對(duì)軌道交通系統(tǒng)直流接觸器磁吹滅弧弱點(diǎn)的探討及解決實(shí)例

李義國(guó)

（西門子（中國(guó)）有限公司 上海分公司，上海201401）

對(duì)軌道交通系統(tǒng)直流接觸器磁吹滅弧弱點(diǎn)的探討及解決實(shí)例

李義國(guó)

（西門子（中國(guó)）有限公司 上海分公司，上海201401）

通過(guò)對(duì)地鐵車輛運(yùn)行期間發(fā)生接觸器燒毀事故的分析，較為詳細(xì)地闡述了直流接觸器的滅弧原理。同時(shí)針對(duì)其采用間接串入磁吹線圈滅弧的弱磁缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)方案.并對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，獲得了理想的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)近一年的實(shí)踐運(yùn)行，再未發(fā)生類似事故。證明所提方案可以有效地克服載流量越小時(shí)，接觸器滅弧能力越弱的缺點(diǎn).說(shuō)明該方案值得借鑒和推廣。

軌道交通系統(tǒng)；直流接觸器；磁吹滅弧；探討

2012年8月9日上海地鐵13號(hào)線項(xiàng)目列車在制造商南京蒲鎮(zhèn)車輛廠調(diào)試期間，燒毀牽引回路直流接觸器3只，在上海試運(yùn)營(yíng)期間再次發(fā)生4起。同樣的事故在鄭州地鐵項(xiàng)目也發(fā)生了4起，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此類事故有2個(gè)共同的特征：①發(fā)生在牽引系統(tǒng)自檢過(guò)程；②當(dāng)列車運(yùn)行在最高速度80 km/h時(shí)，如出現(xiàn)制動(dòng)措施，則往往發(fā)生此類事故。事故接觸器型號(hào)為L(zhǎng)TC 1 000 1P NO STANDARD（LTC1 000 1*A02），其額定電壓DC 1 500 V，額定電流1 000 A。

經(jīng)過(guò)對(duì)事故的兩種特征的分析，基本認(rèn)定是由于接觸器的弱磁滅弧缺點(diǎn)所致。①當(dāng)列車每次運(yùn)營(yíng)前，為了保證其運(yùn)營(yíng)的安全可靠性，西門子的牽引系統(tǒng)會(huì)對(duì)預(yù)充電接觸器，線路接觸器，制動(dòng)斬波器，制動(dòng)電阻，牽引逆變器及牽引電機(jī)等相關(guān)的設(shè)備做一順序的短時(shí)通斷電動(dòng)作檢查。因這一過(guò)程是由軟件程序控制自動(dòng)完成的，故稱牽引自檢。自檢期間列車處于常用制動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)。由于牽引自檢過(guò)程各設(shè)備都是被接通數(shù)秒即自行自動(dòng)斷開，對(duì)于線路接觸器來(lái)說(shuō)，流過(guò)接觸器的電流不會(huì)超過(guò)16 A。其斷開的過(guò)程恰好為斷開小負(fù)載電流的過(guò)程；②根據(jù)牽引性能計(jì)算和實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，列車運(yùn)行時(shí)流過(guò)線路接觸器的電流和列車速度之間的關(guān)系如圖1所示.列車速度從零加速至53 km/h期間，列車運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在此期間，流過(guò)線路接觸器的電流從0上升到520 A。當(dāng)速度大于53 km/h后，列車將運(yùn)行在恒功率區(qū)，此時(shí)流過(guò)線路接觸器的電流將和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一樣隨列車速度的增大成反比例減小。速度大約接近80 km/h時(shí)，電流迅速下降到20 A以下.這一特征是由牽引逆變器和牽引電機(jī)的牽引特性所決定。列車加速至80 km/h時(shí)，由牽引模式轉(zhuǎn)換為快速制動(dòng)模式時(shí)出現(xiàn)線路接觸器斷開的原因，通過(guò)維護(hù)接口用維護(hù)MONITOR工具對(duì)相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)。參考圖2。

圖1 速度和電流的關(guān)系圖

圖2中紅色圓圈所標(biāo)注的地方：列車速度v＝80 km/h，此時(shí)線路接觸器電流低于20 A；列車運(yùn)行模式信號(hào)XCMD的值由4變?yōu)?，繼而再變?yōu)?，意味著列車由牽引模式經(jīng)惰行模式再進(jìn)入快速制動(dòng)模式；而此時(shí)線路接觸器合閘反饋信號(hào)QTNTZKA/B/C/D由高電平1變?yōu)榈碗娖?，持續(xù)不到500 ms又變回高電平1，意味著此時(shí)線路接觸器斷開了約0.5 s。而這一過(guò)程也正好體現(xiàn)出線路接觸器在斷開20 A以下小負(fù)載電流的過(guò)程。當(dāng)然此期間的線路接觸器應(yīng)該為合閘狀態(tài)，此情況下的分?jǐn)嘟?jīng)過(guò)分析認(rèn)定是軟件控制邏輯錯(cuò)誤引起。經(jīng)更新軟件后，在運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換期間未再發(fā)生線路接觸器短時(shí)分?jǐn)嗟那闆r?？傊?，線路接觸器的弱磁缺點(diǎn)才是其燒毀的根本原因，否則即使由于軟件缺陷引起接觸器短時(shí)分?jǐn)嘈∝?fù)載電流，也不會(huì)致其燒毀。為了根除此類事故，對(duì)線路接觸器的構(gòu)造及原理進(jìn)行分析并對(duì)它進(jìn)行改造是有必要的。

1 故障接觸器解剖及滅弧原理分析

大量的理論計(jì)算和實(shí)踐結(jié)果證明，如在開關(guān)電器觸頭弧隙附近附一外加磁場(chǎng)，將大大的有利于熄滅和縮短燃弧時(shí)間［1］，而附加磁場(chǎng)的目的就是為了用其磁場(chǎng)能量拉長(zhǎng)電弧。本文所提到的接觸器，其最重要的滅弧方式之一就是使用附加磁場(chǎng)滅弧，當(dāng)然拉長(zhǎng)電弧可以通過(guò)多種手段達(dá)到。下面我們將利用拆解了的故障接觸器的實(shí)物圖和剖面圖（參考圖4，圖5），介紹接觸器是用那些手段拉長(zhǎng)電弧及熄滅電弧的。其中線路接觸器的示意圖3可更方便于對(duì)其原理的描述，也可幫助我們更形象地理解它的工作原理。

圖3 接觸器工作示意圖

（1）機(jī)械力拉長(zhǎng)電弧。當(dāng)接觸器的控制線圈失電后，在彈簧力的作用下其動(dòng)靜觸頭分離的過(guò)程即為機(jī)械拉長(zhǎng)弧光的過(guò)程。

（2）用電動(dòng)力拉長(zhǎng)電弧。當(dāng)負(fù)載接觸器動(dòng)靜觸頭分開時(shí)，電流經(jīng)過(guò)弧光流過(guò)接觸器的動(dòng)靜觸頭，此時(shí)弧光1和弧光2中電流流向相反，形成相斥的電動(dòng)力F1，其方向如圖3中黑色的單向箭頭所示。

（3）磁動(dòng)力拉長(zhǎng)電弧。磁吹線圈的其中一極和主回路中接線柱直接電氣相連，在圖3中用不帶箭頭的藍(lán)色線表示。其另一極和主電路沒(méi)有直接的電氣連接，而和導(dǎo)弧片直接相接，在圖3中用帶箭頭的藍(lán)色線表示。接觸器正常工作時(shí)，磁吹線圈和整個(gè)回路斷開，線圈中沒(méi)有電流流過(guò)，磁吹線圈不工作，而當(dāng)帶載接觸器分?jǐn)嗥陂g，電流流向依次為：電源正極→接線柱1和磁吹線圈1→導(dǎo)弧片1→弧光1→動(dòng)觸頭→弧光2→導(dǎo)弧片2→磁吹線圈2→接線柱2→負(fù)載→電源負(fù)極這樣就形成一個(gè)完整的回路，從而2個(gè)磁吹線圈獲得勵(lì)磁電流形成磁場(chǎng)，和弧光電流相互作用形成磁動(dòng)力F2，其方向如圖3中黑色的單向箭頭所示。磁吹線圈能夠工作的主要媒介是由導(dǎo)弧片和弧光將其串入電路從而發(fā)揮其作用的。

（4）在動(dòng)靜觸頭上方加裝滅弧罩，弧光被導(dǎo)弧片引入滅弧室，滅弧室的特殊陶瓷材料和特殊窄縫結(jié)構(gòu)可加速高溫的等離子電子流的溫度和動(dòng)能的下降，增加其復(fù)合機(jī)會(huì)，從而使弧光徹底熄滅。

圖4 改造前的導(dǎo)弧片

為了更直觀理解起見，我們借助圖4對(duì)其磁動(dòng)力的形成做進(jìn)一步的說(shuō)明。圖4中導(dǎo)弧片的2個(gè)矩形孔即為2副靜觸頭伸出的位置。靜觸頭和導(dǎo)弧片之間有大約2 mm左右的電氣絕緣間隙。當(dāng)動(dòng)靜觸頭分?jǐn)噍^大電流時(shí)，由于彈簧機(jī)械力以及弧光電流之間的電動(dòng)力的共同作用，將弧光拉長(zhǎng)，使弧光越過(guò)2 mm的電氣間隙進(jìn)入導(dǎo)弧片從而將2個(gè)磁吹線圈串入整個(gè)電路形成磁場(chǎng)和弧光電流相互作用產(chǎn)生磁動(dòng)力，進(jìn)一步使電弧拉長(zhǎng)，加速了電弧的熄滅。但當(dāng)接觸器動(dòng)靜觸頭分?jǐn)嗟呢?fù)載電流過(guò)小時(shí)，由于彈簧機(jī)械力和弧光電流之間的電動(dòng)力拉長(zhǎng)電弧的效果無(wú)法使電弧越過(guò)導(dǎo)弧片和靜觸頭之間2 mm的電氣間隙，也就是說(shuō)無(wú)法將磁吹線圈串入電路，形成磁場(chǎng)。因此不能把弧光進(jìn)一步拉長(zhǎng)而熄滅，從而引起燒毀接觸器的事故。

2 解決方案

在軌道交通行業(yè)，由于運(yùn)行環(huán)境和安裝條件所限，所選接觸器除各種技術(shù)參數(shù)的合理外，還必須考慮它的安裝尺寸和總重，否則太大的體積將會(huì)對(duì)有限安裝空間帶來(lái)挑戰(zhàn)，較大總重也會(huì)加重牽引系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響牽引運(yùn)行性能。因此解決方案無(wú)法考慮更換用真空滅弧或六氟化硫滅弧類型的接觸器。因?yàn)榇祟惤佑|器使用了額外的滅弧介質(zhì)，因此其體積大，總重也大。為此，我們不得不考慮在現(xiàn)有接觸器的基礎(chǔ)上，對(duì)其改進(jìn)加以使用。

通過(guò)上面的分析我們可知，如果能在接觸器動(dòng)靜觸頭分?jǐn)嗟倪^(guò)程中，設(shè)法在小負(fù)載電流下，也能讓磁吹線圈得到勵(lì)磁電流，問(wèn)題即可迎刃而解。具體的改進(jìn)方案可參考圖5。

圖5 改造后的拆解圖（a），改造后刨面圖（b）

從圖5中可以看出，和原接觸器相比，改進(jìn)后的接觸器多了一副專用的輔助滅弧觸頭.其靜觸頭被焊接在導(dǎo)弧片上，它和2副主靜觸頭電氣絕緣；其動(dòng)觸頭被加裝在2副主動(dòng)觸頭之間，且它們電氣相通。接觸器主動(dòng)靜觸頭之間的開距約為8 mm，輔助滅弧動(dòng)靜觸頭間開距約6 mm。但主、輔動(dòng)觸頭為同步動(dòng)作，且它們的動(dòng)觸點(diǎn)均處于同一平面上，這就保證了滅弧輔助觸頭先于主觸頭閉合而后于主觸頭斷開。在這種情況下，無(wú)論接觸器斷開小負(fù)載電流還是斷開大負(fù)載電流，利用輔助滅弧動(dòng)靜觸頭幾十毫秒的斷開延時(shí)時(shí)間，使兩個(gè)磁吹線圈被串入電路，進(jìn)而磁吹線圈獲得幾十毫秒的勵(lì)磁電流而形成磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)和弧光電流相互作用產(chǎn)生磁動(dòng)力，其和機(jī)械力和電動(dòng)力形成更大的合力，將弧光拉得更長(zhǎng)，使其進(jìn)入滅弧室，從而使弧光徹底熄滅。

3 解決方案的試驗(yàn)室測(cè)試

由于此改進(jìn)對(duì)接觸器的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性指標(biāo)不會(huì)造成影響，對(duì)其分?jǐn)啻筘?fù)載電流的能力也沒(méi)有影響，所以下面的試驗(yàn)主要是對(duì)小電流負(fù)載運(yùn)行條件下接觸器的弧光分?jǐn)嗄芰M(jìn)行了測(cè)試。

為了能更好地理解改進(jìn)后接觸器的分?jǐn)嘈Ч?，我們?duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的接觸器做了如下幾組對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)組1從下面試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表1中可以看出：在2 000 V的額定電源，19.6 A負(fù)載電流，負(fù)載電感為8.5 m H的相同試驗(yàn)條件下，改造前的接觸器熄滅弧光的時(shí)間大約為改造后的3倍左右。顯然改造后接觸器的滅弧能力得到了提高。圖6和圖7為試驗(yàn)組1中第6次試驗(yàn)的弧光電壓和弧光電流的曲線圖，它們具體地展現(xiàn)兩組接觸器的滅弧過(guò)程。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，改造后的接觸器比改造前的接觸器熄滅電弧快了32 ms。在第1條標(biāo)注線前，動(dòng)靜觸頭間流過(guò)約17.5 A到20 A的負(fù)載電流，接觸器處于合閘狀態(tài)，因此它們之間沒(méi)有電壓降；在兩條紅色標(biāo)注線之間的56 s、24 s時(shí)間內(nèi)，動(dòng)靜觸頭開始分?jǐn)?，弧光由于機(jī)械力，電動(dòng)力及磁動(dòng)力的作用而拉長(zhǎng)，進(jìn)入滅弧室而逐漸變小，而觸頭間電壓逐漸上升；在第2條紅色標(biāo)注線后，觸頭間電壓升至2 000 V左右，電流降至零，代表動(dòng)靜觸頭已完全斷開，且弧光完全熄滅。

在其他條件相同，還分別作了13，10，8，5，2，1.2 A負(fù)載電流下接觸器的滅弧能力。其趨勢(shì)基本和試驗(yàn)組1及圖6和圖7的趨勢(shì)相似。因篇幅所限，下面僅列舉了1.2 A負(fù)載條件下的試驗(yàn)組2的測(cè)試結(jié)果，以便和試驗(yàn)組1做比較分析。

表1 試驗(yàn)組1斷開試驗(yàn)結(jié)果

圖6 改造前接觸器動(dòng)靜觸頭間弧光電壓和電流關(guān)系曲線

圖7 加弧觸頭后接觸器動(dòng)靜觸頭間弧光電壓和電流關(guān)系曲線

試驗(yàn)組2在2 000 V的額定電源，1.2 A負(fù)載電流，負(fù)載電感為8.5 m H的條件下，表2是試驗(yàn)結(jié)果，改造前的接觸器弧光持續(xù)燃燒，無(wú)法熄滅；改造后經(jīng)過(guò)幾百毫秒已熄滅了電弧。圖8和圖9是試驗(yàn)組2中第10次試驗(yàn)的弧光電壓和電流的關(guān)系圖。從圖9中兩條紅色的標(biāo)注線可以看出，改造后的接觸器用246 ms熄滅了電?。ň唧w的過(guò)程可參考圖6和圖7的分析）；而圖8中第1條紅色的標(biāo)注線前顯示接觸器處于合閘狀態(tài)，流過(guò)接觸器動(dòng)靜觸頭的電流維持在1 A至1.5 A之間，動(dòng)靜觸頭間壓降為零；在兩條紅色的標(biāo)注線之間，動(dòng)靜觸頭開始斷開，弧光電流稍稍下降至0.75 A左右，弧光電壓維持在2 900 V左右；在第2條紅色的標(biāo)注線后弧光電流又上升至1～1.5 A之間，代表雖然動(dòng)靜觸頭已經(jīng)完全斷開，但由于弧光持續(xù)燃燒，無(wú)法熄滅，弧光間內(nèi)阻非常小，所以弧光間的壓降為零，即動(dòng)靜觸頭間的壓降為零。

對(duì)比表1和表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以看出，改造前的接觸器當(dāng)負(fù)載電流從19.6 A變?yōu)?.2 A時(shí)，弧光電流將不能被熄滅。這就是它典型的弱磁滅弧的隱患。此時(shí)電動(dòng)力和機(jī)械力不足以將電弧拉長(zhǎng)越過(guò)靜觸頭和導(dǎo)弧片間的2 mm電氣間隙，無(wú)法將磁吹線圈串入主回路獲得磁場(chǎng)。改造后的接觸器雖然由于負(fù)載電流也變小，但由于有專用的滅弧輔助觸頭直接將磁吹線圈串入主電路數(shù)十毫秒，形成的磁場(chǎng)盡管也相應(yīng)變小，但也足以在機(jī)械力和電動(dòng)力的聯(lián)合作用下，將弧光進(jìn)一步拉長(zhǎng)進(jìn)入滅弧室，從而徹底熄滅。只是斷開弧光的時(shí)間則相應(yīng)長(zhǎng)一些，從幾十毫秒增加到幾百毫秒。

表2 試驗(yàn)組2斷開試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)組3為了驗(yàn)證改造后在大負(fù)載電流條件下，對(duì)接觸器滅弧能力的影響。另外做了幾組試驗(yàn)，下面僅列舉一組數(shù)據(jù)和圖例。請(qǐng)參考試驗(yàn)組3列表3和圖10、圖11。

從圖10和圖11可以看出，在較大負(fù)載電流的情況下，改造前后其滅弧能力基本上沒(méi)有多大變化，都用了幾十毫秒熄滅了電弧。對(duì)改造前的接觸器而言，這時(shí)因?yàn)槠湄?fù)載電流大，僅機(jī)械力和弧光的電動(dòng)力就足以將電弧拉長(zhǎng)，并越過(guò)靜觸頭和導(dǎo)弧片之間的2 mm間隙，把磁吹線圈接入一主回路，建立起磁場(chǎng)；而改造后的接觸器則利用輔助滅弧觸頭也可以在電動(dòng)力和機(jī)械力的作用下熄滅電弧。這也充分說(shuō)明改造對(duì)接觸器斷開大負(fù)載電流沒(méi)有影響。

另外通過(guò)對(duì)圖8和圖10、圖11的比較還可以發(fā)現(xiàn)，由于測(cè)試的負(fù)載電感參數(shù)從8 m H增加到45 m H，滅弧時(shí)產(chǎn)生的弧光過(guò)電壓值從2 900 V左右增加到6 000～8 000 V左右，達(dá)到額定電壓的3到4倍.這對(duì)電路中設(shè)備的絕緣將是一個(gè)致命的威脅。這一點(diǎn)必須引起電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的足夠重視。此時(shí)需要考慮設(shè)計(jì)消除過(guò)電壓電路。

圖8 改造前接觸器動(dòng)靜觸頭間弧光電壓和電流關(guān)系曲線

圖9 加弧觸頭后接觸器動(dòng)靜觸頭間弧光電壓和電流關(guān)系曲線

表3 斷開試驗(yàn)結(jié)果（所用參數(shù)為，Ue＝2 000 V，L＝45 mH，I＝146 A，Ic＝158 A）

圖10 改造前接觸器動(dòng)靜觸頭間弧光電壓和電流關(guān)系曲線

圖11 加弧觸頭后接觸器動(dòng)靜觸頭間弧光電壓和電流關(guān)系曲線

為驗(yàn)證改造后實(shí)際應(yīng)用的效果，在上海13號(hào)線的前6列車上做了大約3個(gè)月的驗(yàn)證性運(yùn)行試驗(yàn)后，對(duì)上海13號(hào)線的其余列車，鄭州1號(hào)線以及寧波1號(hào)線所有列車進(jìn)行了相同的改造。到目前為止，上海地鐵13號(hào)線所有列車已正式運(yùn)營(yíng)近一年，寧波1號(hào)線和鄭州1號(hào)線列車調(diào)試和試運(yùn)行期間從再未發(fā)生接觸器燒毀事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的改造方案在接觸器正常工作時(shí)，會(huì)有1/30到1/40的負(fù)載電流流過(guò)磁吹線圈，這樣就不可避免地存在額外功率損耗，但仍然可保證接觸器的尺寸不變，也不會(huì)增加銅材損耗.可以很好地彌補(bǔ)間接串入磁吹線圈滅弧接觸器的弱磁缺點(diǎn)。

［1］ 阿波羅姆［蘇］.控制電器中的電?。跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1975.

Research and Solving Example for Shortcoming of Weak Magnetic Arc of Big Capacity Switchgear on Traffic Field

LI Yiguo
（Rail Systems Division of China Infrastructure＆Cities Sector，Siemens Ltd.，Shanghai 201401，China）

Through analyzing fault contactor burned，this paper introduces the operation theory of DC contactor.At the same time，aiming at its’weak magnetic shortcoming：more less loading current，more less capacity crushing out arc，an improving design scheme is provided，and an ideal test result is got in laboratory.Through running near one year，never happened the same accident，which proves the scheme is right and worth to be generalized and introduced to applying at fact production.

blow magnetic coil；contactor

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.11

1008－7842（2014）01－0054－05

4—）男，工程師（

2013－08－23）