中頻爐常見報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

李 軍

（南車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇 常州 213011）

自1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺(tái)用于感應(yīng)熔煉的晶閘管中頻電源以來，中頻熔煉爐就逐漸發(fā)展成為鑄造行業(yè)的首選熔化爐。由于其工作過程中的高電壓、大電流等特性，如報(bào)警保護(hù)不當(dāng)，易造成嚴(yán)重的設(shè)備安全事故。所以故障報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)就顯得尤為重要。中頻爐主要報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)包括水冷卻報(bào)警系統(tǒng)、接地保護(hù)系統(tǒng)以及過壓保護(hù)系統(tǒng)等，本文對(duì)這三大保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析。

1 水冷卻報(bào)警系統(tǒng)

水冷卻系統(tǒng)是中頻爐最重要的輔助系統(tǒng)，一般可分為爐體冷卻系統(tǒng)和電氣柜冷卻系統(tǒng)兩部分。

中頻爐爐體線圈由方銅管繞制而成，雖然銅的電阻率較低，但因?yàn)橥ㄟ^的電流很大，加上銅管內(nèi)的電流因集膚效應(yīng)而向坩堝壁一側(cè)偏移，引起銅管大量放熱。為保證爐體線圈的絕緣性和熔池的安全，熔煉期間需有足夠的冷卻能力保證，并且在坩堝內(nèi)溫度降到100℃前冷卻裝置不得停機(jī)。電氣柜冷卻部分主要用來冷卻在工作過程中會(huì)大量發(fā)熱的晶閘管、電容、電感及銅排等。為達(dá)到良好的冷卻效果，一般需要在室外安裝獨(dú)立的冷卻塔。根據(jù)設(shè)備的功率大小有時(shí)需配套獨(dú)立的爐體、電氣柜冷卻塔。

常見的中頻爐水冷卻報(bào)警系統(tǒng)主要包括：①進(jìn)水口管道上安裝的水溫、壓力及流量計(jì)，監(jiān)測(cè)水冷卻系統(tǒng)的進(jìn)水參數(shù)。在水溫超過設(shè)定值時(shí)應(yīng)自動(dòng)增大冷卻塔功率，在溫度超過警戒值或壓力及流量過低時(shí)應(yīng)報(bào)警并中斷電源。②爐體及電柜各冷卻水管出水口串聯(lián)安裝需手動(dòng)復(fù)位的溫度傳感器，檢修時(shí)根據(jù)溫度傳感器的復(fù)位按鈕快速確定異常部位[1]。

2 逆變系統(tǒng)接地報(bào)警

中頻爐在工作過程中爐體線圈與電容形成一個(gè)高壓諧振電路。一旦發(fā)生對(duì)地絕緣電阻低的情況，高壓對(duì)地放電極易發(fā)生重大安全事故。為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，需安裝接地泄漏保護(hù)系統(tǒng)。

常見的接地泄漏保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行兩個(gè)功能：

1）檢測(cè)在電容器、爐體線圈及匯流母排等之中是否存在異常的對(duì)地電阻低的路徑；

2）檢測(cè)爐體線圈與金屬爐料之間是否有異常的低電阻。這種低電阻可能是金屬爐料滲透爐襯發(fā)生“滲鐵”或爐襯中的含水量過高，搗筑爐襯時(shí)掉入導(dǎo)電雜物也可能引起電阻降低。

常用的報(bào)警系統(tǒng)原理為：在諧振電路上施加一低壓直流電源，一般的中頻爐爐體線圈之間僅經(jīng)過輕度的絕緣處理，因此，所施加的直流電壓會(huì)在線圈和熔池之間產(chǎn)生一些小的泄漏電流，從而可以通過毫安表檢測(cè)出來。一旦泄漏電流異常增大即表明諧振電路對(duì)地電阻異常降低。使用接地泄漏保護(hù)的熔煉爐，一般在爐體底部用不銹鋼鋼絲從爐襯內(nèi)引出并接地。這樣既可以保證熔池的零電位，防止除渣過程中發(fā)生安全事故，也可以保證系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的檢測(cè)到“滲鐵”狀況。

為便于隨時(shí)檢驗(yàn)接地報(bào)警系統(tǒng)是否工作正常，可在諧振電路內(nèi)一點(diǎn)引線并通過電感、接觸器接地。通過控制接觸器人為制造對(duì)地短路即可在保證安全的前提下檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的靈敏度。為保證熔煉過程的安全應(yīng)在每次開爐前檢驗(yàn)爐體接地泄漏報(bào)警裝置是否正常。

3 過流過壓保護(hù)

中頻電源的負(fù)載短路或逆變換流失敗，都會(huì)使整流電路通過逆變電路形成短路電流（圖1）.對(duì)整個(gè)整流、逆變晶閘管形成威脅，所以必須設(shè)置保護(hù)電路。

圖1 整流電路[2]

當(dāng)產(chǎn)生短路電流時(shí)，整流電路（如圖1）觸發(fā)脈沖會(huì)在毫秒級(jí)的時(shí)間范圍內(nèi)由整流區(qū)轉(zhuǎn)換到有源逆變區(qū)（如圖2），即將觸發(fā)角由α＜90°迅速切換到α＞90°，把電抗器上的磁場(chǎng)能量經(jīng)整流電路迅速向電網(wǎng)釋放。而當(dāng)短路浪涌電流超過晶閘管承受范圍或網(wǎng)側(cè)整流電路內(nèi)部短路時(shí)，由晶閘管專用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)[3]。

其具體工作步驟如圖2.在t1時(shí)刻前，中頻電源在正常工況下運(yùn)行。此時(shí)的直流電流Id、電壓Ud正常。假設(shè)在t1時(shí)刻設(shè)備發(fā)生故障，逆變晶閘管上、下臂擊穿，相當(dāng)于圖1中直流側(cè)直接上下短路。此時(shí)由于電抗Ld的作用，Id不會(huì)發(fā)生突變，但此時(shí)電流迅速增大。到了t2時(shí)刻，電流Id達(dá)到過電流動(dòng)作設(shè)定值，觸發(fā)過電流保護(hù)動(dòng)作。整流觸發(fā)角迅速移相到α=150°處，此時(shí)晶閘管V6、V2導(dǎo)通，如設(shè)備工作狀態(tài)正常，V6和V2應(yīng)在導(dǎo)通120°后分別切換到V4和V3.但現(xiàn)在觸發(fā)角從120°移相到150°，當(dāng)V6導(dǎo)通120°后V4仍未觸發(fā)，V6繼續(xù)導(dǎo)通直到t4時(shí)刻V6和V4換流，同理V3在t5時(shí)刻才與V2換流。

圖2 整流保護(hù)功能示意圖

在過電流保護(hù)過程中，由于α 角的增大，導(dǎo)致Ud線電壓Ubc下降，到t3時(shí)刻，Ubc=0.在t3時(shí)間往后，Ud電壓降為負(fù)值，由于反向電壓的作用，Id從最高點(diǎn)開始減小，整流電路從整流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性茨孀儬顟B(tài)。Ld作為直流源將能量向電網(wǎng)釋放。隨著Ld中能量的減小，Id逐漸降低，并在t4時(shí)刻后降到安全限定電壓以下。最后到t6時(shí)刻Ld上的感應(yīng)電勢(shì)已不能克服電網(wǎng)電壓產(chǎn)生電流，有源逆變停止。

在上述保護(hù)動(dòng)作過程中，過電流保護(hù)系統(tǒng)能在工頻半波內(nèi)將直流電壓降低到安全限定電壓以下，一般不會(huì)對(duì)熔煉設(shè)備造成傷害。過電壓保護(hù)的原理與過電流保護(hù)相同。取負(fù)載端中頻電壓信號(hào)，當(dāng)中頻電壓超過允許值時(shí)，觸發(fā)角α 迅速移相到150°停機(jī)。

晶閘管是一種電流控制元器件，其由于過電壓而導(dǎo)致?lián)p壞的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于過電流損壞。因此，晶閘管的常用保護(hù)措施主要是阻容吸收裝置（如圖3），此保護(hù)方式主要是利用電容兩端電壓不能突變的特性吸收尖峰電壓。串聯(lián)的電阻能夠消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制回路內(nèi)諧振。

圖3 阻容吸收裝置

4 結(jié) 語

中頻爐熔煉報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)通過水冷卻系統(tǒng)保證熔爐的冷卻，確保爐體安全；通過接地保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng)的對(duì)地絕緣性，防止高壓對(duì)地放電；通過過壓過流保護(hù)系統(tǒng)避免主電路元件的過載擊穿，從而保證元器件的安全。這三種保護(hù)系統(tǒng)在保證中頻爐熔煉安全的同時(shí)，進(jìn)一步提高了中頻爐的工作效率。

[1]徐必文.中頻爐常見故障淺析[J］.中國設(shè)備工程，2013（11）:35-37.

[2]李玉超.高沁翔.三相橋式全控整流實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研制[J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（19）：104-106.

[3]馮維泰.感應(yīng)加熱用晶閘管中頻電源[J］.電世界，1999（12）：56-61.