VAR爐電氣故障原因分析及處理

周健

摘 要：隨著工業(yè)發(fā)展，對高品質(zhì)金屬材料的需求也越來越多。由于VAR爐清潔度較高，在熔鑄過程中能較好改善金屬內(nèi)部結構和成份均勻性，所以對最終產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的領域正逐步開始大量應用VAR爐生產(chǎn)的鈦及鈦合金等產(chǎn)品。目前我國的航空，國防，醫(yī)學和核工業(yè)等領域用鈦的發(fā)展在很大程度上得力于VAR爐設備的使用與真空電弧重熔Vacuum Arc Remelting（VAR）爐熔煉技術的進步。在VAR爐使用過程中如何最大限度地延長VAR爐的使用壽命，減少故障率，保證其高效安全運轉(zhuǎn)成為人們最為關心的問題之一。該文主要就在VAR爐使用過程中碰到的電氣故障原因進行分析，并提出處理措施。

關鍵詞：VAR爐 電氣故障 晶閘管 預防措施 分析處理

中圖分類號：TF066 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0060-03

由于鈦的化學活性較低，使得鈦及以鈦為主要元素的合金化合物在進行熔鑄時無法應用如黑色金屬一類的常規(guī)操作方法。目前應用的鈦及鈦合金熔鑄方法除真空感應熔鑄、電渣熔鑄、電子束和等離子冷床爐熔鑄外最主要的應用方法就是真空自耗電弧熔鑄，簡稱VAR。采用VAR法進行熔鑄最大的優(yōu)點是可以節(jié)約成本，并最大程度地提高金屬性能，而且VAR爐的操作較為簡便，可以較好地穩(wěn)定控制產(chǎn)品質(zhì)量，因此廣泛地應用在航空航天等材料制作過程中。雖然VAR爐具有許多的優(yōu)點，但在工業(yè)化應用中依然存在問題，必須尋找方法加以有效控制。

1 VAR技術淺析

VAR爐主要由7部分組成，分別為：真空系統(tǒng)、直流電源、自動及手動控制系統(tǒng)、穩(wěn)弧攪拌系統(tǒng)、檢測和自動記錄系統(tǒng)、電極驅(qū)動機械系統(tǒng)、銅坩堝及冷卻循環(huán)系統(tǒng)。VAR技術應用的一般流程為：混料—壓制電極—電極焊接成自耗電極—熔煉—鑄錠表面處理—檢驗。

VAR爐及其電氣特點是由硅整流變壓器和整流單元組合提供熔煉需要的DC電源，熔煉電壓為30～45 V。電極驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機及機械傳動部分組成，在使用過程中能非常精準地控制熔速。另外穩(wěn)弧系統(tǒng)避免了雜散電場的不對稱性對熔池的影響，改善金屬成份的均勻性，較好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

2 實例分析

以VAR爐使用過程中出現(xiàn)的故障為例，探究VAR爐電氣故障的原因及處理措施。

2.1 故障現(xiàn)象

VAR爐在正常熔煉過程中，熔煉電壓突然從30 V上升到32 V，熔煉電流從7 900 A下降至7 000 A，此時從設備上未發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，也并沒有收到報警提示。熔煉仍在繼續(xù)進行，但熔煉速度有明顯下降。

2.2 故障排查和原因分析及處理

第一，假設為水冷電纜線損壞導致故障發(fā)生。根據(jù)故障發(fā)生后所表現(xiàn)出的現(xiàn)象，可以先假設推斷為水冷電纜線某處被燒斷或連接處接觸不良。通過對整套系統(tǒng)中的水冷電纜線的分析，選擇其中最容易被燒斷的4根電纜進行檢查，采用機械旋動和檢測外部磁場的方法對4根水冷電纜線進行逐條檢查判斷，判斷3根電纜并未被燒斷。

第二，假設整流電源故障。對最有可能出現(xiàn)故障的整流柜中的整流元件及控制板進行檢查判斷，如圖1。

在判斷分析過程中我們逐個檢查整流單元的元件，發(fā)現(xiàn)有3只可控硅異常，表現(xiàn)為可控硅兩端電壓為零（在正常熔煉工作中的可控硅，用萬用表直流電壓檔測量應有40 V電壓）。在停機后，針對該3只可控硅整流回路進行重點檢查，發(fā)現(xiàn)其中有兩只可控硅的快速熔斷器已經(jīng)損壞，另外有一只可控硅經(jīng)測量為控制極與陰極反向短路，判斷其也已損壞。除去這3個原件外，其余都未發(fā)現(xiàn)異常。除此之外又單獨對整流控制單元板元件進行了測試，按照其使用說明用其控制36 V電路中燈泡，觀察其明亮程度，可以判斷出整流控制單元板基本正常，觸發(fā)信號正常，可以排除因控制單元板發(fā)生故障造成的VAR爐故障。

基于上述檢查情況，確定更換損壞熔斷器和可控硅。

在更換新的兩只快速熔斷器和一只晶閘管后，重新啟動設備，在熔煉過程中無故障跡象，熔煉電流穩(wěn)定工作在8 500 A，可判斷故障基本排除。

2.3 整流元件損壞的原因分析

主回路晶閘管及其控制系統(tǒng)檢測很重要。即經(jīng)常觀查整流變壓器網(wǎng)側的三相電流是否平衡，當出現(xiàn)三相電流不平衡時，就意味著設備的主回路系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)有故障（既少相整流，現(xiàn)象為設備達不到額定輸出狀態(tài)）。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因較多。下面就其中幾項進行說明。

（1）晶閘管觸發(fā)不良：晶閘管在工作一定時期后有可能因其自身某些參數(shù)的改變，致本來可能觸發(fā)良好的到后來觸發(fā)不開，形成少一相整流。此時可在該相晶閘管的脈沖觸發(fā)變壓器線路板盒 JDG-RCP 中的限流電阻 R1 上并接一電阻（50～100 Ω/2W）一試，其作用是加大觸發(fā)電流。

導致可控硅性能劣化損壞的另外一個主要因素是通態(tài)壓降損耗及連接損耗共同產(chǎn)生熱影響的結果。流過電流大的支路，會使可控硅結溫度超過最高允許的125 ℃而損壞，實踐證明可控硅器件的表面溫度最高不宜超過65 ℃。經(jīng)綜合分析：自耗爐整流可控硅因橋臂均流惡化造成的損壞占60%，因冷卻水管路端部被腐蝕堵塞致使可控硅過熱損壞占30%，因其他原因（過電壓、過電流或瞬態(tài)沖擊等）損壞的占10%。

多并聯(lián)可控硅不均流超過標準后，將致使整流器內(nèi)磁場分布越來越不均勻，從而引起漏磁場局部集中現(xiàn)象加重，造成整流器內(nèi)渦流損耗和雜散損耗增加。不斷增加的內(nèi)渦流損耗和雜散損耗表現(xiàn)在可控硅內(nèi)部為熱損，可加速可控硅老化，造成最終損壞。

（2）晶閘管本身損壞：晶閘管一般在正常使用條件下不易損壞，但使用日久難免發(fā)生。此時可用備件晶閘管更換。晶閘管損壞有3種現(xiàn)象，即主體擊穿、斷路和門極擊穿或斷路。具體檢測方法為斷開晶閘管的一端后，用萬用表電阻擋檢測晶閘管陽極和陰極兩端電阻值，正常應為無窮大。用萬用表電阻擋檢測晶閘管門極和陰極兩端電阻值，正常應在10～20 Ω左右。

（3）串接在各只晶閘管上的快速熔斷器損壞：一般此種故障很少發(fā)生，通常發(fā)生此種故障時，伴隨發(fā)生缺相報警。但當使用日久時，在快速熔斷器上的斷相微動開關有可能因塵土等原因，在熔斷時不能動作，致不發(fā)出報警信號使設備少相運行，解決辦法為更換。少相故障還可用鉗形表做快速檢測，具體為用鉗形表卡測整流變壓器二次側至整流柜整流主回路間的銅母排電流是否基本相等，如某相無電流，即可判斷該相有故障。

2.4 預防措施

（1）經(jīng)常檢測冷卻風機的風量。風量減小將導致冷卻量不足，致使溫度檢測元件超溫動作，使設備停機，影響正常生產(chǎn)。產(chǎn)生的原因一般為冷風流通部位塵埃的積量過大或某個風機損壞。

（2）經(jīng)常檢測冷卻水管路是否暢通。水流量的減小導致系統(tǒng)冷卻量不足，致設備超溫報警后停機。尤其水冷卻系統(tǒng)測溫元件多，每只晶閘管處及主回路雙孔銅排處都有，且都是并聯(lián)水路，局部的水路受阻既有可能發(fā)生上述報警過程。在冷卻水質(zhì)較差的情況下，將在水冷卻系統(tǒng)管路中迅速產(chǎn)生結垢或固體顆粒堆積過多等造成水流量下降致使設備超溫。經(jīng)常檢查冷卻水系統(tǒng)連接處狀況。因膠管兩端的連接水嘴所處電位不同，致其在設備運行時通過水路產(chǎn)生一定的電流，使水嘴發(fā)生電解腐蝕，在冷卻水質(zhì)較差時，此現(xiàn)象將會非常迅速地發(fā)生。另外還應經(jīng)常檢查水路中的膠管及卡緊膠管用的喉箍卡緊情況。

（3）整流變壓器閥側至整流柜的主回路銅排連接緊固性不良。此種現(xiàn)象導致銅排的連接部位發(fā)熱快速氧化，使連接部位更加接觸不良。具體表現(xiàn)為接觸部位發(fā)紅、打火，直流輸出狀態(tài)不穩(wěn)定；整流柜直流輸出回路銅排連接不良，現(xiàn)象同上，但對整流元件造成的過流發(fā)熱損壞更加嚴重。

（4）改善橋臂組件接觸電阻不良造成的影響：自耗爐整流柜結構設計緊湊，各支路間空隙小，可控硅的拆裝非常困難，可控硅組件各元器件難以定位、難以壓裝，造成可控硅壓裝質(zhì)量上的差異，引起同一橋臂可控硅的接觸電阻分散性大，導致橋臂均流情況較差。同時由于可控硅損壞率高，很難保證更換的可控硅在參數(shù)上與其他器件保持一致，使橋臂不均流現(xiàn)象更為明顯，導致可控硅加速老化。均流與可控硅的壓降有關，壓降大小直接與熱損耗有關，熱損耗大，造成可控硅結溫度高，元件性能劣化加快。

（5）發(fā)生可控硅損壞不應急于拆卸組件，應對組件接觸電阻情況再確認，看是否與組裝時測得接觸電阻發(fā)生變化與否，以便分析可控硅損壞原因。對拆卸的組件表面按安裝要求進行表面處理，不能有原導電膏在上面。同時注意更換的快速熔斷器的電阻值必須符合要求，過大或過小都會導致橋臂新的不均流發(fā)生。

3 結語

通過對故障案例分析可以看出，對初期的水冷電纜燒斷的結論未經(jīng)過嚴格分析，只對最容易發(fā)生腐蝕的3根進行了檢驗，未檢驗其他，導致在故障處理過程中走了許多的彎路，在以后的故障處理工作中，必須吸取其中經(jīng)驗，杜絕此類現(xiàn)象的再次發(fā)生。通過此案例，使我們對VAR爐的工作原理，控制系統(tǒng)和主電路都有了較為明確的認識，為以后的正常使用打下了較為堅實的理論基礎，另外在故障調(diào)查過程中，要對故障原因進行詳細分析，避免二次檢修的現(xiàn)象發(fā)生，以免造成人力以及物力的二次浪費。

參考文獻

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