陳勇鎬 朱雄輝

(1:寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 工程技術(shù)事業(yè)本部 上海201900;2:寶鋼股份鋼管條鋼事業(yè)部電爐廠 上海201999)

1 引言

2008 年寶鋼股份有限公司建設(shè)投產(chǎn)了一條緊湊型煉鋼車間，由交流電弧爐煉鋼、大方坯連鑄生產(chǎn)線組成，其中交流電弧爐為150t 超高功率交流電弧爐。交流電弧爐工作斷路器最大容量為2650A、斷開容量31.5kA、多頻。根據(jù)當(dāng)時(shí)西門子、ABB 等國際著名電氣廠商提供的產(chǎn)品信息，能夠提供的多頻真空斷路器的最大容量為2500A;國內(nèi)著名電氣廠商提供的產(chǎn)品信息也不能滿足相關(guān)的技術(shù)參數(shù)要求，最后通過與美國JOSLYN 公司技術(shù)交流后，它的一款多頻、多極真空接觸器可滿足電爐操作開關(guān)的技術(shù)參數(shù)要求。

2 關(guān)于多頻多極真空接觸器

2.1 多頻多極真空接觸器的組成

美國JOSLYN 公司的多頻、多極真空接觸器的關(guān)鍵技術(shù)就是將小容量、多頻真空接觸器通過串并聯(lián)的技術(shù)，同時(shí)采用專用的串并聯(lián)控制系統(tǒng)，組成了大電流、高分?jǐn)唷⒍囝l真空接觸器，滿足了寶鋼股份150t 超高功率交流電弧爐工作斷路器的需要。JOSLYN 多頻多極真空接觸器是由多頻多極真空接觸器、操作機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，其中操作機(jī)構(gòu)和真空接觸器都有不同的使用壽命，操作機(jī)構(gòu)為10萬次、真空接觸器為6 萬次使用壽命。寶鋼150t 超高功率交流電弧爐的JOSLYN 多頻多極真空接觸器，每相為12個(gè)500A 的真空接觸器(2 串6 并)，六套操作機(jī)構(gòu);三相共有36 個(gè)真空接觸器18 套操作機(jī)構(gòu)。根據(jù)這些特點(diǎn)，決定了JOSLYN 多頻、多極真空接觸器的使用壽命不會(huì)很長，由于操作機(jī)構(gòu)復(fù)雜因此生產(chǎn)可靠性差、運(yùn)行成本高。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

1)2011 年1 月17 日22 時(shí)左右JOSLYN 多頻多極真空接觸器發(fā)生故障，造成真空泡損壞二個(gè)，另有四個(gè)真空泡外殼有裂紋，停機(jī)8h。另外由于操作機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行過程中的故障頻繁，為保證真空接觸器的可靠運(yùn)行，生產(chǎn)人員點(diǎn)檢量增加，運(yùn)行維護(hù)的工作量大增。

2)由于JOSLYN 多頻多極真空接觸器是由36 臺(tái)真空泡接觸器串并聯(lián)組成，需要對(duì)各個(gè)真空接觸器的運(yùn)行狀況和使用壽命進(jìn)行跟蹤和記錄。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性，需要大量的真空接觸器備件，備件費(fèi)用巨大。

綜上所述，考慮真空接觸器更換成本，和后續(xù)設(shè)備維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合目前爐用變壓器設(shè)備現(xiàn)狀，有必要對(duì)真空接觸器進(jìn)行改造，可以采用傳統(tǒng)的36kV 電爐用多頻斷路器替代33kV 真空接觸器。

3 多頻多極真空接觸器的替代方案

近年來，隨著電爐煉鋼工藝的更趨成熟，促進(jìn)了現(xiàn)代電爐發(fā)展了諸多先進(jìn)技術(shù)，如電爐的超高功率化、強(qiáng)化用氧、廢鋼預(yù)熱、人工智能優(yōu)化供電等技術(shù)，同時(shí)爐型裝備越來越大型化，大大提高了電爐的生產(chǎn)率，降低了電耗和電極消耗、節(jié)省了能源、降低了生產(chǎn)成本，所以國際和國內(nèi)的著名電氣廠商紛紛推出了適用于超高功率電弧爐的大電流、多頻斷路器。

電爐用多頻斷路器是由真空泡(真空滅弧室)、操作機(jī)構(gòu)和控制回路組成的，操作機(jī)構(gòu)和真空泡壽命都有規(guī)定，選用氣密性能好壽命長的真空泡及與真空泡中觸頭分合機(jī)械特性相符合的操作機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。

3.1 方案1

采用德國西門子公司電弧爐專用3150A 真空滅弧室配吉林永大集團(tuán)永磁操作機(jī)構(gòu)的電爐用多頻斷路器。

1)真空泡，選用德國西門子公司電弧爐專用3150A 真空滅弧室。

2)操作機(jī)構(gòu)

從操作機(jī)構(gòu)上講作為中壓產(chǎn)品主要有三種:即電磁操作機(jī)構(gòu)、彈簧操作機(jī)構(gòu)和近年發(fā)展較快的永磁操作機(jī)構(gòu)。斷路器的主要功能歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動(dòng)作，而分、合動(dòng)作又是通過操作機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，因此操作機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)高壓斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。

電磁操作機(jī)構(gòu)，由于對(duì)電源要求較苛刻——需要專用的大容量直流屏供電，并且操作時(shí)沖擊大，操作時(shí)間長，而逐漸被市場(chǎng)所淘汰。

彈簧操作機(jī)構(gòu)，是利用交直流兩用電動(dòng)機(jī)對(duì)彈簧進(jìn)行預(yù)儲(chǔ)能，利用彈簧能進(jìn)行分合閘操作，從而對(duì)電源要求低，交直流均可操作，對(duì)電源無沖擊，因此在近些年得到廣泛應(yīng)用。但彈簧機(jī)構(gòu)也有其自身不可克服的缺點(diǎn):彈簧操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多(約為200 個(gè))，加工精度高、制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)品的可靠性不易保證。不能頻繁操作、使用壽命短，且需要經(jīng)常維護(hù)調(diào)整。隨著真空滅弧室優(yōu)異性的提高，其機(jī)械及電壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為數(shù)萬次，沿用傳統(tǒng)斷路器操作機(jī)構(gòu)很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。因此需要一結(jié)構(gòu)高度簡(jiǎn)化和高可靠性的操作機(jī)構(gòu)來滿足真空斷路器的驅(qū)動(dòng)要求。

永磁操作機(jī)構(gòu)，它的出現(xiàn)就較好地解決了這一問題，為研制新一代高可靠、免維護(hù)、長壽命的斷路器奠定了基礎(chǔ)。永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器針對(duì)真空滅弧室特性在機(jī)構(gòu)上采用了全新的設(shè)計(jì)，它可以使斷路器的電氣特性更好、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、免維護(hù)、使用壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)。

(1)永磁操作機(jī)構(gòu)的磁路結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外應(yīng)用NdFeB 永磁材料研制高壓開關(guān)始于20 世紀(jì)90 年代，國外獲得工業(yè)上應(yīng)用最具代表的是ABB VMI真空斷路器，其永磁機(jī)構(gòu)為單拍合磁路結(jié)構(gòu)。國內(nèi)最具代表的是吉林永大YDD 系列真空斷路器，其永磁機(jī)構(gòu)為雙拍合磁路結(jié)構(gòu)，這兩種產(chǎn)品所用的永磁機(jī)構(gòu)在磁路結(jié)構(gòu)上有明顯區(qū)別，分別反映出兩種不同的技術(shù)原型及研發(fā)思路。

所謂單拍合磁路結(jié)構(gòu)即用于合閘位置保持的吸合工作面僅為一個(gè)，這種磁路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)與勵(lì)磁線圈的不同組合派生出多種形式的永磁機(jī)構(gòu)，其外部形狀由于加工工藝不同有圓形的，也有方形的。

所謂雙拍合磁路結(jié)構(gòu)即用于合閘位置保持的吸合工作面為兩個(gè)，這種磁路結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)與勵(lì)磁線圈的不同組合派生出多種形式的永磁機(jī)構(gòu)。

(2)永磁操作機(jī)構(gòu)斷路器的特性

真空斷路器的開斷能力及壽命是表現(xiàn)其品質(zhì)優(yōu)劣最重要的性能指標(biāo)，它與操作機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)密切相關(guān)。

真空滅弧室動(dòng)觸頭的行程很小，12kV 電壓等級(jí)約在10 ～12mm 之間，40.5kV 電壓等級(jí)約在18 ～22mm 之間，合閘過程中動(dòng)、靜觸頭接觸前外力只是控制動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度，但在動(dòng)、靜觸頭閉合的瞬間，斷路器的反力特性有一大幅度的正向突變，操作機(jī)構(gòu)需要很大的驅(qū)動(dòng)力來壓縮儲(chǔ)能彈簧以使觸頭獲得足夠的壓力，分閘時(shí)斷路器又要求操作機(jī)構(gòu)不給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)附加過多的負(fù)載以利于提高分閘速度。單、雙拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機(jī)構(gòu)的合閘特性在初始階段與電磁機(jī)構(gòu)一樣，在最后階段，由于永磁場(chǎng)的吸力使吸合力上升得更快，因此好于傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)。但在分閘特性方面由于永磁機(jī)構(gòu)中的動(dòng)鐵芯參與分閘運(yùn)動(dòng)增大了系統(tǒng)慣量，最重要的是永磁場(chǎng)的吸力在分閘初始階段起著阻礙的作用。永磁機(jī)構(gòu)唯有解決了分閘負(fù)載特性才能成為理想的操作機(jī)構(gòu)。

彈簧操作機(jī)構(gòu)的真空斷路器，要提高初分速度一方面勢(shì)必要加強(qiáng)分閘彈簧，這就要求增大合閘功率，過度增加又會(huì)引起動(dòng)觸頭及傳動(dòng)件表面強(qiáng)烈的沖擊變形和彈跳，另一方面提高分閘速度時(shí)，也容易產(chǎn)生在開斷到底時(shí)較大的震動(dòng)。

單拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機(jī)構(gòu)的分閘特性是先慢后快，在動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)到分閘位置時(shí)刻最大，曲線很不理想，僅僅依靠在此磁路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高初分速度是極其有限的，尤其是應(yīng)用到40.5kV 或更高電壓等級(jí)的斷路器中，這種由于結(jié)構(gòu)缺陷凸顯出來的特性變得更為突出。

斷路器的初分速度主要取決于永磁場(chǎng)吸力負(fù)載特性，即單拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機(jī)構(gòu)要克服的負(fù)載能量至少是雙拍合磁路結(jié)構(gòu)永磁機(jī)構(gòu)的2.5 倍，因此磁路結(jié)構(gòu)決定了斷路器的固有特性。

永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器在設(shè)計(jì)上經(jīng)過整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化(分閘彈簧的匹配、傳動(dòng)系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng))提高了剛性分離速度，又減小了分閘末速度、獲得了較為理想的合分閘特性，實(shí)現(xiàn)了操作技術(shù)與斷路器完美的結(jié)合。

3)技術(shù)參數(shù)

額定電流:3150A;額定電壓:36kV;額定短路開斷電流:40kA;電爐操作開關(guān)機(jī)械壽命:12 萬次;電爐操作開關(guān)電氣壽命:3 萬次。

3.2 方案2

采用德國西門子公司生產(chǎn)的電弧爐專用多頻斷路器3AH4，配3150A 真空滅弧室和彈簧操作機(jī)構(gòu)

1)真空泡，德國西門子公司電弧爐專用3150A 真空滅弧室。

2)操作機(jī)構(gòu)，德國西門子公司彈簧操作機(jī)構(gòu)。

3)技術(shù)參數(shù)

額定電流:3150A;額定電壓:36kV;額定短路開斷電流:40kA;電爐操作開關(guān)機(jī)械壽命:12 萬次;電爐操作開關(guān)電氣壽命:3 萬次。

4 方案選擇

永磁操作機(jī)構(gòu)是一種將永磁體和電磁機(jī)構(gòu)相結(jié)合的新型操作機(jī)構(gòu)，合閘位置采用永磁鎖扣保持，分閘位置采用機(jī)械或永磁鎖扣保持，機(jī)械簡(jiǎn)單可靠，無連桿、凸輪等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)件，零件數(shù)大大減少，提高了斷路器的可靠性和使用壽命。新型的磁路設(shè)計(jì)，新型的永磁材料，保證了合閘保持力，同時(shí)減小了合閘時(shí)對(duì)合閘線圈電流的要求。永磁操作機(jī)構(gòu)輸出特性曲線能夠滿足真空斷路器的要求，大大增加了真空滅弧室的使用壽命。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠、長壽命、免維護(hù)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。綜上所述，國內(nèi)永磁操作機(jī)構(gòu)的性價(jià)比高于全進(jìn)口的西門子公司的3150A 36kV 電爐用多頻斷路器，最終選用方案1 的永磁操作機(jī)構(gòu)爐用多頻斷路器替代多頻多極真空接觸器的方案。

5 結(jié)束語

改造后的電爐用多頻斷路器消除和減少了設(shè)備故障及安全問題，操作維護(hù)方便，生產(chǎn)運(yùn)行可靠，滿足了寶鋼電爐生產(chǎn)的需要。特別是采用新型、安全可靠的電爐用多頻斷路器，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用更低，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)安全的可靠性。

［1］林莘.永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］游一民，鄭軍，羅文科.永磁機(jī)構(gòu)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.高壓電器，2001，Vol.37(1):44－47.