韩验龙，杨金昭，裴勇梅，张学强，金 琳，侯大伟

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司冷轧部，河北 唐山 063200）

1 700 mm酸轧主传动整流控制系统通过应用绝缘栅双极晶体管IGBT的高频率通断来控制主轧机工作。IGBT具有输入高阻抗、通态低电压、通断速度快、承受大电流的优点，但其热容量较小，有承受短时间过电流的缺点，因此过电流保护的设置要合理[1]。此外，应用产线时，功率半导体和快熔是串联关系，如果过载或短路电流通过闭合回路时，大电流会使快熔中的熔体发热而迅速熔断切断回路，进而保证IGBT不被损坏，同时也保护了输出下口的重要设备。本文提出采取快熔扩容的方法，以提升快熔的过流能力，降低设备损坏率。

1 快熔工作原理

快速熔断器（简称快熔）流入额定电流时，熔体内产生的热量与导电触刀、熔管表面所散热量之和相平衡，其最高温度在与镀银接触处，一般低于80℃。

当快速熔断器短路、过载运行时，温度加剧升高，短路、过载电流流入熔芯窄颈部位，快速熔化，形成电弧。电弧的热量导致镀银片蒸发，迅速与石英砂熔化形成一种绝缘的银化合物。此时弧区电阻值增大，短路过载电流受到阻截。伴随着时间的推移，电弧向两边延伸，电弧被拉长拉细，电弧电流降低，进而阻截电流。实验表明，短路、过载电流大于快熔额定电流的10倍以上时，快熔将阻截电路，以避免通信设备被短路故障所影响。正常情况下，快速熔断器从短路、过载电流流经开始，到电路被切断终止的熔断时间低于10 ms[2]。

当短路电流高达10 000 A时，其熔断时间在500μs，而IGBT允许的短路击穿保护时间仅有几十微秒。IGBT短路允许时间快于快熔的熔断时间，从严格意义上来说，快熔对IGBT起到一定的保护作用外，其主要作用为防止事故扩大化。图1为快熔短路电流与熔断时间的特性图。

图1 快熔短路电流与熔断时间特性曲线图

对于IGBT过电流保护，1 700 mm酸轧采用的是集电极电压识别的方法。在正常运行情况下，IGBT的通态饱和压降UON与集电极电流iC呈线性变化的关系，明确了通态饱和压降UON的大小即可判断IGBT集电极电流的大小。流入IGBT大电流后，结温升高，通态饱和压降增加，有效保护了IGBT过电流被击穿特性。

2 IGBT的擎住效应

从下页图2电路图中可以看出，IGBT内部输出三极管T1和寄生三极管T2等效为一个晶闸管。电阻Rr形成正向偏压施加在T2的基极和发射极回路上。当IGBT处于正常稳定通态或截止状态、电流iC小于允许值时，Rr的压降很小，克服不了T2的发射极和集电极上PN结电压，导致T2产生不了基极电流，即T2并不起作用。如果iC瞬时增大，Rr上压降急速增加，达到可以克服T2的发射极和集电极间的PN结电压时，触发T2导通，这样就撤除了门极电压UGE，IGBT也会像晶闸管一样处于导通状态，门极G失效，这种现象称之为擎住效应[6]。

图2 IGBT等效电路图

在设计制造日立传动时，IGBT内部已极大地降低了电阻Rr的阻值，使IGBT集电极电流在最大允许值iM时，电阻Rr的压降仍低于T2起始导电所需的正偏压值，而实际工作中iC仍然会超过iM，呈现擎住效应。若外电路限制不了iC的增长，便有极大可能损坏IGBT元件。表1为IGBT和晶闸管过电流比对表，不难看出IGBT和晶闸管的标称电流原则是不相同的，IGBT的标称电流是按集电极瞬时最大电流iM来标定的，iM还受元件的结温、耗散功率的影响，iM值是在规定的结温及标准的散热条件下得出的[3]。IGBT过流能力比晶闸管能力差很多，为了更好保护IGBT过流击穿特性，必须使快熔满足检测、保护装置的快速性，以及将响应时间控制在4～10μs内。

表1 晶闸管、IGBT过电流能力对比

3 快熔击穿现象

截止到目前，1 700 mm酸轧主传动柜连续出现3次快熔烧毁的事故，由于设备的特殊性，基本上每次事故处理起来都至少耗费1.5 h，严重影响了酸轧生产节奏，带来了不必要的经济损失。

以最近一次的快熔烧毁为例，1 700 mm酸轧在正常生产时，HMI画面报警，1号机架主传动柜跳闸，停车失张后导致1号—2号机架断带。后传动柜重故障报警，T1相P侧快熔的微动开关弹出，快熔烧毁。1号机架主传动柜内T1相P侧快熔烧毁是本次故障的直接原因。调取传动故障时的故障捕捉记录，如图3为带钢轧制过程中的断带时，1号—2号机架间的电流曲线图。而从M-TOOL软件中不难发现，传动柜逆变器转矩电流偏大，最高可达132%，导致整流柜冲击电流增大，致使快熔烧毁，如图4所示。

图3 TRACE曲线断带报警图形

图4 转矩电流超过115%限幅值

轧机主传动柜内快熔的温度实际检测约85℃，而快速熔断型熔断器的可熔体（金属丝）较剧烈氧化开始的温度约为200℃（175～225℃），不存在环境温度高的问题。

由于1 700 mm酸轧产线生产节奏快，钢种变化频率较高[7]，因此统计了1月至4月的5个机架的过载电流次数，如表2所示。通过分析表明，主传动设备运行负荷大，电流高，再加上设备长期运行、频繁起停、高强钢生产，以及生产过程中的断带急停等因素，造成熔断器在生产中多次受到过电流冲击，产生热循环，从而加速熔丝的扩散、氧化、热应力不断降低[8]。熔断器将随着脉冲能量和过电流次数的增加而渐渐老化，导致快熔性承受不了巨大负荷，性能也逐渐下降，致使快熔烧毁。

表2 1月—4月5个机架过载（≥115%大电流）统计

经多次分析检查，3次事故都是由同一原因导致的快熔损坏。综上判断，该熔丝可能是因选型过小，长期受过电流冲击作用，产生热循环，触使熔丝老化所致，根本的解决方法为采取快熔扩容。

4 主传动快熔扩容原则

1 700 mm酸轧轧机主传动快熔的选择主要参数有：额定电流、额定电压[4]、热能熔化值、限熔流特性。

4.1 额定电流

额定电流为允许条件下，快熔长期保持正常运行的最大电流。主传动系统计算中，快熔的选取主要按保护IGBT功率开关元件为依托，要求快熔在保护IGBT元件热击穿前断开电路，所以主传动快熔保护选取的额定电流IRN应满足：

式中：I*RN为快熔的计算额定电流；IT（RMS）为功率元器件的电流均方根。

快熔的计算额定电流I*RN计算如下：

式中：IP为快熔臂平均电流；KBX为波形系数；KRX为快熔选择系数（1.1～1.25倍）；KC为均流系数（≤0.85）；ZBX为每臂并联元器件数；X为快熔损坏数2只。

功率元器件的电流均方根IT（RMS）值为：

式中：IT（AV）为功率元器件通态均电流。

在实际应用中，1 700 mm酸轧主传动的负荷具有冲击性，所以要对计算额定电流IT（AV）考虑一定的余量，取系数为0.73。因此，轧机主传动快熔额定电流IRN的选型原则为：

对于1 700 mm酸轧系统，I*RN=317A，IT（AV）=1210.7A，因此，IRN的选择范围应该是429 A≤IRN≤1 901 A，快熔额定电流选取要满足在此范围内。

4.2 额定电压

额定电压为快熔断开瞬间所承受的安全最大电压。而快熔额定电压应满足条件为：

式中：UAC为网侧额定电压；K为电压裕量系数，其值在1.1～1.2之间。

4.3 热能熔化值

热能熔化值（I2T）：使快熔的熔断体快速熔化、部分气化的切断电流需要的能量公称值，也就是快熔熔断需要的最小热能值。

式中：i2dt为溶化积分值，即IEC标称中的I2T预飞弧值，指从熔体熔化至飞弧瞬间开始所需的能量，与熔体容量大小有关；i2dt为飞弧积分值，是指飞弧瞬间开始到飞弧熄灭所需的能量。

4.4 限熔流特性

限熔流特性指快熔出现短路故障时，熔化后的电弧起限流、截阻作用。在短路电流故障未达到峰值前，快熔就产生了限流、截阻现象。熔断过程中的峰值电流大小值与电路的外部电源频率、电压、功率因数、电弧始燃角大小，及其预期电流等相关[5]。

4.5 快熔参数确定

1 700 mm酸轧应满足轧机主传动快熔的参数选定条件，额定电压、内阻不变，额定电流由原来的500 A增加到560 A，满足429 A≤IRN≤1 901 A的原则，即1 700 mm酸轧轧机主传动采用快熔扩容的型号为PC123UC20C560TF，额定电流为560 A，额定电压为2 000 V，内阻值为0.297 MΩ的快速熔断器，提高了快熔的容量，且满足产线特种高强钢的保护需求。

5 结论

1 700 mm酸轧主传动系统中快熔扩容要遵循额定电流满足I*RN/0.73≤IRN≤1.57IT（AV）的要求，额定电压应满足URN=KUAC的条件，开断能力要强于短路电流。在满足上述条件的同时，也要高于偏下限值，还需考虑一定的余量。主传动系统快熔扩容后，承受过电流冲击的能力大大提高，减缓了快熔老化的进程，保护了IGBT元器件，提高了带钢生产效率。