一種智能長壽真空斷路器在電弧爐供電系統的應用

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開始形成,并于90年代在世界范圍內掀起了一波超高功率電弧爐建設高潮,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。考慮到負荷容量,電弧爐變壓器及開關的電壓等級一般選用33～35 kV。

冶煉供電系統設備為電弧爐的核心設備,主要包括串聯電抗器、爐用多頻操作開關(包括隔離、接地開關與斷路器)、變壓器、整流器(直流電弧爐配置)、二次短網設備等。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生短路時的工作短路電流(偶爾出現的事故短路電流設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、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。

出于設備及人員安全考慮,電弧爐除設備檢修外,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,研發及應用高可靠性、長壽命真空斷路器始終成為設備制造廠商及電弧爐鋼廠共同的重要課題。

1 傳統真空斷路器的局限

目前,世界范圍內超高功率電弧爐用多頻操作開關所使用的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及永磁操作機構的真空斷路器。

采用彈簧操作機構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、分閘控制機構只提供觸發合、分閘儲能彈簧變位的能量,觸發機構釋放已儲能的彈簧能量,驅動斷路器完成合、分閘操作。彈簧操作機構在合、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的緩沖裝置來制動、吸收沖擊能量。

采用永磁操作機構的真空斷路器又可分為單穩態永磁機構和雙穩態永磁機構,機構內配置永磁體元件,通過控制合閘勵磁線圈提供磁場能量,產生較大的操作功驅動動鐵芯運動到合閘位置,并使之保持。單穩態永磁機構為彈簧分閘,分閘狀態由彈簧保持;雙穩態永磁機構的分閘與合閘類似,為分閘勵磁線圈提供磁場能量,驅動動鐵芯運動到分閘位置,并使之保持。與彈簧操作機構相同,為確保斷路器可靠實現合、分閘操作,永磁操作機構合、分閘操作過程中,勵磁線圈產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的緩沖裝置來制動,吸收沖擊能量。

綜上所述,現有斷路器為了滿足關合、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,對斷路器產生兩方面不利影響:一是斷路器的短路電流關合和開斷能力,二是機械結構的可靠性及壽命。

常規的解決方案是在機構到位時進行快速制動,如通過緩沖器吸能,或由特殊結構吸收機構的沖擊,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操作機構的壽命受限并需要精心的周期維護。

通常彈簧操作機構的機械壽命在10 000～30 000次,一些特殊型號經過精心維護及更換主要零部件,可能達50 000～120 000次,維護保養周期/大修周期間隔僅為3 000～5 000次;永磁操作機構的機械壽命可達10000～50000次,特殊型號經維護、檢修及更換主要零部件后可能達到100 000次,維護保養周期/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,由非導磁不銹鋼制造,具有不易氧化和耐腐蝕性強、彈性好等優點。波紋管在其允許的彈性變形范圍內伸縮時有足夠的機械壽命,一般可達100 000次以上。但在實際應用過程中,由于配合彈簧儲能機構或永磁操作機構時,受斷路器分閘過沖、反彈及合閘彈跳導致的機械應力影響,實際可耐受的合、分閘次數大大減少,一般僅達10 000～30 000次。故標稱機械壽命操作30 000次的彈簧操作機構或永磁操作機構斷路器,每操作30 000次后就必須更換真空滅弧室。

2 創新型真空斷路器

某公司于2018年發布了采用伺服電動機驅動操作機構的VD4-AF型真空斷路器。斷路器操作機構由伺服電動機及數字控制系統組成,機構為分相控制,各相的高精度伺服電動機與真空滅弧室絕緣拉桿連接。通過數字控制系統,伺服電動機可按照設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。

由于驅動操作機構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,轉換為斷路器機構的操作次數,可遠超過百萬次,故伺服電動機機構用于真空斷路器,具有極高的機械壽命,機械操作次數可輕松達到150 000次以上,且其間無需大修,維護保養周期間隔可達到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象。

3 爐用操作開關的智能化實現

傳統電弧爐操作開關除具備必要的連鎖控制功能外,缺乏對設備運行狀態及裂化趨勢的有效監控手段。雖然某些彈簧操作機構及永磁操作機構也設計有機械特性監測功能,但還只能監測到機構,無法實現對真空滅弧室動觸頭的運動軌跡監測,更缺乏對機構部分運動零部件磨損等的趨勢分析,設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作業,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,設備的故障概率仍會明顯升高,不利于設備安全、可靠運行。

新型伺服電動機操作機構為高度智能化機構,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速度、位置和力矩的全過程精確閉環控制,避免了常規斷路器的抖動波形,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還具有儲能工況監測、電池管理系統、回路監測等狀態監測及診斷功能,針對任何異常都可及時報警并采取措施。

此外,開關智能監控系統設計還在斷路器真空泡上直接封裝有溫度監測模塊,采用感應CT自取電方式供電,采用Zigbee無線傳輸技術將檢測信號傳輸至MDC4 智能監控單元。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器。

所配置的MDC4作為人機交互界面,可進一步通過MyRemoteCare 網關設備(簡稱Gateway)連接到 ABB AbilityTM 系統,獲得對設備健康狀態的診斷、評估和針對性的設備維護建議。而Gateway作為一個“互聯網+”設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備保護與診斷功能開發。

4 應用案例

寶鋼股份電爐廠150 t超高功率直流電弧爐與兩座150 t LF爐用操作開關采用彈簧操作機構真空斷路器,150 t超高功率交流電弧爐爐用操作開關采用永磁操作機構斷路器,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生2～4次操作機構故障,更嚴重的是近年來平均每年發生1次斷路器真空室未達到設計使用壽命即出現真空泄漏的事故,對設備及人員構成重大安全隱患,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臺常規的VD4斷路器作為事故應急備件,表1為部分交接試驗對比數據,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VD4斷路器 部分交接試驗結果對比Table 1 Comparison of hand over test results of new VD4-AF to normal VD4 VCB

同時,真空泡溫度等狀態監測信號通過RS465轉Profibus-DP送電爐PLC實現對開關整體運行狀態的在線監控。

截至2020年6月,該開關已實際操作超過10 000次,設備運行穩定,所測量的分合閘特性曲線與圖5的一致。

5 結束語

采用伺服電動機操作機構斷路器,可按照設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150 000次的安全操作壽命,且在使用壽命期內無需大修,維護保養間隔操作次數多、工作量小,從設備全壽命使用周期分析,總體設備投資及維護費用應該較原設備有所下降。

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

未來,該技術如能配合進線電壓波形檢測,理論上可實現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用前景。