一種智能長壽真空斷路器在電弧爐供電系統(tǒng)的應(yīng)用

周建平,劉 珧

(寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900)

電弧爐煉鋼采用電弧的弧光熔化和冶煉金屬,迄今已有100多年的歷史[1]1。20世紀70年代超高功率電弧爐煉鋼技術(shù)開始形成,并于90年代在世界范圍內(nèi)掀起了一波超高功率電弧爐建設(shè)高潮,爐容量主要在80～150 t之間,變壓器容量為80～140 MVA,冶煉周期一般控制在60 min以內(nèi)?？紤]到負荷容量,電弧爐變壓器及開關(guān)的電壓等級一般選用33～35 kV。

冶煉供電系統(tǒng)設(shè)備為電弧爐的核心設(shè)備,主要包括串聯(lián)電抗器、爐用多頻操作開關(guān)(包括隔離、接地開關(guān)與斷路器)、變壓器、整流器(直流電弧爐配置)、二次短網(wǎng)設(shè)備等。其中斷路器用以切斷變壓器的空載電流、工作電流和電弧爐冶煉過程中發(fā)生短路時的工作短路電流(偶爾出現(xiàn)的事故短路電流設(shè)計由上一級的斷路器來切斷)。歷史上電弧爐使用的斷路器有油開關(guān)、空氣斷路器和真空斷路器,目前超高功率電弧爐基本使用適宜頻繁操作的真空斷路器[1]68-69。

出于設(shè)備及人員安全考慮,電弧爐除設(shè)備檢修外,在每爐鋼的主原料(廢鋼、鐵水)入爐及測溫取樣作業(yè)時,也必須分斷高壓斷路器,故斷路器操作極其頻繁(通常每年能達到20 000～30 000次)。因而,研發(fā)及應(yīng)用高可靠性、長壽命真空斷路器始終成為設(shè)備制造廠商及電弧爐鋼廠共同的重要課題。

1 傳統(tǒng)真空斷路器的局限

目前,世界范圍內(nèi)超高功率電弧爐用多頻操作開關(guān)所使用的33～35 kV等級真空斷路器主要有兩種形式,即采用彈簧操作機構(gòu)及永磁操作機構(gòu)的真空斷路器。

采用彈簧操作機構(gòu)的真空斷路器需要先利用電動機對彈簧存儲合、分閘操作所需的能量,操作過程中合、分閘控制機構(gòu)只提供觸發(fā)合、分閘儲能彈簧變位的能量,觸發(fā)機構(gòu)釋放已儲能的彈簧能量,驅(qū)動斷路器完成合、分閘操作。彈簧操作機構(gòu)在合、分閘操作過程中,彈簧儲存的能量為一次性釋放,無法控制能量輸出過程。合閘或分閘操作到位后,由真空滅弧室及機構(gòu)的緩沖裝置來制動、吸收沖擊能量。

采用永磁操作機構(gòu)的真空斷路器又可分為單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu),機構(gòu)內(nèi)配置永磁體元件,通過控制合閘勵磁線圈提供磁場能量,產(chǎn)生較大的操作功驅(qū)動動鐵芯運動到合閘位置,并使之保持。單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)為彈簧分閘,分閘狀態(tài)由彈簧保持;雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的分閘與合閘類似,為分閘勵磁線圈提供磁場能量,驅(qū)動動鐵芯運動到分閘位置,并使之保持。與彈簧操作機構(gòu)相同,為確保斷路器可靠實現(xiàn)合、分閘操作,永磁操作機構(gòu)合、分閘操作過程中,勵磁線圈產(chǎn)生的磁場能量不受控制,合閘或分閘操作到位后,同樣由真空滅弧室及機構(gòu)的緩沖裝置來制動,吸收沖擊能量。

綜上所述,現(xiàn)有斷路器為了滿足關(guān)合、開斷額定短路電流的需求,需確保真空滅弧室動觸頭達到一定的合、分閘速度,就要求操作機構(gòu)輸出較大的操作功并在整個操作過程中基本保持恒定,這就導(dǎo)致了在動觸頭到位的瞬間仍具有較大的合、分閘速度和沖量,從而造成合閘過程中的合閘彈跳及分閘過程中的分閘過沖,對斷路器產(chǎn)生兩方面不利影響:一是斷路器的短路電流關(guān)合和開斷能力,二是機械結(jié)構(gòu)的可靠性及壽命。

常規(guī)的解決方案是在機構(gòu)到位時進行快速制動,如通過緩沖器吸能,或由特殊結(jié)構(gòu)吸收機構(gòu)的沖擊,但無法完全解決操作過程中存在的較大機械沖擊和振動。圖1和圖2為典型斷路器合、分閘行程曲線,可以明顯看出在合、分閘到位后,動觸頭行程有明顯振蕩變化。

這種操作特性決定了開關(guān)操作機構(gòu)的壽命受限并需要精心的周期維護。

通常彈簧操作機構(gòu)的機械壽命在10 000～30 000次,一些特殊型號經(jīng)過精心維護及更換主要零部件,可能達50 000～120 000次,維護保養(yǎng)周期/大修周期間隔僅為3 000～5 000次;永磁操作機構(gòu)的機械壽命可達10000～50000次,特殊型號經(jīng)維護、檢修及更換主要零部件后可能達到100 000次,維護保養(yǎng)周期/大修周期間隔為10 000次。

這種操作特性更極大地限制了真空滅弧室機械壽命,因為真空滅弧室的機械壽命主要取決于波紋管的機械壽命。波紋管是一種起密閉作用的彈性元件,由非導(dǎo)磁不銹鋼制造,具有不易氧化和耐腐蝕性強、彈性好等優(yōu)點。波紋管在其允許的彈性變形范圍內(nèi)伸縮時有足夠的機械壽命,一般可達100 000次以上。但在實際應(yīng)用過程中,由于配合彈簧儲能機構(gòu)或永磁操作機構(gòu)時,受斷路器分閘過沖、反彈及合閘彈跳導(dǎo)致的機械應(yīng)力影響,實際可耐受的合、分閘次數(shù)大大減少,一般僅達10 000～30 000次。故標稱機械壽命操作30 000次的彈簧操作機構(gòu)或永磁操作機構(gòu)斷路器,每操作30 000次后就必須更換真空滅弧室。

2 創(chuàng)新型真空斷路器

某公司于2018年發(fā)布了采用伺服電動機驅(qū)動操作機構(gòu)的VD4-AF型真空斷路器。斷路器操作機構(gòu)由伺服電動機及數(shù)字控制系統(tǒng)組成,機構(gòu)為分相控制,各相的高精度伺服電動機與真空滅弧室絕緣拉桿連接。通過數(shù)字控制系統(tǒng),伺服電動機可按照設(shè)定的理想機械特性平滑曲線,精確控制斷路器真空滅弧室動觸頭合、分閘運動過程中的能量輸出,并在合閘或分閘操作到位后由伺服電動機來完成制動,而不是由真空滅弧室來制動、吸收沖擊能量。

由于驅(qū)動操作機構(gòu)的伺服電動機的使用壽命主要取決于其軸承,而一線品牌的伺服電動機在額定工況下軸承壽命可達20 000 h以上,轉(zhuǎn)換為斷路器機構(gòu)的操作次數(shù),可遠超過百萬次,故伺服電動機機構(gòu)用于真空斷路器,具有極高的機械壽命,機械操作次數(shù)可輕松達到150 000次以上,且其間無需大修,維護保養(yǎng)周期間隔可達到50 000次。

同時,由于合、分閘到位后的斷路器動觸頭機械沖擊主要由伺服電動機來吸收,無過沖及顯著的振蕩過程,斷路器真空室波紋管的壽命上限得以大幅度提高,可達到150 000次。

圖3和圖4為伺服電動機機構(gòu)斷路器合、分閘行程曲線,在合、分閘到位后,動觸頭行程保持平滑,無過沖及明顯振蕩現(xiàn)象。

3 爐用操作開關(guān)的智能化實現(xiàn)

傳統(tǒng)電弧爐操作開關(guān)除具備必要的連鎖控制功能外,缺乏對設(shè)備運行狀態(tài)及裂化趨勢的有效監(jiān)控手段。雖然某些彈簧操作機構(gòu)及永磁操作機構(gòu)也設(shè)計有機械特性監(jiān)測功能,但還只能監(jiān)測到機構(gòu),無法實現(xiàn)對真空滅弧室動觸頭的運動軌跡監(jiān)測,更缺乏對機構(gòu)部分運動零部件磨損等的趨勢分析,設(shè)備可靠性保證只能依賴對斷路器進行精心的周期維護保養(yǎng)作業(yè),甚至周期更換主要零部件。盡管如此,在斷路器操作壽命的后期,設(shè)備的故障概率仍會明顯升高,不利于設(shè)備安全、可靠運行。

新型伺服電動機操作機構(gòu)為高度智能化機構(gòu),所配備ACU自動控制單元分三相控制器,每相均配備雙CPU,對三相伺服電動機并進而對合、分閘過程中各相動觸頭實現(xiàn)速度、位置和力矩的全過程精確閉環(huán)控制,避免了常規(guī)斷路器的抖動波形,從而延長斷路器的整體使用壽命,也使得三相不同期性維持在很低的值。同時,ACU還具有儲能工況監(jiān)測、電池管理系統(tǒng)、回路監(jiān)測等狀態(tài)監(jiān)測及診斷功能,針對任何異常都可及時報警并采取措施。

此外,開關(guān)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計還在斷路器真空泡上直接封裝有溫度監(jiān)測模塊,采用感應(yīng)CT自取電方式供電,采用Zigbee無線傳輸技術(shù)將檢測信號傳輸至MDC4 智能監(jiān)控單元。同時,在進、出線電纜倉配置有弧光檢測元件,進、出線避雷器配置有動作檢測元件及計數(shù)器。

所配置的MDC4作為人機交互界面,可進一步通過MyRemoteCare 網(wǎng)關(guān)設(shè)備(簡稱Gateway)連接到 ABB AbilityTM 系統(tǒng),獲得對設(shè)備健康狀態(tài)的診斷、評估和針對性的設(shè)備維護建議。而Gateway作為一個“互聯(lián)網(wǎng)+”設(shè)備還提供了一系列通信接口,有LTE接口、Wifi接口、Zigbee接口、Ethernet接口以及RS465接口,供用戶進行針對性的設(shè)備保護與診斷功能開發(fā)。

4 應(yīng)用案例

寶鋼股份電爐廠150 t超高功率直流電弧爐與兩座150 t LF爐用操作開關(guān)采用彈簧操作機構(gòu)真空斷路器,150 t超高功率交流電弧爐爐用操作開關(guān)采用永磁操作機構(gòu)斷路器,在嚴格按廠家要求進行周期維護的情況下,平均每年仍總共會發(fā)生2～4次操作機構(gòu)故障,更嚴重的是近年來平均每年發(fā)生1次斷路器真空室未達到設(shè)計使用壽命即出現(xiàn)真空泄漏的事故,對設(shè)備及人員構(gòu)成重大安全隱患,因而于2019年11月年修中對直流電弧爐爐用操作開關(guān)進行了整體改造。其中斷路器采用新型VD4-AF斷路器作為常用斷路器,并配置1臺常規(guī)的VD4斷路器作為事故應(yīng)急備件,表1為部分交接試驗對比數(shù)據(jù),可以看出新型VD4-AF斷路器在合閘彈跳與三相同期性指標上有突破性提高。圖5為新型VD4-AF斷路器分、合閘行程現(xiàn)場實測曲線,實際分、合閘操作過程中的機械沖擊聲也顯著降低了。

表1 新型VD4-AF與其常規(guī)VD4斷路器 部分交接試驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of hand over test results of new VD4-AF to normal VD4 VCB

同時,真空泡溫度等狀態(tài)監(jiān)測信號通過RS465轉(zhuǎn)Profibus-DP送電爐PLC實現(xiàn)對開關(guān)整體運行狀態(tài)的在線監(jiān)控。

截至2020年6月,該開關(guān)已實際操作超過10 000次,設(shè)備運行穩(wěn)定,所測量的分合閘特性曲線與圖5的一致。

5 結(jié)束語

采用伺服電動機操作機構(gòu)斷路器,可按照設(shè)定理想的機械特性平滑曲線精確控制斷路器真空滅弧室動觸頭合、分閘運動,極大地降低了機械沖擊力,實現(xiàn)150 000次的安全操作壽命,且在使用壽命期內(nèi)無需大修,維護保養(yǎng)間隔操作次數(shù)多、工作量小,從設(shè)備全壽命使用周期分析,總體設(shè)備投資及維護費用應(yīng)該較原設(shè)備有所下降。

同時,完備的控制與檢測功能,也大大提升了開關(guān)的智能化水平,進一步保障了系統(tǒng)運行的可靠性,因而在需要頻繁可靠操作的電弧爐供電系統(tǒng)中具有很好的推廣價值。

未來,該技術(shù)如能配合進線電壓波形檢測,理論上可實現(xiàn)三相的分相投切控制,則將在解決變壓器勵磁涌流問題方面具有很好的應(yīng)用前景。