快速熔斷器在軋機傳動系統的應用

韓有賀，高 峰，孔維濤，武 琦

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某冷軋廠軋機配置5 套主電機驅動系統，均采用日立大容量IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）變頻裝置驅動，該裝置為“交—直—交”三電平式變頻器，由整流器柜、逆變器柜及公共控制柜、進線柜以及輸出隔離開關柜等組成。傳動柜主回路中安裝多個快速熔斷器，在主回路未有大電流的情況下多次發生快熔燒毀故障，經判斷為快熔疲勞性損壞，快熔故障容易引發軋機高速斷帶事故，影響惡劣。本文主要研究影響快熔壽命的因素，提出準確把握快熔工作狀態的可行性方法，提前發現問題，解決設備隱患。

1 快速熔斷器在主傳動系統中的作用

軋機主傳動系統采用多個傳動柜并聯，其中整流柜為三相三并聯，逆變柜為三相四并聯，每個機架有21 個功率單元，42個快熔，如圖1 所示，71C2PRA 和71C2NRA 為某相的一個功率單元的兩個快速熔斷器，安裝位置在直流母排P 側和N 側，如果功率元件誤觸發，發生上、下橋臂直通等短路故障時，主回路內會產生非常大的短路電流，而快速熔斷器作為主回路保護元件，當回路里有大電流足以使熔斷器熔體熔斷時，快速熔斷器會切斷所在單元的回路，保護整個傳動系統免受進一步的損壞。

圖1 快速熔斷器在主傳動系統的布局

2 快速熔斷器的結構、特性及主要參數

2.1 快速熔斷器結構及保護原理

快速熔斷器由磁殼、導電板、熔體、石英砂、消弧劑、指示器6 部分組成，滅弧介質由石英砂填充，并用含硅酸鈉鹽（或鉀鹽）的消弧固化劑進行固化，從四周將熔體包圍起來。

快熔熔斷器熔體的材料為純銀，形狀為矩形薄片，且具有圓孔狹頸，熔體均勻分布在熔斷器內部四周（圖2）。純銀具有電阻率低、延展性好、化學穩定性好的特點，當發生短路故障時，狹頸處電流密度大，故狹頸處首先熔斷，當短路時熔斷器分斷，消弧劑在電弧的高溫下釋放出來的鈉離子能限制電弧體積膨脹和弧柱等離子體的形成，使石英砂滅弧能力大為提高，在進行滅弧的同時迅速提高斷口處的絕緣電阻，快速將主回路斷開。

圖2 快速熔斷器及熔體

2.2 快速熔斷器特性

（1）反時限電流保護特性。熔斷器具有反時延特性，即過載電流小時，熔斷時間長，過載電流大時，熔斷時間短。因此，在一定過載電流和過載時間范圍內，熔斷器不會熔斷，可連續使用。

（2）限流特性。由于快速熔斷器的熔體圓孔狹頸處的截面積小，熱容量小，發生短路故障時，故障電流尚未達到預期的短路電流時即被熔斷，電弧被石英砂分隔成許多小段。這樣，既限制了短路電流增加，亦加速電弧的熄滅。

（3）分斷能力強。發生短路故障時，圓孔狹頸處首先被熔斷，電弧被石英砂分隔成許多小段，電弧被很快熄滅。由于石英砂是絕緣的，電弧熄滅后，熔斷器立即變成一個絕緣體將電路分斷，因而快速熔斷器分斷能力強，可高達50 kA。

2.3 快速熔斷器主要參數

快熔的主要參數有額定電壓，額定電流，分斷能力，I2t（熔化熱能值）。

（1）額定電壓：熔斷器斷開瞬間，能安全承受的最大電壓，其與外加電壓有關，而外加電壓一般是指當回路中的電流增加到熔體將要斷開時的電壓。

（2）額定電流：正常條件下，熔斷器長期維持正常工作的最大電流。

（3）分斷能力：當電路中出現很大的過載電流（如強短路）時，熔斷器能安全切斷（分斷）電路的最大電流，是熔斷器最重要的安全指標。安全分斷是指在分斷電路中不發生噴濺、燃燒、爆炸等危及周圍元、部件以至人身安全的現象，一般至少為8 kA。

（4）I2t（熔化熱能值）：包括弧前I2t 和熔斷I2t，其中弧前I2t特性表征熔體熔化時間與預期電流之間關系的重要性能指標，而熔斷I2t 特性飛弧開始瞬間到飛弧最終熄滅電流與時間的關系。

3 影響快速熔斷器使用壽命的因素

3.1 溫度

正常情況下，當熔體通過電流時產生的熱量絕大部分通過石英砂傳到瓷瓶四周，與周圍的空氣進行熱交換，建立動態平衡，由于快速熔斷器I2t 特性是以能量的形式來標定，過高的溫度勢必會影響快速熔斷器的特性，隨著熱效應的擴散、熱應力疲勞等，熔斷器的壽命將逐漸縮短。圖3 為主傳動系統工作時快熔熱成像儀掃描圖像，在正常負載條件下，快速熔斷器的工作溫度為26～33 ℃，與熔體熔斷實驗條件20～25 ℃較為接近。

圖3 快速熔斷器工作時熱成像圖

3.2 外界沖擊的影響

直流母線電壓的波動，以及瞬間的脈動沖擊電流，會產生一定的熱效應，從而致使熔絲的擴散、氧化、熱應力等產生，熔體將隨著脈沖能量和次數的增加而漸漸老化。熔斷器的抗沖擊壽命，取決于脈沖的I2t 占熔斷器本身I2t 的百分比，通常情況應小于20%，同時直流母排電壓應盡可能減小波動，一般電壓波動不應超過平均值的5%或低于平均值的9%。

3.3 安裝條件

快速熔斷器與銅排的連接狀況直接影響著快速熔斷器的溫升和可靠運行，當連接處附著灰塵，快速熔斷器工作時會出現放電現象，腐蝕熔斷器接觸器表面，影響其靜態電阻值，長此以往會增加熱損耗，影響使用壽命。國際標準中規定，試驗時熔斷器與管夾的接觸電阻小于3 mΩ。

4 提高快速熔斷器使用可靠性的方法

4.1 工作溫度監控

按照設備的老化規律分析，熔斷器在接近老化極限運行時，溫度會比其他熔斷器高，因此可以通過檢測熔斷器溫度的方法來判斷熔斷器是否即將損壞。如圖4 所示，可使用測溫貼紙來監測溫度，該測溫貼紙上有一列方格或圓點，代表不同的溫度值，當溫度上升至該溫度點時方格會轉變成黑色，即使溫度降低后也不會回復到原來的顏色，這樣就可以知道熔器斷曾經歷過的最高溫度，不需要長時間在旁邊監視就可以知道是否有超溫現象，經濟、安全、可靠。利用檢修時間定期檢查溫度標簽，當發現某個快熔溫度顯示異常時，即可考慮將該熔斷器更換掉。

圖4 快速熔斷器及溫度監測貼紙

4.2 優化傳動系統工作負荷

當傳動系統所驅動的負荷增加時，其工作電流必然增大，當電流超過一定數值時，會影響快速熔斷器的使用壽命，通過對某段時間不同負荷的軋制鋼卷數進行統計，當負荷超過85%、100%、115%的次數越多，熔斷器燒毀的次數也越多。如圖5 所示，I1、I2、I3 三個機架負荷較大，熔斷器燒毀故障全部發生在這三個機架之中，因此，當軋機負荷超過有害負載時，應考慮通過優化軋制參數來重新分配各機架的工作負荷，以延長快速熔斷器的使用壽命。

圖5 不同機架的負荷統計

4.3 保證快速熔斷器工作環境

快速熔斷器的正常工作環境，主要是要降低其周圍環境溫度，在使用風冷降溫的傳動系統中，應注意保證傳動柜內的通風量，由風速通過能力曲線可確定風速對熔斷器溫升的影響，一般風速約5 m/s 時可以提高25%的通流能力。因此，要定期清理傳動柜濾網和傳動柜風扇，并定期檢測風扇電流以確保風扇能正常工作，從而保證傳動柜的散熱水平。同時在安裝時要給予快速熔斷器固定螺栓規定的扭矩，當施加扭力過大時，會造成熔斷器熔體通道的物理性損壞，給熔體帶來不可逆轉的損壞，因此應定期檢查快速熔斷器安裝螺栓是否有松動。

5 結語

隨著技術的不斷進步，生產線產能的釋放，傳動設備的負荷勢必會提升，如何提高快速熔斷器的可靠性，是一個重要課題。由快速熔斷器的特性可知，負荷電流及快熔溫度是影響快速熔斷器壽命的最根本因素，準確把握好快速熔斷器的溫度就能夠確定其工作狀態及故障趨勢，提前發現問題，減少快速熔斷器燒毀帶來的損失，保證產線順利、穩定。