交流電弧爐的多頻多極真空接觸器的替代方案

陳勇鎬 朱雄輝

(1:寶鋼工程技術(shù)集團有限公司 工程技術(shù)事業(yè)本部 上海201900;2:寶鋼股份鋼管條鋼事業(yè)部電爐廠 上海201999)

1 引言

2008 年寶鋼股份有限公司建設(shè)投產(chǎn)了一條緊湊型煉鋼車間，由交流電弧爐煉鋼、大方坯連鑄生產(chǎn)線組成，其中交流電弧爐為150t 超高功率交流電弧爐。交流電弧爐工作斷路器最大容量為2650A、斷開容量31.5kA、多頻。根據(jù)當(dāng)時西門子、ABB 等國際著名電氣廠商提供的產(chǎn)品信息，能夠提供的多頻真空斷路器的最大容量為2500A;國內(nèi)著名電氣廠商提供的產(chǎn)品信息也不能滿足相關(guān)的技術(shù)參數(shù)要求，最后通過與美國JOSLYN 公司技術(shù)交流后，它的一款多頻、多極真空接觸器可滿足電爐操作開關(guān)的技術(shù)參數(shù)要求。

2 關(guān)于多頻多極真空接觸器

2.1 多頻多極真空接觸器的組成

美國JOSLYN 公司的多頻、多極真空接觸器的關(guān)鍵技術(shù)就是將小容量、多頻真空接觸器通過串并聯(lián)的技術(shù)，同時采用專用的串并聯(lián)控制系統(tǒng)，組成了大電流、高分?jǐn)?、多頻真空接觸器，滿足了寶鋼股份150t 超高功率交流電弧爐工作斷路器的需要。JOSLYN 多頻多極真空接觸器是由多頻多極真空接觸器、操作機構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，其中操作機構(gòu)和真空接觸器都有不同的使用壽命，操作機構(gòu)為10萬次、真空接觸器為6 萬次使用壽命。寶鋼150t 超高功率交流電弧爐的JOSLYN 多頻多極真空接觸器，每相為12個500A 的真空接觸器(2 串6 并)，六套操作機構(gòu);三相共有36 個真空接觸器18 套操作機構(gòu)。根據(jù)這些特點，決定了JOSLYN 多頻、多極真空接觸器的使用壽命不會很長，由于操作機構(gòu)復(fù)雜因此生產(chǎn)可靠性差、運行成本高。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

1)2011 年1 月17 日22 時左右JOSLYN 多頻多極真空接觸器發(fā)生故障，造成真空泡損壞二個，另有四個真空泡外殼有裂紋，停機8h。另外由于操作機構(gòu)復(fù)雜，運行過程中的故障頻繁，為保證真空接觸器的可靠運行，生產(chǎn)人員點檢量增加，運行維護的工作量大增。

2)由于JOSLYN 多頻多極真空接觸器是由36 臺真空泡接觸器串并聯(lián)組成，需要對各個真空接觸器的運行狀況和使用壽命進(jìn)行跟蹤和記錄。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性，需要大量的真空接觸器備件，備件費用巨大。

綜上所述，考慮真空接觸器更換成本，和后續(xù)設(shè)備維護的經(jīng)濟性，結(jié)合目前爐用變壓器設(shè)備現(xiàn)狀，有必要對真空接觸器進(jìn)行改造，可以采用傳統(tǒng)的36kV 電爐用多頻斷路器替代33kV 真空接觸器。

3 多頻多極真空接觸器的替代方案

近年來，隨著電爐煉鋼工藝的更趨成熟，促進(jìn)了現(xiàn)代電爐發(fā)展了諸多先進(jìn)技術(shù)，如電爐的超高功率化、強化用氧、廢鋼預(yù)熱、人工智能優(yōu)化供電等技術(shù)，同時爐型裝備越來越大型化，大大提高了電爐的生產(chǎn)率，降低了電耗和電極消耗、節(jié)省了能源、降低了生產(chǎn)成本，所以國際和國內(nèi)的著名電氣廠商紛紛推出了適用于超高功率電弧爐的大電流、多頻斷路器。

電爐用多頻斷路器是由真空泡(真空滅弧室)、操作機構(gòu)和控制回路組成的，操作機構(gòu)和真空泡壽命都有規(guī)定，選用氣密性能好壽命長的真空泡及與真空泡中觸頭分合機械特性相符合的操作機構(gòu)至關(guān)重要。

3.1 方案1

采用德國西門子公司電弧爐專用3150A 真空滅弧室配吉林永大集團永磁操作機構(gòu)的電爐用多頻斷路器。

1)真空泡，選用德國西門子公司電弧爐專用3150A 真空滅弧室。

2)操作機構(gòu)

從操作機構(gòu)上講作為中壓產(chǎn)品主要有三種:即電磁操作機構(gòu)、彈簧操作機構(gòu)和近年發(fā)展較快的永磁操作機構(gòu)。斷路器的主要功能歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動作，而分、合動作又是通過操作機構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操作機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對高壓斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。

電磁操作機構(gòu)，由于對電源要求較苛刻——需要專用的大容量直流屏供電，并且操作時沖擊大，操作時間長，而逐漸被市場所淘汰。

彈簧操作機構(gòu)，是利用交直流兩用電動機對彈簧進(jìn)行預(yù)儲能，利用彈簧能進(jìn)行分合閘操作，從而對電源要求低，交直流均可操作，對電源無沖擊，因此在近些年得到廣泛應(yīng)用。但彈簧機構(gòu)也有其自身不可克服的缺點:彈簧操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多(約為200 個)，加工精度高、制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)品的可靠性不易保證。不能頻繁操作、使用壽命短，且需要經(jīng)常維護調(diào)整。隨著真空滅弧室優(yōu)異性的提高，其機械及電壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為數(shù)萬次，沿用傳統(tǒng)斷路器操作機構(gòu)很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點。因此需要一結(jié)構(gòu)高度簡化和高可靠性的操作機構(gòu)來滿足真空斷路器的驅(qū)動要求。

永磁操作機構(gòu)，它的出現(xiàn)就較好地解決了這一問題，為研制新一代高可靠、免維護、長壽命的斷路器奠定了基礎(chǔ)。永磁機構(gòu)真空斷路器針對真空滅弧室特性在機構(gòu)上采用了全新的設(shè)計，它可以使斷路器的電氣特性更好、結(jié)構(gòu)更加簡單。具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠、免維護、使用壽命長等顯著優(yōu)點。

(1)永磁操作機構(gòu)的磁路結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外應(yīng)用NdFeB 永磁材料研制高壓開關(guān)始于20 世紀(jì)90 年代，國外獲得工業(yè)上應(yīng)用最具代表的是ABB VMI真空斷路器，其永磁機構(gòu)為單拍合磁路結(jié)構(gòu)。國內(nèi)最具代表的是吉林永大YDD 系列真空斷路器，其永磁機構(gòu)為雙拍合磁路結(jié)構(gòu)，這兩種產(chǎn)品所用的永磁機構(gòu)在磁路結(jié)構(gòu)上有明顯區(qū)別，分別反映出兩種不同的技術(shù)原型及研發(fā)思路。

所謂單拍合磁路結(jié)構(gòu)即用于合閘位置保持的吸合工作面僅為一個，這種磁路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)與勵磁線圈的不同組合派生出多種形式的永磁機構(gòu)，其外部形狀由于加工工藝不同有圓形的，也有方形的。

所謂雙拍合磁路結(jié)構(gòu)即用于合閘位置保持的吸合工作面為兩個，這種磁路結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)與勵磁線圈的不同組合派生出多種形式的永磁機構(gòu)。

(2)永磁操作機構(gòu)斷路器的特性

真空斷路器的開斷能力及壽命是表現(xiàn)其品質(zhì)優(yōu)劣最重要的性能指標(biāo)，它與操作機構(gòu)及傳動系統(tǒng)密切相關(guān)。

真空滅弧室動觸頭的行程很小，12kV 電壓等級約在10 ～12mm 之間，40.5kV 電壓等級約在18 ～22mm 之間，合閘過程中動、靜觸頭接觸前外力只是控制動觸頭運動速度，但在動、靜觸頭閉合的瞬間，斷路器的反力特性有一大幅度的正向突變，操作機構(gòu)需要很大的驅(qū)動力來壓縮儲能彈簧以使觸頭獲得足夠的壓力，分閘時斷路器又要求操作機構(gòu)不給運動系統(tǒng)附加過多的負(fù)載以利于提高分閘速度。單、雙拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機構(gòu)的合閘特性在初始階段與電磁機構(gòu)一樣，在最后階段，由于永磁場的吸力使吸合力上升得更快，因此好于傳統(tǒng)操作機構(gòu)。但在分閘特性方面由于永磁機構(gòu)中的動鐵芯參與分閘運動增大了系統(tǒng)慣量，最重要的是永磁場的吸力在分閘初始階段起著阻礙的作用。永磁機構(gòu)唯有解決了分閘負(fù)載特性才能成為理想的操作機構(gòu)。

彈簧操作機構(gòu)的真空斷路器，要提高初分速度一方面勢必要加強分閘彈簧，這就要求增大合閘功率，過度增加又會引起動觸頭及傳動件表面強烈的沖擊變形和彈跳，另一方面提高分閘速度時，也容易產(chǎn)生在開斷到底時較大的震動。

單拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機構(gòu)的分閘特性是先慢后快，在動鐵芯運動到分閘位置時刻最大，曲線很不理想，僅僅依靠在此磁路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計來提高初分速度是極其有限的，尤其是應(yīng)用到40.5kV 或更高電壓等級的斷路器中，這種由于結(jié)構(gòu)缺陷凸顯出來的特性變得更為突出。

斷路器的初分速度主要取決于永磁場吸力負(fù)載特性，即單拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機構(gòu)要克服的負(fù)載能量至少是雙拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機構(gòu)的2.5 倍，因此磁路結(jié)構(gòu)決定了斷路器的固有特性。

永磁機構(gòu)真空斷路器在設(shè)計上經(jīng)過整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化(分閘彈簧的匹配、傳動系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng))提高了剛性分離速度，又減小了分閘末速度、獲得了較為理想的合分閘特性，實現(xiàn)了操作技術(shù)與斷路器完美的結(jié)合。

3)技術(shù)參數(shù)

額定電流:3150A;額定電壓:36kV;額定短路開斷電流:40kA;電爐操作開關(guān)機械壽命:12 萬次;電爐操作開關(guān)電氣壽命:3 萬次。

3.2 方案2

采用德國西門子公司生產(chǎn)的電弧爐專用多頻斷路器3AH4，配3150A 真空滅弧室和彈簧操作機構(gòu)

1)真空泡，德國西門子公司電弧爐專用3150A 真空滅弧室。

2)操作機構(gòu)，德國西門子公司彈簧操作機構(gòu)。

3)技術(shù)參數(shù)

額定電流:3150A;額定電壓:36kV;額定短路開斷電流:40kA;電爐操作開關(guān)機械壽命:12 萬次;電爐操作開關(guān)電氣壽命:3 萬次。

4 方案選擇

永磁操作機構(gòu)是一種將永磁體和電磁機構(gòu)相結(jié)合的新型操作機構(gòu)，合閘位置采用永磁鎖扣保持，分閘位置采用機械或永磁鎖扣保持，機械簡單可靠，無連桿、凸輪等復(fù)雜的機械傳動件，零件數(shù)大大減少，提高了斷路器的可靠性和使用壽命。新型的磁路設(shè)計，新型的永磁材料，保證了合閘保持力，同時減小了合閘時對合閘線圈電流的要求。永磁操作機構(gòu)輸出特性曲線能夠滿足真空斷路器的要求，大大增加了真空滅弧室的使用壽命。具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠、長壽命、免維護、性價比高的特點。綜上所述，國內(nèi)永磁操作機構(gòu)的性價比高于全進(jìn)口的西門子公司的3150A 36kV 電爐用多頻斷路器，最終選用方案1 的永磁操作機構(gòu)爐用多頻斷路器替代多頻多極真空接觸器的方案。

5 結(jié)束語

改造后的電爐用多頻斷路器消除和減少了設(shè)備故障及安全問題，操作維護方便，生產(chǎn)運行可靠，滿足了寶鋼電爐生產(chǎn)的需要。特別是采用新型、安全可靠的電爐用多頻斷路器，設(shè)備維護費用更低，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)安全的可靠性。

［1］林莘.永磁機構(gòu)與真空斷路器［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［2］游一民，鄭軍，羅文科.永磁機構(gòu)及其發(fā)展動態(tài)［J］.高壓電器，2001，Vol.37(1):44－47.