精炼炉水冷电缆固定底板发热问题的解决

(邢台钢铁有限责任公司炼钢厂，河北 邢台 054027)

炼钢厂精炼炉是生产特种钢、精品钢等高端钢种的关键环节。精炼设备通过对钢水进行大电流加热及精炼处理可以使得钢水品质有本质的提升，其中对钢水加热的大电流核心设备为变压器、短网等部件。短网部件包括大电流挠性水冷电缆、导电横臂及电极夹。短网部位设备在生产中通过上万安培的电流，一旦出现问题，将会导致设备发热，甚至造成设备重大损坏，对生产构成较大的影响。某炼钢厂的3号精炼炉，在使用中发现C相水冷电缆在变压器二次侧固定处出现异常发热的情况，对生产构成了隐患。文章以炼钢厂3号精炼炉C相水冷电缆固定底板发热的异常情况为例，介绍了该异常情况的解决过程，为该较为罕见的异常情况提供了解决方法与思路。

1 精炼炉短网系统简介

某钢厂3号精炼炉变压器额定容量为16 000 kVA，额定电压36 500/285V，额定电流32 410 A。变压器低压侧采用内封三角形出线方式，如图1所示。

图1 变压器低压侧出线方式

3号精炼炉短网主要由变压器低压侧三角形布置的每相4根Φ65 mm水冷铜柱端子、12根Φ65 mm，长710 mm水冷补偿器、12根Φ65 mm水冷铜管、6根Φ125 mm,长6 600 mm水冷电缆及3相导电横臂、电极夹组成。结构形式见图2。

图2 精炼炉短网结构图

其中9号部位的水冷电缆固定部件连接水冷电缆端面与水冷铜管端子端面，使用50 mm厚环氧树脂绝缘为基础，保证电缆通电部位与金属支架之间的绝缘良好。水冷电缆质量较重，单根为317 kg，为了增加电缆安装后的强度，在绝缘板与水冷端子的端面之间敷设4 mm后C型不锈钢钢板，钢板扣在绝缘板表面，在钢板背面中间部位进行焊接不锈钢拉筋，以增强钢板本身强度。钢板与绝缘板之间使用不锈钢螺栓紧固，将水冷电缆端面、水冷铜管端面及绝缘板、钢板连接在一起，如图3所示。

图3 连接示意图

2 问题现象

某钢厂3号精炼炉2019年2月份的一次夜班生产加热过程中，岗位人员发现C相水冷电缆与水冷端子固定处有打火现象。随即通知维修人员，维修人员之后进行了拆检，拆检后发现水冷电缆与水冷铜端子接触面都存在电击烧蚀造成的大量深浅不一的坑洞，同时不锈钢固定底板存在高温变色、变形的情况，绝缘板外表有高温灼烧形成的变色痕迹。针对故障现象初步判断为固定水冷电缆的不锈钢螺栓松动造成接触面不良，在生产过程中大电流通过造成表面烧蚀严重。

为了避免事故进一步扩大，维修人员对水冷电缆及水冷铜端子进行了拆除并送机加工对接触面进行了铣床加工，保障接触面的平整光滑。对变形的不锈钢底板、绝缘板进行了更换。上述工作累计造成停产3天。全部重新安装完毕后进行了生产跟踪，未出现打火的情况。使用红外点温枪对固定螺栓进行测温，温度在40 ℃左右，未见异常。

之后在连续跟踪使用过程中，维修点检人员偶尔听到兹兹的声音，未能明确发出声音部位。维修人员利用检修时间对整个变压器、短网等各部位紧固之处进行了检查紧固，未能发现明显松动的部位。

在4月初为了更为直观检查高压设备等关键设备的运行状态和潜在隐患，新购进红外成像仪替代常规的点温枪对设备进行检测。在对3号精炼炉短网的检查中，发现C相水冷电缆固定底板温度异常，尤其在不锈钢底板中间位置。相较A、B两相水冷电缆不锈钢底板高了100 ℃左右，随着电极加热时间越长，该部位温度持续升高，但是水冷电缆固定的螺栓温度并不高，只有40～50 ℃，说明并不是螺栓松动造成的接触不良导致的温度升高。如图4所示。

图4 设备测温装置

之后对整个短网系统进行红外成像观察未发现明显异常之处。因此怀疑事故原因是由于不锈钢固定底板的材质不佳，导致在强电磁场环境中感应涡流发热严重。为此重新制作316L不锈钢固定底板一块，使用磁铁对新加工底板进行吸附试验，在平面位置磁性几乎可以忽略，在中间加强筋的焊接部位可以感受到微弱的磁性。对在线使用的底板进行试验，中间焊接部位也可以感受到微弱磁性，因此可判断应该不是材质导致的发热。

新制作的底板安装后的测温中温度依然居高不下也证实了确实非底板材质所致，如图5所示。

图5 底板测温

3 问题分析及解决过程

排除了螺栓松动、底板材质的因素后，在未能明确原因的情况下，为了保证生产的连续性，维修人员对该设备实行了重点点检维护。

在此期间有技术人员提出将固定底板两侧自上而下开豁口，降低感应涡流的影响，但是这种办法只是权宜之计，不能从根本上解决问题，同时还会降低底板强度,故未采纳。

又有技术人员提出，可能是接地系统不佳影响了电磁场均布，造成局部感应较强。对此，维修人员对整个短网及变压器的接地情况进行了检查，对接地阻值进行了测量，阻值为0.1Ω，符合要求。

之后将重点聚焦在水冷电缆及水冷补偿器上。水冷电缆及水冷补偿器在线使用已经长达10年，外表全部为橡胶层，中间通过冷却水的形式。一旦内部出现问题极有可能造成阻值不平衡，电流不平衡，进而形成不平衡的电磁场，造成局部感应过热。

基于上述分析，如何判断水冷电缆或是补偿器出现问题实际上却是很困难，一方面生产还在连续进行，如果在线测量水冷电缆或是补偿器的内阻，是不准确的。如果拆下测量，势必影响生产进行，尤其是补偿器的拆除需要将变压器拉出原位才能进行拆装，至少需要3天时间，造成损失较大。

对此炼钢厂一方面重新设计定制了新型易拆装补偿器，另一方面陆续开始更换水冷电缆，利用检修空隙先后完成了三相六根水冷电缆更换，每次更换完毕后都进行了热成像观察，底板发热情况没有改观。更换下来的水冷电缆进行拆检，外表橡胶虽然有老化裂纹情况，但内部铜丝没有断裂等异常情况。

在随后的持续跟踪中不锈钢固定底板中间位置的温度一直居高不下。

同时发现C相水冷电缆铜管的水温也逐渐出现较AB两相高10 ℃的异常情况。针对此情况，检修时对水冷铜管的进出水进行了吹扫，发现从内部吹出不少黑色铜丝粉末等杂质。在一次长时间加热使用成像仪测温时，发现多根补偿器表面温度不一致情况，判断为补偿器内部出现异常所导致。

此后重点对补偿器进行成像跟踪，发现补偿器表面橡胶套管温度不一致部位愈发严重，如图6所示。

图6 补偿器表面温度测量

在新型水冷电缆补偿器到货后，对在线的12根水冷电缆补偿器进行了更换。更换下来补偿器进行了拆检，发现内部连接铜网基本处于严重腐蚀老化状态，部分内部由于高温烧损发黑严重，同时铜网之间堵塞严重，也是造成冷却效果差，在生产过程中大电流通过发热愈发严重，形成恶性循环。

补偿器全部更换完毕后，生产过程中使用成像仪测温，发现不锈钢固定底板温度已经大幅下降，与A/B两相对比一致，如图7所示。补偿器本体不再出现温度不均的情况，见图8。

图7 不锈钢固定底板温度测量

图8 补偿器温度测量

加热时水冷铜管部位的震动消失，以往出现的异常声音也消除，整个短网系统恢复了正常状态，该隐患得到了彻底消除。

4 结 论

(1)本次底板异常发热的根本原因在于水冷补偿器的内部损坏造成。因此当精炼炉大电流短网系统出现类似问题时，应考虑相关设备的电流不平衡造成的电磁场异常感应的因素，并排查相关设备。

(2)对于水冷电缆及补偿器可以考虑进行相关电流检测，提前发现异常，避免隐患的持续发展最终导致其他钢厂发生不锈钢底板中部因温度过高烧断。

(3)回顾事故最初发生时，在打火情况之前底板应该已经开始温度升高，继而变形松动造成接触不良的故障发生。因使用点温枪只能对个别点位例如螺栓进行测温，如果类似上述问题，测量螺栓温度正常情况下，会遗漏其他部位的测量。因此有条件的电气测温建议使用热成像仪较为全面可靠，避免遗漏异常点。