淺析典型中頻熔煉爐電氣保護報警系統

彭慶超（云南銅業古河電氣有限公司，云南　昆明　650102）

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淺析典型中頻熔煉爐電氣保護報警系統

彭慶超
（云南銅業古河電氣有限公司，云南昆明650102）

摘要：隨著晶閘管中頻電源技術的發展，中頻熔煉爐逐漸成為鑄造行業的首選設備。本文對中頻熔爐路的工作原理及常見的故障進行了簡單介紹，重點對中頻爐的三大電氣保護系統：水冷卻報警系統、接地保護系統和過流過壓保護系統進行了詳細的分析。對中頻熔煉的研發單位及使用單位都有較好的借鑒意義。

關鍵詞：中頻爐；保護系統；報警系統；晶閘管

20世紀90年代中葉，世界第一臺用于感應熔煉的晶閘管中頻電源誕生于瑞士的BBC公司，各發達國家相繼推出了系列商品，中頻熔爐迅速得到推廣與發展，很快代替了傳統的熔煉設備，成為鑄造行業的首選設備。典型的中頻熔爐電源一般采用AC-DC-AC變化方式。其基本工作原理就是通過整流電路先將三相工頻交流電整為直流電，濾波后由逆變電路向負載提供單項的中頻（50kHz～10kHz）電流，該電流在熔爐的感應線圈中產生中頻的交變感應磁場，在金屬爐料中產生感應電勢，產生熱量，融化金屬物料。

該過程中會產生高電壓、大電流，并伴隨產生大量的熱量，這些都是因素，如果不能進行有效的監控，容易造成安全事故，所以對上述因素設置報警保護系統尤為重要。在典型中頻熔爐設備中，報警保護系統一般包括水冷卻報警系統、接地保護系統和過流過壓保護系統等，本文主要針對上述三大系統進行分析研究。

1 水冷卻報警系統

中頻熔爐中的水冷卻系統主要是對爐體和電氣控制柜進行冷卻，保證設備的安全運行。

雖然中頻爐的爐體由電阻率較低的方銅管纏繞而成，但是因為大電流及集膚效應影響，造成電流向坩堝一側偏移，產生大量的熱量。為了保證爐體的銅線圈的絕緣性和熔池的安全，需要水冷卻系統具有足夠的冷卻能力，還要確保坩堝內的溫度在降到100℃前，水冷卻系統不能停止工作。電氣控制柜的水冷卻系統主要為了帶走晶閘管、電容、電感及銅排等元件工作過程中產生的熱量，保證電氣系統正常運行。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。

典型的中頻爐水冷卻報警系統主要具備以下功能：（1）監測水冷卻系統的進水管道上的水溫、壓力和流量，能夠在進水溫度超過設定值時自動增加冷卻塔的冷卻功率，保證冷卻效果；當冷卻水的溫度高于警戒值或水流量低于警戒值是能夠自動報警并中斷電源，保證設備及人員安全。

2 接地保護報警系統

為了避免中頻爐在工作過程中，高壓諧振電路因對地絕緣電阻低，造成高壓對地放電，造成重大安全生產事故，必須在中頻爐中設置接地泄露保護系統。一是來檢測是否因爐襯“滲鐵”或含水量過高造成的爐體線圈與金屬爐料之間有異常低電阻；二是檢測電容器、匯流母排、爐體線圈等是否存在對地低電阻路徑。

該報警系統的工作原理是通過毫安表檢測施加在諧振電路上低壓直流電源的泄露電流，如果泄露的電流異常增大，則說明諧振電路的對地電阻異常降低。該報警系統一般是采取不銹鋼鋼絲從爐底引出將爐襯接地的方式，通過該方式不僅可以保證熔池的零電位，而且可以避免出渣時發生安全事故，同時可以準確檢測到“滲鐵”狀況。該系統可通過控制接觸器人為造成對地短路檢測爐體接地泄露報警裝置是否正常。

3 過流過壓保護系統

為了避免因負載短路或逆變換流失敗形成的短路電流對整流、逆變晶閘管造成威脅，必須在中頻爐的整流電路上設置保護電路，即對過流、過壓的保護。

當中頻爐的負載有短路電流產生時，整流電路（圖1所示）觸發脈沖會在極短的時間內（毫秒級）由整流區轉化到有源逆變區（圖2所示），電抗器Ld上的磁場能量經整流電路向電網迅速釋放。當短路浪涌電流超過晶閘管承受范圍或網側整流電路內部短路時，由晶閘管專用快速熔斷器進行保護。

圖1　整流電路

圖2　整流保護功能示意圖

圖3　阻容吸收裝置

其過流保護的具體工作步驟如圖2所示：在t1時刻前，中頻電源的電源Ud和電流Id處于正常狀態。t1時刻設備發生故障，整流電路的直流側發生短路，電流迅速增大，但是因為由于電抗器Ld的作用，其電流不會發生瞬時突變。到了t2時刻，電流Id增加到過流保護系統動作設定值，觸發過電流保護動作。正常工況下，V6和V2應在導通120°后分別切換到V4和V3，但因為觸發了電流保護動作，整流觸發角被迅速移相至α＝150°處，也就說當V6導通120°后V4仍未觸發，直到t4時刻V4觸發與V6換流，同理V3在t5時刻開始觸發與V2換流。

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，此時Id達到最高點。隨著時間推移，Ud電壓繼續下降為負值，整流電路從整流狀態轉變為有源逆變狀態。在反向電壓的作用下，Id出現拐點，開始減小，電抗器Ld作為直流源將能量向電網釋放。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電壓產生電流，有源逆變停止。

過壓保護與過流保護的工作原理是相同的，取負載端中頻電壓信號，當中頻電壓超過允許值時，觸發角α迅速移相到150°停機。

晶閘管的損壞大多是因為過壓擊穿導致，所以主要采取阻容吸收裝置（圖3）對其進行保護，其原理主要是利用電容吸收尖峰電壓，電阻消耗部分過電壓的能量并抑制回路內的諧振。

結語

水冷卻系統、接地保護報警系統及過壓過流保護系統充分保證了中頻爐熔煉過程中爐體的安全、電氣系統對地的絕緣性以及避免整流電路的過載擊穿，從而保證了設備的安全、人員的安全以及生產過程的安全、高效，是中頻爐不可缺少的三大保護系統。

參考文獻

[1]劉少榮.中頻感應熔煉爐的電氣常見故障分析與處理[J].江西冶金，2015，35 （04）.

中圖分類號：TM762

文獻標識碼：A