浅析典型中频熔炼炉电气保护报警系统

2016-04-11彭庆超云南铜业古河电气有限公司云南昆明650102

中国新技术新产品 2016年2期

彭庆超（云南铜业古河电气有限公司，云南　昆明　650102）

浅析典型中频熔炼炉电气保护报警系统

彭庆超
（云南铜业古河电气有限公司，云南昆明650102）

摘要：随着晶闸管中频电源技术的发展，中频熔炼炉逐渐成为铸造行业的首选设备。本文对中频熔炉路的工作原理及常见的故障进行了简单介绍，重点对中频炉的三大电气保护系统：水冷却报警系统、接地保护系统和过流过压保护系统进行了详细的分析。对中频熔炼的研发单位及使用单位都有较好的借鉴意义。

关键词：中频炉；保护系统；报警系统；晶闸管

20世纪90年代中叶，世界第一台用于感应熔炼的晶闸管中频电源诞生于瑞士的BBC公司，各发达国家相继推出了系列商品，中频熔炉迅速得到推广与发展，很快代替了传统的熔炼设备，成为铸造行业的首选设备。典型的中频熔炉电源一般采用AC-DC-AC变化方式。其基本工作原理就是通过整流电路先将三相工频交流电整为直流电，滤波后由逆变电路向负载提供单项的中频（50kHz～10kHz）电流，该电流在熔炉的感应线圈中产生中频的交变感应磁场，在金属炉料中产生感应电势，产生热量，融化金属物料。

该过程中会产生高电压、大电流，并伴随产生大量的热量，这些都是因素，如果不能进行有效的监控，容易造成安全事故，所以对上述因素设置报警保护系统尤为重要。在典型中频熔炉设备中，报警保护系统一般包括水冷却报警系统、接地保护系统和过流过压保护系统等，本文主要针对上述三大系统进行分析研究。

1 水冷却报警系统

中频熔炉中的水冷却系统主要是对炉体和电气控制柜进行冷却，保证设备的安全运行。

虽然中频炉的炉体由电阻率较低的方铜管缠绕而成，但是因为大电流及集肤效应影响，造成电流向坩埚一侧偏移，产生大量的热量。为了保证炉体的铜线圈的绝缘性和熔池的安全，需要水冷却系统具有足够的冷却能力，还要确保坩埚内的温度在降到100℃前，水冷却系统不能停止工作。电气控制柜的水冷却系统主要为了带走晶闸管、电容、电感及铜排等元件工作过程中产生的热量，保证电气系统正常运行。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。

典型的中频炉水冷却报警系统主要具备以下功能：（1）监测水冷却系统的进水管道上的水温、压力和流量，能够在进水温度超过设定值时自动增加冷却塔的冷却功率，保证冷却效果；当冷却水的温度高于警戒值或水流量低于警戒值是能够自动报警并中断电源，保证设备及人员安全。

2 接地保护报警系统

为了避免中频炉在工作过程中，高压谐振电路因对地绝缘电阻低，造成高压对地放电，造成重大安全生产事故，必须在中频炉中设置接地泄露保护系统。一是来检测是否因炉衬“渗铁”或含水量过高造成的炉体线圈与金属炉料之间有异常低电阻；二是检测电容器、汇流母排、炉体线圈等是否存在对地低电阻路径。

该报警系统的工作原理是通过毫安表检测施加在谐振电路上低压直流电源的泄露电流，如果泄露的电流异常增大，则说明谐振电路的对地电阻异常降低。该报警系统一般是采取不锈钢钢丝从炉底引出将炉衬接地的方式，通过该方式不仅可以保证熔池的零电位，而且可以避免出渣时发生安全事故，同时可以准确检测到“渗铁”状况。该系统可通过控制接触器人为造成对地短路检测炉体接地泄露报警装置是否正常。

3 过流过压保护系统

为了避免因负载短路或逆变换流失败形成的短路电流对整流、逆变晶闸管造成威胁，必须在中频炉的整流电路上设置保护电路，即对过流、过压的保护。

当中频炉的负载有短路电流产生时，整流电路（图1所示）触发脉冲会在极短的时间内（毫秒级）由整流区转化到有源逆变区（图2所示），电抗器Ld上的磁场能量经整流电路向电网迅速释放。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。

图1　整流电路

图2　整流保护功能示意图

图3　阻容吸收装置

其过流保护的具体工作步骤如图2所示：在t1时刻前，中频电源的电源Ud和电流Id处于正常状态。t1时刻设备发生故障，整流电路的直流侧发生短路，电流迅速增大，但是因为由于电抗器Ld的作用，其电流不会发生瞬时突变。到了t2时刻，电流Id增加到过流保护系统动作设定值，触发过电流保护动作。正常工况下，V6和V2应在导通120°后分别切换到V4和V3，但因为触发了电流保护动作，整流触发角被迅速移相至α＝150°处，也就说当V6导通120°后V4仍未触发，直到t4时刻V4触发与V6换流，同理V3在t5时刻开始触发与V2换流。

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，此时Id达到最高点。随着时间推移，Ud电压继续下降为负值，整流电路从整流状态转变为有源逆变状态。在反向电压的作用下，Id出现拐点，开始减小，电抗器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。

过压保护与过流保护的工作原理是相同的，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。

晶闸管的损坏大多是因为过压击穿导致，所以主要采取阻容吸收装置（图3）对其进行保护，其原理主要是利用电容吸收尖峰电压，电阻消耗部分过电压的能量并抑制回路内的谐振。