中頻感應爐耦合式漏電流檢測

郭超超

江鈴汽車股份有限公司 江西 南昌 330001

引言

從理論上講,中頻爐電源是一個不接地的浮地電路,然而事實上,漏到地面的電流不可能沒有,其主要原因是冷卻水充當了地電流流動的直接媒介以及系統的絕緣性能下降等。中頻感應爐工作在高電壓、大電流的狀態下,這對操作人員的安全提出了更高的要求,其中漏電流的檢測是保護操作人員及設備安全運行的關鍵裝置。

1 中頻爐工作原理

工廠的三相變壓器產生交流電源連接到中頻電源進線。經過斷路器后的電路首先經過電感后進入由可控硅組成的整流橋,將濾波后的交流電整流成為直流電。直流電進一步經過電抗器,大大減少諧振以減輕對電網和工廠其他設備的諧波干擾。由可控硅組成的逆變橋將直流電逆變為交流電,將工頻50 Hz轉變為中頻(300 Hz-10000 Hz),經過電容電阻吸收后進一步濾波減少諧振,保護電路。變頻后的中頻交流電供給電容和感應線圈組成的負載(線圈和電容可并聯,也可串聯),利用感應線圈中產生高密度的磁力線,使金屬材料產生渦流,金屬自身的自由電子在有電阻的金屬體里流動產生熱量后熔化。

2 漏電流檢測裝置

2.1 漏電流檢測裝置的作用

漏電流檢測裝置具有對漏電流檢測和判斷的功能,是控制器進行保護動作的輸入信號,它可對漏電流、接地或絕緣進行監視,從而保障系統與人身安全。

2.2 傳統的差動式漏電流檢測裝置工作原理

差動式漏電流檢測系統是安裝在逆變輸出端上,由電流互感器檢測。沒有漏電流時,從一個逆變導體中流出的電流,必通過另一導體返回。電流互感器上測量不出任何電流差。但是,如果接地或其他故障,在兩個導體中流動的電流不能相互抵消,電流互感器即可測出電流差。電流差輸入比較電路,比較器將這一電流與漏電流設定值(通常是50毫安培)相比較,超過這一數值時,比較器電路發出跳閘信號,切斷系統電源。

2.3 耦合式漏電流檢測裝置

2.3.1 耦合式漏電流檢測裝置系統框圖(圖一)

圖一 耦合式漏電流檢測裝置系統框圖

2.3.2 耦合式漏電流檢測裝置主要組成部分及功能

耦合式漏電流檢測裝置主要有以下幾部分組成:電阻(1)、電容(2)、電流互感器(3)、有效接地點(4)、漏電流監測模塊(5)、PLC模塊(6)、人機交互界面HMI(7)、主控制器MCU(8)、數顯漏電流表(9)、電源系統(10)。

電阻(1)采用并聯方式,作用是當出現沖擊漏電流時,能有效的限制漏電流對耦合電容的沖擊,起到保護電容的作用;電容(2)作用是將主電源的直流電源和后端接地點耦合斷開,防止干擾的發生;電流互感器(3)作用是將電容和2個電阻之間的漏電流轉換成電流信號傳遞給后端的漏電流監測模塊,同時具有測試漏電流檢測系統正常與否的作用;有效接地點(4)作用是保證所有設備外圍的接地點處于等電位,保證系統局部出現接地時,漏電流能夠暢通的返回到檢測點,從而保證檢測裝置監測數據的可控性;漏電流監測模塊(5)作用是將系統漏電流信號經過內部放大處理,將信號轉換成數字開關量信號和模擬量信號,分別傳送到PLC模塊與數顯漏電流表,報警漏電流設定值可根據實際使用情況在HMI中設定;PLC(6)作用是將漏電流監測模塊傳送過來的信號,處理后將數據發送給HMI操作界面和MCU主控制器,故障發生時,HMI顯示報警畫面,MCU關斷設備運行;HMI(7)作用是故障發生時,顯示報警畫面,以便相關人員進行故障分析;MUC(8)主控制器作用是當出現漏電流故障時,關斷設備,從而保障人員及設備的安全運行;漏電流表(9)作用是實時顯示漏電流值,能給相關人員提供一個參考。

2.3.3 耦合式漏電流監測裝置工作原理

漏電流檢測裝置通過一根導線接入主電源系統,當接地故障、鐵水滲漏、系統絕緣性能降低、爐襯過薄、爐襯潮濕等因素引起電流流經大地時,漏電流監測裝置能識別出漏電流的大小,漏電流監測模塊把電流互感器輸入的電流信號經過放大處理,與設定的電流值進行比較,當到達保護動作值時,通知主控制器切斷設備。

漏電流檢測按鈕pb可測試漏電流檢測裝置是否正常,當按下按鈕pb時,a、b兩端將接入110V交流電,并導通一個250Ω電阻方式模擬漏電流流過狀態,此時,互感抽頭c、d端產生的感應電壓將傳送至漏電流監測模塊,并誘發漏電流報警,由此證明漏電流檢測系統正常。

2.3.4 耦合式漏電流檢測裝置與差動式漏電流檢測比較

1)耦合式漏電流檢測裝置大大提升了監測靈敏度,傳統的差動式漏電流監測裝置響應時間≥100ms,而耦合式漏電流監測裝置響應時間可達≤10ms;

2)耦合式漏電流檢測安裝拆卸方便快捷,傳統的差動式漏電流檢測裝置需要整流變壓器中性點接地,而且對安裝位置的導電材料直徑要求必須小于監測裝置的直徑,而耦合式漏電流監測裝置只需要在檢測位置用螺栓把導線連接即可;

3)耦合式漏電流監測裝置監測范圍廣,傳統的差動式漏電流監測范圍主要是安裝位置后端電路,即逆變后端電路,而耦合式漏電流監測裝置除了能監測到逆變后端電路,逆變前端一直到整流變壓器二次側都能得到全方位監控;

4)耦合式漏電流監測裝置能手動設定報警數值,方便快捷。

4 漏電流故障原因分析及處理

通常情況下漏電流的發生主要是由于絕緣問題引起的,其本質都是絕緣不良引起的,造成漏電流故障的原因有以下幾點:

4.1 感應線圈匝間短路

感應線圈漏水、感應線圈絕緣漆脫落、線圈之間的匝間墊片絕緣不良會引起線圈匝間打火,當發生匝間短路時,故障表現為電流較大,工作頻率比平常高。當發生此類問題時,應及時焊補好漏水的線圈,線圈要重新刷補絕緣漆,并更換匝間墊片。

4.2 水冷電纜接頭漏水

水冷電纜接頭漏水會直接導致電源系統對地絕緣不良,發生漏電。此時,應及時關閉電源系統,重新修復漏水的接頭。

4.3 接地不良

在筑爐過程中如未將接地探針引出至爐襯材料,則可能發生爐內鐵水接地不良的情況,一旦鐵水未能正常接地,將對操作人員的安全造成威脅,同時也將影響漏電流檢測回路,故筑爐時應嚴格按照筑爐工藝執行,爐襯筑完后要對其進行檢測,發現接地異常時需及時排查處理,以保持系統安全運行。

4.4 冷卻水電導率過高

由于電源系統中存在直流高電壓,循環水在這個直流高電壓的作用下會產生電離子,運行一段時間后該電離子濃度會逐漸升高,當電離子濃度超過要求值,直流高電壓就會通過含高濃度離子的冷卻水對銅管接頭(包括電容器水管接頭)進行電腐蝕,冷卻水中較高濃度的電離子會使系統絕緣降低,從而導致漏電流報警的發生。為保證冷卻循環水在合理的范圍內,需定期檢測冷卻水電導率,電導率需小于10us;如果電導率大于20us,需更換所有去離子筒芯,建議每6個月更換一次去離子筒芯;如果電導率大于100us,需更換全部冷卻循環水(或含有防凍液的混合液)及所有去離子筒芯。

4.5 鐵水滲漏

爐襯開裂,出水口縫隙增大,爐膛底部侵蝕過薄,鐵水過滿沸溢等因素都會引起鐵水滲漏,當鐵水滲漏至線圈層時,熔化的鐵水便與感應線圈直接接觸,并迅速導致絕緣電阻降低,系統漏電流增大,系統發出漏電流報警并會切斷電源。為避免此類事故,在日常生產中,應加強對爐襯及出水口的檢查,如發現裂紋或爐襯損毀脫落,應及時進行修補。一旦出現意外,應立即停爐并推出爐襯,檢查線圈情況并除去所有滲出鐵渣鐵屑。

4.6 爐襯過薄

對于中頻爐不同的使用廠家來說,其產品結構及筑爐所用的材料不盡相同,因此,要根據各自的實際生產經驗進行總結,工藝人員應該定期對爐膛壁厚進行檢查與測量,確定爐襯剩余厚度以及是否有橫向與縱向裂紋,是否有爐襯剝離的現象等,一般爐膛壁厚為新爐膛的1/3厚度時應考慮重新筑爐,以免事故發生。

4.7 爐襯潮濕

正常情況下,在新爐襯剛投入使用時,爐體內部必定會有少量水汽未能蒸發,故在使用時應時刻關注系統漏電流大小,使用初期及更換爐襯后出現漏電流偏大屬于正常現象,系統將隨著使用將恢復合理范圍內。但在新爐襯使用中也要相應控制功率,防止漏電流超過警戒位,在爐襯水汽充分揮發后系統便可轉入正常運行狀態。

4 結束語

漏電流檢測裝置在中頻爐中是不可或缺的裝置,隨著綠色鑄造理念的不斷深入,中頻爐在鑄造行業的應用越來越廣泛,一套好的漏電流檢測裝置的應用能保證人員安全及設備安全穩定的運行。耦合式漏電流檢測裝置相比傳統的差動式漏電流檢測裝置安裝更方便,靈敏度更高。