中频炉常见报警保护系统简介

2015-07-11李军

铸造设备与工艺 2015年1期

李军

（南车戚墅堰机车有限公司，江苏常州 213011）

自1996年瑞士BBC公司研制成功第一台用于感应熔炼的晶闸管中频电源以来，中频熔炼炉就逐渐发展成为铸造行业的首选熔化炉。由于其工作过程中的高电压、大电流等特性，如报警保护不当，易造成严重的设备安全事故。所以故障报警保护系统就显得尤为重要。中频炉主要报警保护系统包括水冷却报警系统、接地保护系统以及过压保护系统等，本文对这三大保护系统进行了详细介绍与分析。

1 水冷却报警系统

水冷却系统是中频炉最重要的辅助系统，一般可分为炉体冷却系统和电气柜冷却系统两部分。

中频炉炉体线圈由方铜管绕制而成，虽然铜的电阻率较低，但因为通过的电流很大，加上铜管内的电流因集肤效应而向坩埚壁一侧偏移，引起铜管大量放热。为保证炉体线圈的绝缘性和熔池的安全，熔炼期间需有足够的冷却能力保证，并且在坩埚内温度降到100℃前冷却装置不得停机。电气柜冷却部分主要用来冷却在工作过程中会大量发热的晶闸管、电容、电感及铜排等。为达到良好的冷却效果，一般需要在室外安装独立的冷却塔。根据设备的功率大小有时需配套独立的炉体、电气柜冷却塔。

常见的中频炉水冷却报警系统主要包括：①进水口管道上安装的水温、压力及流量计，监测水冷却系统的进水参数。在水温超过设定值时应自动增大冷却塔功率，在温度超过警戒值或压力及流量过低时应报警并中断电源。②炉体及电柜各冷却水管出水口串联安装需手动复位的温度传感器，检修时根据温度传感器的复位按钮快速确定异常部位[1]。

2 逆变系统接地报警

中频炉在工作过程中炉体线圈与电容形成一个高压谐振电路。一旦发生对地绝缘电阻低的情况，高压对地放电极易发生重大安全事故。为保证设备的正常运行，需安装接地泄漏保护系统。

常见的接地泄漏保护系统执行两个功能：

1）检测在电容器、炉体线圈及汇流母排等之中是否存在异常的对地电阻低的路径；

2）检测炉体线圈与金属炉料之间是否有异常的低电阻。这种低电阻可能是金属炉料渗透炉衬发生“渗铁”或炉衬中的含水量过高，捣筑炉衬时掉入导电杂物也可能引起电阻降低。

常用的报警系统原理为：在谐振电路上施加一低压直流电源，一般的中频炉炉体线圈之间仅经过轻度的绝缘处理，因此，所施加的直流电压会在线圈和熔池之间产生一些小的泄漏电流，从而可以通过毫安表检测出来。一旦泄漏电流异常增大即表明谐振电路对地电阻异常降低。使用接地泄漏保护的熔炼炉，一般在炉体底部用不锈钢钢丝从炉衬内引出并接地。这样既可以保证熔池的零电位，防止除渣过程中发生安全事故，也可以保证系统可以准确的检测到“渗铁”状况。

为便于随时检验接地报警系统是否工作正常，可在谐振电路内一点引线并通过电感、接触器接地。通过控制接触器人为制造对地短路即可在保证安全的前提下检测报警系统的灵敏度。为保证熔炼过程的安全应在每次开炉前检验炉体接地泄漏报警装置是否正常。

3 过流过压保护

中频电源的负载短路或逆变换流失败，都会使整流电路通过逆变电路形成短路电流（图1）.对整个整流、逆变晶闸管形成威胁，所以必须设置保护电路。

图1 整流电路[2]

当产生短路电流时，整流电路（如图1）触发脉冲会在毫秒级的时间范围内由整流区转换到有源逆变区（如图2），即将触发角由α＜90°迅速切换到α＞90°，把电抗器上的磁场能量经整流电路迅速向电网释放。而当短路浪涌电流超过晶闸管承受范围或网侧整流电路内部短路时，由晶闸管专用快速熔断器进行保护[3]。

其具体工作步骤如图2.在t1时刻前，中频电源在正常工况下运行。此时的直流电流Id、电压Ud正常。假设在t1时刻设备发生故障，逆变晶闸管上、下臂击穿，相当于图1中直流侧直接上下短路。此时由于电抗Ld的作用，Id不会发生突变，但此时电流迅速增大。到了t2时刻，电流Id达到过电流动作设定值，触发过电流保护动作。整流触发角迅速移相到α=150°处，此时晶闸管V6、V2导通，如设备工作状态正常，V6和V2应在导通120°后分别切换到V4和V3.但现在触发角从120°移相到150°，当V6导通120°后V4仍未触发，V6继续导通直到t4时刻V6和V4换流，同理V3在t5时刻才与V2换流。

图2 整流保护功能示意图

在过电流保护过程中，由于α 角的增大，导致Ud线电压Ubc下降，到t3时刻，Ubc=0.在t3时间往后，Ud电压降为负值，由于反向电压的作用，Id从最高点开始减小，整流电路从整流状态转变为有源逆变状态。Ld作为直流源将能量向电网释放。随着Ld中能量的减小，Id逐渐降低，并在t4时刻后降到安全限定电压以下。最后到t6时刻Ld上的感应电势已不能克服电网电压产生电流，有源逆变停止。

在上述保护动作过程中，过电流保护系统能在工频半波内将直流电压降低到安全限定电压以下，一般不会对熔炼设备造成伤害。过电压保护的原理与过电流保护相同。取负载端中频电压信号，当中频电压超过允许值时，触发角α 迅速移相到150°停机。

晶闸管是一种电流控制元器件，其由于过电压而导致损坏的概率要远远高于过电流损坏。因此，晶闸管的常用保护措施主要是阻容吸收装置（如图3），此保护方式主要是利用电容两端电压不能突变的特性吸收尖峰电压。串联的电阻能够消耗部分产生过电压的能量，并抑制回路内谐振。