引言

廣州地鐵某線路牽引供電采用的是1500VNDC直流開關(guān)。斷路器和小車采用一體化設(shè)計(jì),面板采用人體工程學(xué)設(shè)計(jì),有效保障了運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員的人身安全。斷路器小車尺寸小,操作方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一次元件和二次控制系統(tǒng)相互獨(dú)立,能有效防止一次系統(tǒng)對(duì)二次控制系統(tǒng)的干擾(振動(dòng)、電磁干擾等),增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該型直流開關(guān)為磁保持開關(guān),采用永久磁通保持開關(guān)合閘位置,開關(guān)合閘時(shí)相對(duì)啟動(dòng)電流較大,合閘后不需要線圈電流來(lái)保持合閘位置,通過(guò)永磁體的磁通來(lái)保持合閘位。NDC直流斷路器通過(guò)電弧轉(zhuǎn)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(guān)的合閘和復(fù)位過(guò)程、分閘和大電流脫扣過(guò)程及磁吹滅弧過(guò)程的磁路變化,對(duì)其原理及動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1NDC直流開關(guān)結(jié)構(gòu)介紹

NDC直流開關(guān)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、操作方便,寬×深×高:370mm×895mm×1215mm。如圖1所示,主要構(gòu)成部件包括動(dòng)/靜觸頭、一次連接觸頭、永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、永磁操作機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置、滅弧罩、電弧轉(zhuǎn)移線圈等。

永磁操作機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)斷路器合閘和機(jī)構(gòu)復(fù)位,永磁操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈、分閘彈簧、非磁性驅(qū)動(dòng)桿等。

永磁閉鎖機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)斷路器的快速分閘,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)構(gòu)成部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈、門鎖分閘彈簧、觸頭壓力彈簧等。

斷路器配置有大電流脫扣裝置,用于實(shí)現(xiàn)斷路器間接快速脫扣功能。

開關(guān)配置有電弧轉(zhuǎn)移線圈,在小電流開斷時(shí)能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力來(lái)推動(dòng)電弧進(jìn)入滅弧柵片,實(shí)現(xiàn)無(wú)極限雙向開斷。

2NDC直流開關(guān)合閘及復(fù)位過(guò)程分析

2.1永磁操作機(jī)構(gòu)基本介紹及磁路分析

NDC直流開關(guān)通過(guò)永磁操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器合閘和機(jī)構(gòu)復(fù)位,并實(shí)現(xiàn)開關(guān)合位保持功能。如圖2所示,永磁操作機(jī)構(gòu)核心部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈等,與機(jī)構(gòu)磁性框架構(gòu)成對(duì)應(yīng)的磁路。

永磁操作機(jī)構(gòu)形成的磁路一種為永磁鐵形成的用于保持機(jī)構(gòu)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(shí),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(chǎn)生的下半部分磁通大于上半部分磁通,產(chǎn)生的磁力保持銜鐵位于下部。在分閘位置時(shí),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(chǎn)生的上半部分磁通大于下半部分磁通,產(chǎn)生的磁力保持銜鐵位于上部。

永磁操作機(jī)構(gòu)形成的磁路另外一種為勵(lì)磁線圈通電后形成的用于抵消永磁鐵保持磁通驅(qū)動(dòng)銜鐵以實(shí)現(xiàn)斷路器合閘和復(fù)位操作的磁路,該磁路因勵(lì)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(qū)動(dòng)銜鐵實(shí)現(xiàn)斷路器合閘的合閘過(guò)程磁路、用于抵消永磁鐵合位保持磁通驅(qū)動(dòng)銜鐵實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)復(fù)位的復(fù)位過(guò)程磁路。

2.2合閘時(shí)永磁操作機(jī)構(gòu)的磁路分析

當(dāng)斷路器合閘時(shí),如圖4所示,勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁通,抵消永磁鐵分位保持磁通,加強(qiáng)了永磁鐵在下半部分的磁通。當(dāng)電流足夠大時(shí),勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的合閘過(guò)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(jī)構(gòu)下半部分磁性框架貼合。隨著銜鐵位置改變,操作機(jī)構(gòu)向外推動(dòng)非磁性驅(qū)動(dòng)桿的末端,驅(qū)動(dòng)梁擺動(dòng),使動(dòng)觸頭移到合閘位置。動(dòng)靜觸頭接觸后,觸頭間產(chǎn)生彈性壓力,其方向與永磁閉鎖機(jī)構(gòu)合位保持力方向相反,且在合閘過(guò)程中,分閘彈簧壓縮儲(chǔ)能。

2.3復(fù)位時(shí)永磁操作機(jī)構(gòu)的磁路分析

當(dāng)斷路器分閘或脫扣后操作機(jī)構(gòu)復(fù)位,如圖5所示,勵(lì)磁線圈通電,電流流通的方向與合閘操作時(shí)相反,產(chǎn)生復(fù)位過(guò)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(dāng)吸引力低于保持所需吸引力水平時(shí),分閘彈簧彈力釋放,驅(qū)動(dòng)銜鐵向上部移動(dòng),隨著銜鐵貼近操作機(jī)構(gòu)上部支撐面時(shí),永磁體因磁路變化產(chǎn)生分位保持磁通,吸引銜鐵與操作機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)向內(nèi)拉動(dòng)非磁性驅(qū)動(dòng)桿的末端,驅(qū)動(dòng)梁擺動(dòng),永磁閉鎖機(jī)構(gòu)銜鐵隨著驅(qū)動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)到機(jī)構(gòu)支撐面,形成永磁體閉鎖磁路,閉鎖磁通產(chǎn)生,使銜鐵與支撐面貼合,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)門鎖分閘彈簧壓縮充能。斷路器復(fù)位完成,為下一次合閘做準(zhǔn)備。

3NND直流開關(guān)分閘及大電流脫扣過(guò)程分析

3.1永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置基本介紹

NDC直流開關(guān)通過(guò)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器的快速分閘,并實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合位置保持功能。永磁操作機(jī)構(gòu)核心部件包括永磁鐵、銜鐵、勵(lì)磁線圈等,與機(jī)構(gòu)磁性框架構(gòu)成對(duì)應(yīng)的磁路。

斷路器配置有大電流脫扣裝置,用于實(shí)現(xiàn)斷路器間接快速脫扣功能。大電流脫扣保護(hù)是斷路器本體保護(hù),合閘狀態(tài)下通過(guò)大電流達(dá)到設(shè)定值后快速動(dòng)作分閘。

3.2正常分閘時(shí)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)磁路分析

如圖6所示,當(dāng)開關(guān)處于合位或者分閘后已復(fù)位狀態(tài)時(shí),永磁閉鎖機(jī)構(gòu)銜鐵與機(jī)構(gòu)磁性框架的支撐面緊密貼合,構(gòu)成了閉鎖磁路,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)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(shí)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)門鎖分閘彈簧壓縮,永磁鐵形成的吸力大于門鎖分閘彈簧的彈力。

直流開關(guān)正常分閘或大電流脫扣都是通過(guò)抵消永磁閉鎖機(jī)構(gòu)永磁鐵閉鎖磁通的方式來(lái)削弱保持銜鐵與支撐面的吸力,如圖7所示,當(dāng)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)門鎖分閘彈簧上的彈力超過(guò)保持銜鐵與支撐面的吸力,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵脫扣,當(dāng)銜鐵與其支撐面分離時(shí),觸頭壓力彈簧釋放能量,加速推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿,驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭與靜觸頭快速分離。開關(guān)分閘或脫扣后永磁操作機(jī)構(gòu)勵(lì)磁線圈得電,永磁操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位,準(zhǔn)備下一次合閘。

直流開關(guān)正常分閘時(shí),永磁閉鎖機(jī)構(gòu)勵(lì)磁線圈通電,如圖8所示,電流產(chǎn)生的磁通方向與永磁鐵的磁通方向相反,勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)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。

圖8 正常分閘時(shí)永磁閉鎖機(jī)構(gòu)磁路示意圖

3.3大電流脫扣時(shí)裝置磁路分析

當(dāng)主回路的電流大于大電流脫扣定值時(shí),永磁閉鎖機(jī)構(gòu)直接動(dòng)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(chǎn)生磁通,隨著主回路電流增大,該磁通量也會(huì)相應(yīng)增加,這部分磁通量會(huì)抵消永磁閉鎖機(jī)構(gòu)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(dāng)主回路電流達(dá)到大電流脫扣定值,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)門鎖分閘彈簧彈力超過(guò)永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵脫扣,當(dāng)銜鐵與其支撐面分離時(shí),觸頭壓力彈簧釋放能量,加速推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿,使得動(dòng)靜觸頭快速分離。

圖9 大電流脫扣時(shí)磁路示意圖

通過(guò)調(diào)節(jié)大電流脫扣裝置磁性部件之間的空氣間隙,可實(shí)現(xiàn)大電流脫扣磁路調(diào)節(jié),進(jìn)而設(shè)定大電流脫扣定值,可以根據(jù)需求設(shè)定開關(guān)主回路電流在達(dá)到某特定值時(shí)快速分?jǐn)嚅_關(guān)。此外,大電流脫扣磁路中有一個(gè)移動(dòng)閥門(活動(dòng)銜鐵)控制大電流脫扣定值臨界值時(shí)的磁通量,防止主回路電流接近大電流脫扣定值時(shí)導(dǎo)致永磁閉鎖機(jī)構(gòu)銜鐵與其支撐面保持力不穩(wěn)定。移動(dòng)閥門的工作原理是當(dāng)主回路電流達(dá)到大電流脫扣定值時(shí),移動(dòng)閥門(活動(dòng)銜鐵)首先動(dòng)作,使得大電流脫扣回路磁路閉合,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵流過(guò)磁通得到加強(qiáng),抵消永磁鐵保持銜鐵與支撐面的吸力,永磁閉鎖機(jī)構(gòu)后方銜鐵脫扣,用于保證大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確性。

4NDC直流開關(guān)無(wú)源電流轉(zhuǎn)移線圈吹弧原理

NDC直流開關(guān)滅弧裝置可通過(guò)電流產(chǎn)生的磁吹力將觸頭間產(chǎn)生的電弧迅速吹入滅弧室,其磁吹力[3]是通過(guò)無(wú)源電流轉(zhuǎn)移線圈實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)斷路器電流回路中電流偏小,電流本身產(chǎn)生的磁力不夠?qū)㈦娀∫霚缁艜r(shí),轉(zhuǎn)移線圈可以提供一個(gè)向上的磁吹力,把電弧引進(jìn)滅弧柵。

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

圖10 無(wú)源轉(zhuǎn)移線圈原理示意圖

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述,NDC直流開關(guān)內(nèi)部通過(guò)永磁操作機(jī)構(gòu)、永磁閉鎖機(jī)構(gòu)、大電流脫扣裝置、無(wú)源轉(zhuǎn)移線圈等部件,利用磁路變化實(shí)現(xiàn)分合閘、復(fù)位、脫扣及磁吹滅弧等功能。本文通過(guò)對(duì)直流開關(guān)的合閘和復(fù)位過(guò)程、分閘和大電流脫扣過(guò)程及磁吹滅弧過(guò)程的磁路變化和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化的深入分析,詳細(xì)介紹了NDC直流開關(guān)分合閘、復(fù)位、脫扣及磁吹滅弧的原理,對(duì)NDC直流開關(guān)的維護(hù)及故障處理有指導(dǎo)性意義。