当断路器合闸时,如图4所示,励磁线圈通电产生磁通,抵消永磁铁分位保持磁通,加强了永磁铁在下半部分的磁通。当电流足够大时,励磁线圈产生的合闸过程磁通抵消永磁铁分位保持磁通后促使衔铁与支撑面分离,使断路器合闸,衔铁与操作机构下半部分磁性框架贴合。随着衔铁位置改变,操作机构向外推动非磁性驱动杆的末端,驱动梁摆动,使动触头移到合闸位置。动静触头接触后,触头间产生弹性压力,其方向与永磁闭锁机构合位保持力方向相反,且在合闸过程中,分闸弹簧压缩储能。

2.3复位时永磁操作机构的磁路分析

当断路器分闸或脱扣后操作机构复位,如图5所示,励磁线圈通电,电流流通的方向与合闸操作时相反,产生复位过程磁通,削弱永磁铁合位保持磁通,大大减弱了衔铁与下部支撑面的吸引力,当吸引力低于保持所需吸引力水平时,分闸弹簧弹力释放,驱动衔铁向上部移动,随着衔铁贴近操作机构上部支撑面时,永磁体因磁路变化产生分位保持磁通,吸引衔铁与操作机构上部支撑面贴合,消除反跳的可能性。随着衔铁位置改变,操作机构向内拉动非磁性驱动杆的末端,驱动梁摆动,永磁闭锁机构衔铁随着驱动梁运动到机构支撑面,形成永磁体闭锁磁路,闭锁磁通产生,使衔铁与支撑面贴合,永磁闭锁机构内门锁分闸弹簧压缩充能。断路器复位完成,为下一次合闸做准备。

3NND直流开关分闸及大电流脱扣过程分析

3.1永磁闭锁机构、大电流脱扣装置基本介绍

NDC直流开关通过永磁闭锁机构实现断路器的快速分闸,并实现开关分合位置保持功能。永磁操作机构核心部件包括永磁铁、衔铁、励磁线圈等,与机构磁性框架构成对应的磁路。

断路器配置有大电流脱扣装置,用于实现断路器间接快速脱扣功能。大电流脱扣保护是断路器本体保护,合闸状态下通过大电流达到设定值后快速动作分闸。

3.2正常分闸时永磁闭锁机构磁路分析

如图6所示,当开关处于合位或者分闸后已复位状态时,永磁闭锁机构衔铁与机构磁性框架的支撑面紧密贴合,构成了闭锁磁路,永磁闭锁机构永磁铁形成的闭锁磁通用于保持衔铁与支撑面吸合,与此同时永磁闭锁机构内门锁分闸弹簧压缩,永磁铁形成的吸力大于门锁分闸弹簧的弹力。

直流开关正常分闸或大电流脱扣都是通过抵消永磁闭锁机构永磁铁闭锁磁通的方式来削弱保持衔铁与支撑面的吸力,如图7所示,当永磁闭锁机构内门锁分闸弹簧上的弹力超过保持衔铁与支撑面的吸力,永磁闭锁机构后方衔铁脱扣,当衔铁与其支撑面分离时,触头压力弹簧释放能量,加速推动驱动杆,驱动动触头与静触头快速分离。开关分闸或脱扣后永磁操作机构励磁线圈得电,永磁操作机构进行复位,准备下一次合闸。

直流开关正常分闸时,永磁闭锁机构励磁线圈通电,如图8所示,电流产生的磁通方向与永磁铁的磁通方向相反,励磁线圈通电产生的磁通抵消永磁铁的磁通,削弱保持衔铁与支撑面的吸力,使得后方衔铁脱扣。

图8 正常分闸时永磁闭锁机构磁路示意图

3.3大电流脱扣时装置磁路分析

当主回路的电流大于大电流脱扣定值时,永磁闭锁机构直接动作脱扣。如图9所示,主回路电流在大电流脱扣装置磁路中产生磁通,随着主回路电流增大,该磁通量也会相应增加,这部分磁通量会抵消永磁闭锁机构永磁铁的闭锁磁通,使得永磁铁保持衔铁与支撑面的吸力减小。当主回路电流达到大电流脱扣定值,永磁闭锁机构内门锁分闸弹簧弹力超过永磁铁保持衔铁与支撑面的吸力,永磁闭锁机构后方衔铁脱扣,当衔铁与其支撑面分离时,触头压力弹簧释放能量,加速推动驱动杆,使得动静触头快速分离。

图9 大电流脱扣时磁路示意图

通过调节大电流脱扣装置磁性部件之间的空气间隙,可实现大电流脱扣磁路调节,进而设定大电流脱扣定值,可以根据需求设定开关主回路电流在达到某特定值时快速分断开关。此外,大电流脱扣磁路中有一个移动阀门(活动衔铁)控制大电流脱扣定值临界值时的磁通量,防止主回路电流接近大电流脱扣定值时导致永磁闭锁机构衔铁与其支撑面保持力不稳定。移动阀门的工作原理是当主回路电流达到大电流脱扣定值时,移动阀门(活动衔铁)首先动作,使得大电流脱扣回路磁路闭合,永磁闭锁机构后方衔铁流过磁通得到加强,抵消永磁铁保持衔铁与支撑面的吸力,永磁闭锁机构后方衔铁脱扣,用于保证大电流脱扣保护动作准确性。

4NDC直流开关无源电流转移线圈吹弧原理

NDC直流开关灭弧装置可通过电流产生的磁吹力将触头间产生的电弧迅速吹入灭弧室,其磁吹力[3]是通过无源电流转移线圈实现的,当断路器电流回路中电流偏小,电流本身产生的磁力不够将电弧引入灭弧栅时,转移线圈可以提供一个向上的磁吹力,把电弧引进灭弧栅。

如图10所示,无源电流转移线圈连接两边并列主电流电磁铁芯产生磁通,当电流流经主回路时,线圈里的磁通流经触头之间,方向垂直于电弧电流,这样排列线圈产生的磁力可以向上移动电弧电流。如果电流在反方向流动,那么线圈里的磁通也是反向的,作用在电弧电流上的磁力仍然是向上的。线圈是用软磁材料制作的,可以协助开断从几安培到几千安培的电流,甚至在出现最大短路电流后剩磁也很低,残余磁化非常小,因此出现反向小电流也可以倒转磁场,使得断路器具备开断临界电流或反向临界电流的能力。

图10 无源转移线圈原理示意图

5结语

综上所述,NDC直流开关内部通过永磁操作机构、永磁闭锁机构、大电流脱扣装置、无源转移线圈等部件,利用磁路变化实现分合闸、复位、脱扣及磁吹灭弧等功能。本文通过对直流开关的合闸和复位过程、分闸和大电流脱扣过程及磁吹灭弧过程的磁路变化和机构运动变化的深入分析,详细介绍了NDC直流开关分合闸、复位、脱扣及磁吹灭弧的原理,对NDC直流开关的维护及故障处理有指导性意义。