李 軍

（南車戚墅堰機車有限公司，江蘇 常州 213011）

自1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺用于感應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，如報警保護不當，易造成嚴重的設備安全事故。所以故障報警保護系統(tǒng)就顯得尤為重要。中頻爐主要報警保護系統(tǒng)包括水冷卻報警系統(tǒng)、接地保護系統(tǒng)以及過壓保護系統(tǒng)等，本文對這三大保護系統(tǒng)進行了詳細介紹與分析。

1 水冷卻報警系統(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，但因為通過的電流很大，加上銅管內(nèi)的電流因集膚效應而向坩堝壁一側(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。電氣柜冷卻部分主要用來冷卻在工作過程中會大量發(fā)熱的晶閘管、電容、電感及銅排等。為達到良好的冷卻效果，一般需要在室外安裝獨立的冷卻塔。根據(jù)設備的功率大小有時需配套獨立的爐體、電氣柜冷卻塔。

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

2 逆變系統(tǒng)接地報警

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

常見的接地泄漏保護系統(tǒng)執(zhí)行兩個功能：

1）檢測在電容器、爐體線圈及匯流母排等之中是否存在異常的對地電阻低的路徑；

2）檢測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，搗筑爐襯時掉入導電雜物也可能引起電阻降低。

常用的報警系統(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出來。一旦泄漏電流異常增大即表明諧振電路對地電阻異常降低。使用接地泄漏保護的熔煉爐，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)可以準確的檢測到“滲鐵”狀況。

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

3 過流過壓保護

中頻電源的負載短路或逆變換流失敗，都會使整流電路通過逆變電路形成短路電流（圖1）.對整個整流、逆變晶閘管形成威脅，所以必須設置保護電路。

圖1 整流電路[2]

當產(chǎn)生短路電流時，整流電路（如圖1）觸發(fā)脈沖會在毫秒級的時間范圍內(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°，把電抗器上的磁場能量經(jīng)整流電路迅速向電網(wǎng)釋放。而當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，由晶閘管專用快速熔斷器進行保護[3]。

其具體工作步驟如圖2.在t1時刻前，中頻電源在正常工況下運行。此時的直流電流Id、電壓Ud正常。假設在t1時刻設備發(fā)生故障，逆變晶閘管上、下臂擊穿，相當于圖1中直流側(cè)直接上下短路。此時由于電抗Ld的作用，Id不會發(fā)生突變，但此時電流迅速增大。到了t2時刻，電流Id達到過電流動作設定值，觸發(fā)過電流保護動作。整流觸發(fā)角迅速移相到α=150°處，此時晶閘管V6、V2導通，如設備工作狀態(tài)正常，V6和V2應在導通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V6導通120°后V4仍未觸發(fā)，V6繼續(xù)導通直到t4時刻V6和V4換流，同理V3在t5時刻才與V2換流。

圖2 整流保護功能示意圖

在過電流保護過程中，由于α 角的增大，導致Ud線電壓Ubc下降，到t3時刻，Ubc=0.在t3時間往后，Ud電壓降為負值，由于反向電壓的作用，Id從最高點開始減小，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時刻后降到安全限定電壓以下。最后到t6時刻Ld上的感應電勢已不能克服電網(wǎng)電壓產(chǎn)生電流，有源逆變停止。

在上述保護動作過程中，過電流保護系統(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，一般不會對熔煉設備造成傷害。過電壓保護的原理與過電流保護相同。取負載端中頻電壓信號，當中頻電壓超過允許值時，觸發(fā)角α 迅速移相到150°停機。

晶閘管是一種電流控制元器件，其由于過電壓而導致?lián)p壞的概率要遠遠高于過電流損壞。因此，晶閘管的常用保護措施主要是阻容吸收裝置（如圖3），此保護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

中頻爐熔煉報警保護系統(tǒng)通過水冷卻系統(tǒng)保證熔爐的冷卻，確保爐體安全；通過接地保護系統(tǒng)監(jiān)測電氣系統(tǒng)的對地絕緣性，防止高壓對地放電；通過過壓過流保護系統(tǒng)避免主電路元件的過載擊穿，從而保證元器件的安全。這三種保護系統(tǒng)在保證中頻爐熔煉安全的同時，進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］.中國設備工程，2013（11）:35-37.

[2]李玉超.高沁翔.三相橋式全控整流實驗裝置的設計與研制[J］.現(xiàn)代電子技術，2006（19）：104-106.

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