地铁DC1500V磁保持断路器的研究

肖涛古，罗 雄

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510000）

地铁DC1500V磁保持断路器的研究

肖涛古，罗 雄

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510000）

主要介绍目前国内地铁采用的 1 500 V 直流断路器的结构及工作原理，着重分析比较了电保持断路器与磁保持断路器的分合闸过程及灭弧原理；对比 2 种断路器的各种性能参数，包括开断电流参数、分合闸时间分析等；从结构原理及性能参数方面的不同对 2 种断路器的优缺点进行了总结分析，对后续直流断路器的选型、维护使用具有指导性意义。

直流断路器；磁保持；结构；工作原理；性能参数

0 前言

目前国内地铁常用 1 500 V直流断路器主要有瑞士赛雪龙 UR 系列/ HPB 系列电保持直流断路器、UR 系列磁保持直流断路器。某地铁现引入英国霍克西利 NDC直流断路器，是一种新型的永磁直流断路器。本文通过分析 UR 系列电保持断路器与 NDC 磁保持断路器结构，对比 2 种断路器的各种性能参数，比较这 2 种断路器的优劣点。

1 断路器结构

1.1 赛雪龙断路器

瑞士赛雪龙系列电保持断路器主要由灭弧装置、主回路、大电流脱扣装置、合闸装置及电磁操作机构等几部分构成，UR40 断路器结构如图1 所示。

1.2 NDC断路器

NDC直流断路器主体结构与赛雪龙断路器类似，主要不同之处在于用永磁操作机构代替常规的电磁操作机构、在主回路上方增加了电流转移线圈，其结构如图2 所示。

2 断路器原理分析

2.1 断路器分合闸过程对比分析

2.1.1 UR40断路器分合闸过程

图1 UR40 断路器结构图

UR40断路器合闸过程：合闸装置内驱动线圈通电，合闸装置驱动压迫拨叉单元向前推进直至与动触头的止动爪相靠，动触头在拨叉单元推动下与静触头接触合闸。驱动线圈通电后产生一个电磁场吸引动磁芯与拨叉单元相连，磁芯压迫合闸装置内弹簧使动触头受到压力，使断路器保持合闸位置，同时合闸装置内复位弹簧被拉伸致使推动器内推进机构被压缩，为下一次断路器分闸操作储备能量。

图2 NDC 断路器结构图

UR40 断路器分闸过程：当驱动线圈失电，合闸装置内复位弹簧将拉回拨叉单元，同时推动器内推进机构带动动触头分闸［1］。

断路器主触头合上后，需要持续给驱动线圈通电来保持断路器合位，此类型断路器当 DC110V 二次回路控制电源失电时，会引起直流断路器跳闸，造成地铁牵引供电系统供电不可靠运行。另外，保持合闸需持续给线圈通电，造成电力损耗。

2.1.2 NDC 断路器分合闸过程

NDC 断路器合闸过程：操作机构合闸线圈通电时，线圈产生的磁通抵消永磁铁产生的保持操作机构分闸的磁通，加强永磁铁在下部路径的磁通。当电流达到断路器合闸电流时，衔铁与支撑面分离，同时操作机构轴向前推动驱动梁的下末端，驱动梁摆动，使动触头移到合闸位置。合闸后，合闸线圈不通电，永磁铁大部分磁通通过下部路径流经衔铁，产生大的保持力，操作机构在此位置时，分闸弹簧及触头压力弹簧被充分压缩，产生保持触头合闸所需的力，为下一次断路器分闸操作储备能量。

NDC断路器分闸过程：当断路器主回路电流大于过负荷设置值或永磁闭锁机构内快速分闸线圈通电后，抵消永磁铁产生的保持操作机构合闸力，触头压力弹簧释放，永磁闭锁机构与其支撑面分离，弹簧载体加速推杆动作，驱使触头至分闸位置。

NDC 断路器复位过程：分闸期间，操作机构衔铁保持合闸位置，触头分开后，复位线圈立刻通电，电流流通方向与合闸操作时相反，大大削弱了吸引力，当这个力低于保持合闸位置所需力时，分闸弹簧施加的压力向前驱动衔铁，分开断路器。随着衔铁靠近操作机构的另一端时，磁通转换到上部路径，吸引衔铁并消除反跳的可能性［2］。

断路器主触头合上后，合闸线圈不需通电，通过永磁铁电磁吸力使断路器保持在合闸位置，此类型断路器能有效地避免 DC110V 二次回路控制电源失电引起直流断路器跳闸的风险，比较节能省电。但是该类断路器也存在一定的隐患，若因一次回路短路故障串电至控制电源回路引起 DC110V 电源失电，断路器不会跳开，不能及时切除故障。

2.2 灭弧原理对比分析

断路器在负荷情况下分闸时，触头间会产生拉弧，这不仅有碍于电路的及时分断，还会使触头烧损，所以，断路器的灭弧能力是断路器的一项重要性能指标。

电弧的产生过程：断路器分断过程中触头刚开始分离时，触头间间隙很小，电场强度极大，易产生高热和强场，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极。自由电子在向阳极移动过程中撞击中性气体分子，使之激励和游离，在触头间隙中产生大量的离子和电子，使气体导电形成炽热的电子流，即电弧。

2.2.1 UR40断路器灭弧原理

UR40 是单极双向直流快速断路器，该断路器经特殊设计来确保过流时触头能快速分断，且瞬时产生一种持续整个电弧阶段的过电压来达到灭弧的效果。当断路器分闸时，主回路的独特设计和触头自身特点具有自然吹弧性能，即在灭弧的过程中，电流一方面流经上部连接排和触头，另一方面在吹弧角板的帮助下流经电极和下部的连接排，电流产生的磁吹力将触头间产生的电弧迅速吹入灭弧室。一旦电弧进入灭弧室，它将被角板和隔板分割，并将被往上劲吹，这样燃烧的气体在位于隔板上方的绝缘板之间放电的同时去离子，达到灭弧的效果，见图3［3］。但该设计有一缺点，便是当断路器电流回路中电流偏小时，电流产生的力比较小，电弧很容易停留在触头上，使触头烧损。

图3 UR40 断路器灭弧原理图

2.2.2 NDC断路器灭弧原理

NDC 直流断路器灭弧装置在 UR40 灭弧原理的基础上，增加无源电流转移线圈（图4），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。

图4 NDC 断路器电流转移线圈

无源电流转移线圈连接两边并列主电流电磁铁芯产生的磁通，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。线圈用软磁材料制作，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，在反方向上的小电流也可以倒转磁场。断路器也能开断临界电流或者反向临界电流。

3 断路器技术参数分析对比

3.1 断路器分断技术参数分析

断路器分闸速度和故障预期电流及电流变化率有关［4］。图5 为直流馈线断路器分断技术参数。

图5 直流断路器分断技术参数

对额定运行电流相等的上述 2 种断路器分断技术参数对比见表1。

从表1 中可以看出，UR40 断路器预期短路电流为90 kA，而断路器切断电流值为 75 kA；NDC 断路器预期短路电流为 100 kA，切断电流值为 126 kA。对比分析，NDC 断路器在短路情况下能开断大的故障电流，保护断路器；同时赛雪龙电保持系列断路器最小开断电流为 10 A，NDC 断路器应用电流转移线圈，能开断更小的几安培的电流。综合分析得出 NDC 断路器的开断能力更强。

表1 断路器分断技术参数对比

3.2 断路器合闸时间分析

UR40 断路器采用电磁铁操作机构，在接受 0.5～1 s合闸脉冲后断路器合闸，此时通过在控制回路内接入合闸保持电阻，将保持电流限定在合闸电流的 5%，使断路器保持在合闸位置。此种控制方式依赖于稳定的操作电压，若操作电压不够稳定，合闸驱动电流及合闸速度变化会比较大，UR 断路器的合闸时间为100～180 ms。

NDC 断路器采用永磁操作机构，永磁机构的操作与电磁铁的操作类似，但相比电磁铁，永磁铁有一显著的特点，即在没有额外的电力辅助情况下能使操作机构承载高弹簧负荷。当线圈通电产生磁通，抵消永磁铁产生的保持操作机构分闸的磁通，当电流达到断路器合闸电流时，驱动衔铁与支撑面分离，因为需要一定的磁通就可以驱动这一运动，所以，在一个大的操作电压范围内驱动电流和合闸速度变化不大，因此，避免了电磁铁操作的断路器的很多缺点，NDC 断路器的合闸时间更稳定，维持在 150 ms 左右。

3.3 断路器分闸时间分析

UR40 断路器接到分闸命令时，复位弹簧拉回拨叉单元，同时拖动器内推进机构带动动触头分闸，UR 断路器的分闸时间一般在 10 ms 以上。

NDC 断路器分闸时，抵消永磁铁产生的保持操作机构合闸力，触头压力弹簧瞬时释放，永磁闭锁机构与其支撑面分离，弹簧载体加速推杆动作，驱使触头至分闸位置，因此，相比 UR 断路器，NDC 断路器的分闸时间更短，分闸时间一般小于 5 ms。

4 总结

与传统的 1 500 V 电保持直流断路器相比，新型的永磁直流断路器结构性能等各方面都要更加优秀，具体表现为：

（1）合闸时间稳定，不受操作电压波动影响；

（2）分闸时间更短，能更有效地保护触头；

（3）通过增加电流转移线圈，协助断路器开断从几安培到几千安培的电流；

（4）采用永磁操作机构，合闸后通过永磁铁使断路器保持合闸位置，不需要通过持续的保持电流来保持合闸，此方式不仅省电，而且当二次控制回路失压时，断路器不会跳闸，保证了供电的可靠性。

［1］ Secheron.SG101782TCN A01-Manual UR36-40S 操作维护手册［G］.

［2］ Hawker Siddeley.NDC断路器操作与维护手册［G］.2013.

［3］ 刘磊，王海云，董溪坤，等.直流断路器开断方法及应用概述［J］.化工自动化及仪表，2013，40 （12）：1449-1452.

［4］ 董恩源，丛吉远，邹积岩，等.1500 V船用新型直流断路器的研究［J］.中国电机工程学报，2004，24 （5）：153-156.

责任编辑 冒一平

Study on Metro DC1500V Magnetic Latching Circuit Breaker

Xiao Taogu， Luo Xiong

The paper mainly introduces the current domestic MTR 1500V DC circuit breaker structure and working principle， focuses on the analysis and comparison of the switching process of the electric and magnetic latching circuit breaker and arc extinguishing principles.It also makes comparison of performance features the two different circuit breaker， including open and close current parameters， and open and close time analysis etc.The advantages and disadvantages of two kinds of circuit breakers are analyzed and summarized from the aspects of different structure principle and performance parameters.It provides guidance and signifi cance to the selection of future DC circuit breaker， and its maintenance.

DC circuit breaker， magnetic latching，structure， working principle， performance parameter

TM561∶U231.8

肖涛古（1984—），男，工程师

2016-03-02