快速熔斷器在軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

韓有賀，高 峰，孔維濤，武 琦

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某冷軋廠(chǎng)軋機(jī)配置5 套主電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，均采用日立大容量IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）變頻裝置驅(qū)動(dòng)，該裝置為“交—直—交”三電平式變頻器，由整流器柜、逆變器柜及公共控制柜、進(jìn)線(xiàn)柜以及輸出隔離開(kāi)關(guān)柜等組成。傳動(dòng)柜主回路中安裝多個(gè)快速熔斷器，在主回路未有大電流的情況下多次發(fā)生快熔燒毀故障，經(jīng)判斷為快熔疲勞性損壞，快熔故障容易引發(fā)軋機(jī)高速斷帶事故，影響惡劣。本文主要研究影響快熔壽命的因素，提出準(zhǔn)確把握快熔工作狀態(tài)的可行性方法，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決設(shè)備隱患。

1 快速熔斷器在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的作用

軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用多個(gè)傳動(dòng)柜并聯(lián)，其中整流柜為三相三并聯(lián)，逆變柜為三相四并聯(lián)，每個(gè)機(jī)架有21 個(gè)功率單元，42個(gè)快熔，如圖1 所示，71C2PRA 和71C2NRA 為某相的一個(gè)功率單元的兩個(gè)快速熔斷器，安裝位置在直流母排P 側(cè)和N 側(cè)，如果功率元件誤觸發(fā)，發(fā)生上、下橋臂直通等短路故障時(shí)，主回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生非常大的短路電流，而快速熔斷器作為主回路保護(hù)元件，當(dāng)回路里有大電流足以使熔斷器熔體熔斷時(shí)，快速熔斷器會(huì)切斷所在單元的回路，保護(hù)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)免受進(jìn)一步的損壞。

圖1 快速熔斷器在主傳動(dòng)系統(tǒng)的布局

2 快速熔斷器的結(jié)構(gòu)、特性及主要參數(shù)

2.1 快速熔斷器結(jié)構(gòu)及保護(hù)原理

快速熔斷器由磁殼、導(dǎo)電板、熔體、石英砂、消弧劑、指示器6 部分組成，滅弧介質(zhì)由石英砂填充，并用含硅酸鈉鹽（或鉀鹽）的消弧固化劑進(jìn)行固化，從四周將熔體包圍起來(lái)。

快熔熔斷器熔體的材料為純銀，形狀為矩形薄片，且具有圓孔狹頸，熔體均勻分布在熔斷器內(nèi)部四周（圖2）。純銀具有電阻率低、延展性好、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，狹頸處電流密度大，故狹頸處首先熔斷，當(dāng)短路時(shí)熔斷器分?jǐn)?，消弧劑在電弧的高溫下釋放出?lái)的鈉離子能限制電弧體積膨脹和弧柱等離子體的形成，使石英砂滅弧能力大為提高，在進(jìn)行滅弧的同時(shí)迅速提高斷口處的絕緣電阻，快速將主回路斷開(kāi)。

圖2 快速熔斷器及熔體

2.2 快速熔斷器特性

（1）反時(shí)限電流保護(hù)特性。熔斷器具有反時(shí)延特性，即過(guò)載電流小時(shí)，熔斷時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)載電流大時(shí)，熔斷時(shí)間短。因此，在一定過(guò)載電流和過(guò)載時(shí)間范圍內(nèi)，熔斷器不會(huì)熔斷，可連續(xù)使用。

（2）限流特性。由于快速熔斷器的熔體圓孔狹頸處的截面積小，熱容量小，發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流尚未達(dá)到預(yù)期的短路電流時(shí)即被熔斷，電弧被石英砂分隔成許多小段。這樣，既限制了短路電流增加，亦加速電弧的熄滅。

（3）分?jǐn)嗄芰?qiáng)。發(fā)生短路故障時(shí)，圓孔狹頸處首先被熔斷，電弧被石英砂分隔成許多小段，電弧被很快熄滅。由于石英砂是絕緣的，電弧熄滅后，熔斷器立即變成一個(gè)絕緣體將電路分?jǐn)?，因而快速熔斷器分?jǐn)嗄芰?qiáng)，可高達(dá)50 kA。

2.3 快速熔斷器主要參數(shù)

快熔的主要參數(shù)有額定電壓，額定電流，分?jǐn)嗄芰?，I2t（熔化熱能值）。

（1）額定電壓：熔斷器斷開(kāi)瞬間，能安全承受的最大電壓，其與外加電壓有關(guān)，而外加電壓一般是指當(dāng)回路中的電流增加到熔體將要斷開(kāi)時(shí)的電壓。

（2）額定電流：正常條件下，熔斷器長(zhǎng)期維持正常工作的最大電流。

（3）分?jǐn)嗄芰Γ寒?dāng)電路中出現(xiàn)很大的過(guò)載電流（如強(qiáng)短路）時(shí)，熔斷器能安全切斷（分?jǐn)啵╇娐返淖畲箅娏?，是熔斷器最重要的安全指?biāo)。安全分?jǐn)嗍侵冈诜謹(jǐn)嚯娐分胁话l(fā)生噴濺、燃燒、爆炸等危及周?chē)⒉考灾寥松戆踩默F(xiàn)象，一般至少為8 kA。

（4）I2t（熔化熱能值）：包括弧前I2t 和熔斷I2t，其中弧前I2t特性表征熔體熔化時(shí)間與預(yù)期電流之間關(guān)系的重要性能指標(biāo)，而熔斷I2t 特性飛弧開(kāi)始瞬間到飛弧最終熄滅電流與時(shí)間的關(guān)系。

3 影響快速熔斷器使用壽命的因素

3.1 溫度

正常情況下，當(dāng)熔體通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生的熱量絕大部分通過(guò)石英砂傳到瓷瓶四周，與周?chē)目諝膺M(jìn)行熱交換，建立動(dòng)態(tài)平衡，由于快速熔斷器I2t 特性是以能量的形式來(lái)標(biāo)定，過(guò)高的溫度勢(shì)必會(huì)影響快速熔斷器的特性，隨著熱效應(yīng)的擴(kuò)散、熱應(yīng)力疲勞等，熔斷器的壽命將逐漸縮短。圖3 為主傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)快熔熱成像儀掃描圖像，在正常負(fù)載條件下，快速熔斷器的工作溫度為26～33 ℃，與熔體熔斷實(shí)驗(yàn)條件20～25 ℃較為接近。

圖3 快速熔斷器工作時(shí)熱成像圖

3.2 外界沖擊的影響

直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)，以及瞬間的脈動(dòng)沖擊電流，會(huì)產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，從而致使熔絲的擴(kuò)散、氧化、熱應(yīng)力等產(chǎn)生，熔體將隨著脈沖能量和次數(shù)的增加而漸漸老化。熔斷器的抗沖擊壽命，取決于脈沖的I2t 占熔斷器本身I2t 的百分比，通常情況應(yīng)小于20%，同時(shí)直流母排電壓應(yīng)盡可能減小波動(dòng)，一般電壓波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)平均值的5%或低于平均值的9%。

3.3 安裝條件

快速熔斷器與銅排的連接狀況直接影響著快速熔斷器的溫升和可靠運(yùn)行，當(dāng)連接處附著灰塵，快速熔斷器工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，腐蝕熔斷器接觸器表面，影響其靜態(tài)電阻值，長(zhǎng)此以往會(huì)增加熱損耗，影響使用壽命。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)熔斷器與管夾的接觸電阻小于3 mΩ。

4 提高快速熔斷器使用可靠性的方法

4.1 工作溫度監(jiān)控

按照設(shè)備的老化規(guī)律分析，熔斷器在接近老化極限運(yùn)行時(shí)，溫度會(huì)比其他熔斷器高，因此可以通過(guò)檢測(cè)熔斷器溫度的方法來(lái)判斷熔斷器是否即將損壞。如圖4 所示，可使用測(cè)溫貼紙來(lái)監(jiān)測(cè)溫度，該測(cè)溫貼紙上有一列方格或圓點(diǎn)，代表不同的溫度值，當(dāng)溫度上升至該溫度點(diǎn)時(shí)方格會(huì)轉(zhuǎn)變成黑色，即使溫度降低后也不會(huì)回復(fù)到原來(lái)的顏色，這樣就可以知道熔器斷曾經(jīng)歷過(guò)的最高溫度，不需要長(zhǎng)時(shí)間在旁邊監(jiān)視就可以知道是否有超溫現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)、安全、可靠。利用檢修時(shí)間定期檢查溫度標(biāo)簽，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)快熔溫度顯示異常時(shí)，即可考慮將該熔斷器更換掉。

圖4 快速熔斷器及溫度監(jiān)測(cè)貼紙

4.2 優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)工作負(fù)荷

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷增加時(shí)，其工作電流必然增大，當(dāng)電流超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，會(huì)影響快速熔斷器的使用壽命，通過(guò)對(duì)某段時(shí)間不同負(fù)荷的軋制鋼卷數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)負(fù)荷超過(guò)85%、100%、115%的次數(shù)越多，熔斷器燒毀的次數(shù)也越多。如圖5 所示，I1、I2、I3 三個(gè)機(jī)架負(fù)荷較大，熔斷器燒毀故障全部發(fā)生在這三個(gè)機(jī)架之中，因此，當(dāng)軋機(jī)負(fù)荷超過(guò)有害負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮通過(guò)優(yōu)化軋制參數(shù)來(lái)重新分配各機(jī)架的工作負(fù)荷，以延長(zhǎng)快速熔斷器的使用壽命。

圖5 不同機(jī)架的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

4.3 保證快速熔斷器工作環(huán)境

快速熔斷器的正常工作環(huán)境，主要是要降低其周?chē)h(huán)境溫度，在使用風(fēng)冷降溫的傳動(dòng)系統(tǒng)中，應(yīng)注意保證傳動(dòng)柜內(nèi)的通風(fēng)量，由風(fēng)速通過(guò)能力曲線(xiàn)可確定風(fēng)速對(duì)熔斷器溫升的影響，一般風(fēng)速約5 m/s 時(shí)可以提高25%的通流能力。因此，要定期清理傳動(dòng)柜濾網(wǎng)和傳動(dòng)柜風(fēng)扇，并定期檢測(cè)風(fēng)扇電流以確保風(fēng)扇能正常工作，從而保證傳動(dòng)柜的散熱水平。同時(shí)在安裝時(shí)要給予快速熔斷器固定螺栓規(guī)定的扭矩，當(dāng)施加扭力過(guò)大時(shí)，會(huì)造成熔斷器熔體通道的物理性損壞，給熔體帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的損壞，因此應(yīng)定期檢查快速熔斷器安裝螺栓是否有松動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能的釋放，傳動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷勢(shì)必會(huì)提升，如何提高快速熔斷器的可靠性，是一個(gè)重要課題。由快速熔斷器的特性可知，負(fù)荷電流及快熔溫度是影響快速熔斷器壽命的最根本因素，準(zhǔn)確把握好快速熔斷器的溫度就能夠確定其工作狀態(tài)及故障趨勢(shì)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少快速熔斷器燒毀帶來(lái)的損失，保證產(chǎn)線(xiàn)順利、穩(wěn)定。