銅電解用短接開關弧系統的研究

2013-08-02 00:47:52郝德清曹鵬飛

機械制造 2013年6期

□ 郝德清 □ 曹鵬飛

武漢船用電力推進裝置研究所武漢 430064

1 概述

眾所周知，在電解工藝中，多臺電解槽是經串聯后連接到低壓大電流的直流電源上的，銅電解生產一般要求定期將一組或多組槽單獨停、開槽，為提高生產效率和保證安全生產，每組槽都應有短接回路，短接回路中應用了短接開關技術，代替了傳統降電流和零電流的電解工藝，其原理如圖1所示。

圖1 電解槽-短接開關原理圖

電解銅工藝中的一般技術指標：電壓為DC40V，電流為36～60 kA。當電解槽出銅時，短接開關閉合；當電解槽電解時，短接開關斷開。

短接開關能否可靠地閉合和斷開電解槽，完全取決于短接開關弧系統的閉合和斷開能力。短接開關分為主開關和弧系統，主開關用于承載主回路全電流，弧系統用于保護主開關。閉合時，弧系統先閉合；斷開時，弧系統后斷開主回路電流，用來釋放回路中產生的電弧能量。因此，電解槽能否停、開槽，弧系統至關重要。

短接開關弧系統的觸頭系統分為主觸頭和弧觸頭，該觸頭系統采用可自調整的拍合式單觸點觸頭，觸頭系統關鍵點如下。

（1）主觸頭系統采用獨創的錐形觸頭設計。該錐形觸頭增加了觸頭和母線的接觸面，從而大大降低了其接觸電阻，同時更換簡單方便。

（2）主觸頭采用自調整設計。在閉合過程中，動靜觸頭接觸面相對滑動并進行自調整，有效地去除了觸頭表面的氧化層，保證了觸頭在長時間使用后仍具有良好的接觸。

（3）特殊的觸頭材料。主觸頭采用特殊的銀基觸頭材料，該材料通過特殊的工藝改善了銀基體的晶粒，使其導電率更高且接觸電阻低而穩定；弧觸頭采用耐電弧的銅鎢合金材料，保證了開關的電壽命。

（4）采用獨特設計的永磁機構。通過碟簧傳遞觸頭壓力，永磁保持力高達2 400 N，保證了觸頭接觸電阻小且穩定。

（5）只有一個接觸點。它比一般大電流開關的橋式觸頭的兩個接觸點少一個，接觸電阻減少了一半，因此發熱功率減少一半。

2.2.1 主、弧間電流轉移時間的設計

弧系統斷開時，電流先從主觸頭轉移到弧觸頭中，閉合則反之，設計關鍵點如下。

（1）電流轉移時間最重要的衡量標準是主、弧機構的動作時序，也是難點。

（2）動主觸頭、動弧觸頭都通過觸頭安裝架繞同軸同時旋轉，保證主、弧觸頭接觸的時序性。

（3）縮短主、弧觸頭電流轉移時間，最優的方式是要求主、弧之間等電位點距離最短，使電流轉移時間最短。

（4）采用雙穩態永磁機構，開關動作速度快，開關的分斷速度達到6 mm/ms（遠大于一般開關的1 mm/ms），大大提高了電弧的運動速度，即減小了電弧對觸頭的燒蝕。

（5）設計高耐弧能力的弧觸頭，該弧觸頭采用特制的合金材料，具有很強的耐弧能力。弧系統接通、分斷時將電弧轉移到弧觸頭上，通過弧觸頭將能量消耗，實現電弧熄滅，完成弧系統的接通分斷。

2.2.2 弧系統動作時間和主、弧動作時序

（1）弧系統動作時間見表1，從表1中可以看出，3次的短接開關弧系統閉合和分斷動作時間基本一致。

表1 短接開關弧系統閉合和分斷時間

（2）主、弧動作時序見表2。

表2 短接開關弧系統動作時序

通過采用上述設計思路，試制后的原理樣機通過數據采集儀測量開關的動作時間(≤20 ms）和主、弧觸頭的動作時序（閉合時序＞6 ms和分斷時序＞12 ms）得知，短接開關弧系統設計滿足要求。

綜上所述，通過解決上述關鍵技術，短接開關弧系統產品模型如圖2所示，該結構操作簡單、不導磁、抗腐蝕，方便現場安裝。

圖2 短接開關產品模型圖

為驗證設計的正確性和適用性，進行了型式試驗，其中主要為額定接通和分段能力試驗。

如圖3所示，波形由上到下依次為：系統電壓波形、開關兩端電壓波形、電流波形；分斷時間不超過30 ms，過電壓為129 V，分斷能力滿足設計要求。

圖3 短接開關弧系統分斷能力（DC40V，60 kA）

如圖4所示，波形由上到下依次為：系統電壓波形、開關兩端電壓波形、電流波形；電流波形無尖峰點和鋸齒點，說明弧系統觸頭系統無彈跳、熔焊現象，試驗驗證滿足設計要求。

圖4 短接開關弧系統接通能力（DC40V，60 kA）

目前，通過解決上述關鍵技術和試驗驗證，短接開關弧系統研究取得預期效果。弧系統的研發成功，解決了長期困擾銅電解行業的生產工藝難題，中國是銅電解大國，短接開關有很好的市場前景。

［1］陳長順.銅電解精煉擴大產能的技改實踐與研究［J］.資源再生，2010（1）.

［2］葉尉錟.銅電解槽的日常維護和檢修方式［J］.大冶科技，1993（1）.

［3］李世學.基于PLC控制的銅電解用短接開關監控系統［J］.自動化與信息工程，2009（3）.