浅析接触器线圈保护在电力机车设计中的应用

霍 虹

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412000）

0 引言

随着机车产品的不断更新，交（直）流接触器作为机车产品不可或缺的元器件之一，在机车产品中应用愈加广泛，种类也越来越多。但在运用过程中，发现接触器在闭合和断开的过程中容易出现电磁线圈过流、过压导致线圈烧损情况。

本文主要以HXD1C型机车牵引系统、HXD3C型机车列供柜中主电路所应用到的典型接触器为例，对不同接触器所采用的线圈保护电路进行浅析。

1 接触器原理介绍

接触器利用电磁原理通过低电压控制高电压，当其吸引线圈通电后，线圈电流产生磁场，使接触器的铁芯和衔铁之间产生电磁吸力以克服复位弹簧的反作用力而吸合，带动主触点闭合以及辅助触点的状态转换（常开点闭合，常闭点断开）；当线圈上电压消失时，电磁吸力消失，在复位弹簧的作用下，主触点断开，辅助触点复位，接触器处于切断状态。

接触器因可快速切断交（直）流主回路、可频繁地接通大电流电路，所以经常应用于电力机车高压主回路设计中。接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。其中按控制线圈划分，由交流电源控制的称之为交流接触器，由直流电源控制的称之为直流接触器。

2 接触器线圈分析

在接触器吸合的过程中，开始时由于处在断开状态，接触器的铁芯和衔铁之间的空气气隙最大，此时接触器磁路的磁阻Rm最大，磁导Am最小，所以线圈电流I（启动电流）最大；在转换的中间阶段，接触器的铁芯和衔铁之间的空气气隙由于吸合而逐渐变小，此时接触器磁路的磁阻Rm也逐渐变小，磁导Am逐渐变大，所以线圈电流I在此阶段也逐渐变小；当接触器完全吸合时，接触器的铁芯和衔铁之间的空气气隙最小（铁芯和衔铁的端面紧紧地吸合在一起，气隙几乎消失），此时接触器磁路的磁阻Rm最小，磁导Am最大，所以吸合时线圈电流I（吸合后电流）最小。

当接触器线圈电源切断时，线圈电流是从吸合电流降到零，因此在接触器从吸合状态转换到断开状态的过程中线圈在交流接触器中，线圈电流电流变化正好与吸合过程相反。

另外，由于线圈电感有储能作用（所储能量为1/2Li2，i为线圈中流过的瞬时电流值），当线圈断电后，该能量释放将产生感应电动势，形成过电压。

在直流接触器中，接触器从断开状态转换到吸合状态的过程，线圈得电启动的开始阶段由于电感中电流不能突变，直流接触器线圈的电感较大，故其电流是个从零上升到U/R电流值的爬坡过程（陡度与线路电阻值R、线圈电感L有关）；在接触器状态转换的中间阶段到接触器完全吸合时，线圈的电感作用已过，线圈电流趋于定值U/R。

直流接触器动作吸合以后，由于线圈电感不再产生反电势，所以常在其动作后串入限流电阻以限制线圈电流。但直流接触器线圈储存的能量为1/2Li2，其中i为定值U/R。当直流接触器线圈断电后，该能量释放将产生比较大的过电压（感应电动势）。

3 接触器保护电路的类型

为消除此过电压的影响，通常会对线圈并联相应的保护电路。常见的保护电路有RC阻容吸收回路、二极管组合回路、变阻器保护电路等。

3.1 RC阻容吸收回路

如图1所示，在接触器电磁线圈两端并联一组RC元件电路可以有效控制线圈dv/dt的敏感输出阶段，可以抑制线圈在通断时过高的瞬间电压，使电压缓和过渡。

3.2 二极管组合回路

如图2所示，在线圈两端并联续流二极管可以解有效解决线圈过压问题。当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉，从而保护线圈电路的安全。

在直流接触器中关断过电压主要是通过在线圈两端反向并联二极管电路来实现。在使用中常会用由二极管和齐纳二极管组成二极管组件后，使接触器线圈不会出现开关过电压。

3.3 变阻器回路

图2 二极管组合电路及波形

如图3所示，通过在线圈两端并联一个变阻器也可以有效控制过电压。实际使用中通过并联压敏电阻来实现，当线圈开关产生过电压超过压敏电阻门限电压时它们将导通，从而消耗线圈电感的能量使过电压得到有效控制。

图3 压敏电阻电路及波形

4 接触器保护电路的实际应用

在HXD1C机车TGA9型牵引变流器主电路上所使用的线路接触器为意大利MS公司的LTH800型接触器（图4），线圈控制电源为DC 110 V。该接触器的电磁线圈上自身并联了一个压敏电阻（S14K140型，门限持续电压为AC 140 V或DC 180 V）。故当线圈开关时瞬时电压达到门限值时，压敏电阻将起到过压吸收作用，同时消耗掉线圈电感的部分能量。

图4 短接接触器及电气图

在HXD3C机车列供柜内装有一类真空接触器（EVS701/1-110DC），真空接触器线圈保护原理和前述有些区别。

对于该真空接触器，控制电源为DC 110 V，选取一个接触器测得线圈阻值42.2 Ω，电阻R阻值为382 Ω，在给线圈通电DC 97 V时，测得闭合和断开瞬间线圈（A1：A2）间的电压有127 V的突变。在闭合完全后线圈两端电压为9.7 V，保持电阻R两端电压为87 V，从而可以计算出在闭合瞬间线圈最大电流可以达到3.01 A，闭合后串联入保持电阻电流值减小到0.23 A。接触器在正常工作时线圈得到有效保护。

在实际运用中，为了进一步保证接触器线圈不被过电压损坏，常会在接触器线圈两端增加一个过压吸收组件，如图5所示，结合过压吸收组件的应用可以充分使接触器线圈工作在安全状态。

图5 过压吸收组件

该组件由一个反向连接的二极管D和一个压敏电阻（14K201型）VDR并联后再与一个50 Ω的电阻R串联组成。二极管导通电压0.5 V，压敏电阻门限AC 130 V或DC 170 V。压敏电阻起到线圈得电时过压吸收作用，二极管和电阻可以在线圈断电时将线圈感应电动势以电流的形式消耗掉。目前HXD1C机车TGA9型牵引变流器柜和TGF60型列供柜内主电路中都用到了此种过压吸收组件来减小过电压对接触器线圈的影响。

5 结语

本文主要讨论了接触器的电磁线圈过压保护问题，介绍了RC阻容型、二极管型、变阻器型保护电路，RC阻容型电路适合交流/直流接触器；二极管型电路适合直流接触器；变阻器型电路适合交流/直流接触器。过压吸收组件是一种典型的直流接触器线圈过压保护电路，在机车中得到了很好的运用，合适的线圈保护电路可以有效延长接触器的使用寿命。