铜电解用短接开关弧系统的研究

2013-08-02 00:47郝德清曹鹏飞

机械制造 2013年6期

□ 郝德清 □ 曹鹏飞

武汉船用电力推进装置研究所武汉 430064

1 概述

众所周知，在电解工艺中，多台电解槽是经串联后连接到低压大电流的直流电源上的，铜电解生产一般要求定期将一组或多组槽单独停、开槽，为提高生产效率和保证安全生产，每组槽都应有短接回路，短接回路中应用了短接开关技术，代替了传统降电流和零电流的电解工艺，其原理如图1所示。

图1 电解槽-短接开关原理图

电解铜工艺中的一般技术指标：电压为DC40V，电流为36～60 kA。当电解槽出铜时，短接开关闭合；当电解槽电解时，短接开关断开。

短接开关能否可靠地闭合和断开电解槽，完全取决于短接开关弧系统的闭合和断开能力。短接开关分为主开关和弧系统，主开关用于承载主回路全电流，弧系统用于保护主开关。闭合时，弧系统先闭合；断开时，弧系统后断开主回路电流，用来释放回路中产生的电弧能量。因此，电解槽能否停、开槽，弧系统至关重要。

短接开关弧系统的触头系统分为主触头和弧触头，该触头系统采用可自调整的拍合式单触点触头，触头系统关键点如下。

（1）主触头系统采用独创的锥形触头设计。该锥形触头增加了触头和母线的接触面，从而大大降低了其接触电阻，同时更换简单方便。

（2）主触头采用自调整设计。在闭合过程中，动静触头接触面相对滑动并进行自调整，有效地去除了触头表面的氧化层，保证了触头在长时间使用后仍具有良好的接触。

（3）特殊的触头材料。主触头采用特殊的银基触头材料，该材料通过特殊的工艺改善了银基体的晶粒，使其导电率更高且接触电阻低而稳定；弧触头采用耐电弧的铜钨合金材料，保证了开关的电寿命。

（4）采用独特设计的永磁机构。通过碟簧传递触头压力，永磁保持力高达2 400 N，保证了触头接触电阻小且稳定。

（5）只有一个接触点。它比一般大电流开关的桥式触头的两个接触点少一个，接触电阻减少了一半，因此发热功率减少一半。

2.2.1 主、弧间电流转移时间的设计

弧系统断开时，电流先从主触头转移到弧触头中，闭合则反之，设计关键点如下。

（1）电流转移时间最重要的衡量标准是主、弧机构的动作时序，也是难点。

（2）动主触头、动弧触头都通过触头安装架绕同轴同时旋转，保证主、弧触头接触的时序性。

（3）缩短主、弧触头电流转移时间，最优的方式是要求主、弧之间等电位点距离最短，使电流转移时间最短。

（4）采用双稳态永磁机构，开关动作速度快，开关的分断速度达到6 mm/ms（远大于一般开关的1 mm/ms），大大提高了电弧的运动速度，即减小了电弧对触头的烧蚀。

（5）设计高耐弧能力的弧触头，该弧触头采用特制的合金材料，具有很强的耐弧能力。弧系统接通、分断时将电弧转移到弧触头上，通过弧触头将能量消耗，实现电弧熄灭，完成弧系统的接通分断。

2.2.2 弧系统动作时间和主、弧动作时序

（1）弧系统动作时间见表1，从表1中可以看出，3次的短接开关弧系统闭合和分断动作时间基本一致。

表1 短接开关弧系统闭合和分断时间

（2）主、弧动作时序见表2。

表2 短接开关弧系统动作时序

通过采用上述设计思路，试制后的原理样机通过数据采集仪测量开关的动作时间(≤20 ms）和主、弧触头的动作时序（闭合时序＞6 ms和分断时序＞12 ms）得知，短接开关弧系统设计满足要求。

综上所述，通过解决上述关键技术，短接开关弧系统产品模型如图2所示，该结构操作简单、不导磁、抗腐蚀，方便现场安装。

图2 短接开关产品模型图

为验证设计的正确性和适用性，进行了型式试验，其中主要为额定接通和分段能力试验。

如图3所示，波形由上到下依次为：系统电压波形、开关两端电压波形、电流波形；分断时间不超过30 ms，过电压为129 V，分断能力满足设计要求。

图3 短接开关弧系统分断能力（DC40V，60 kA）

如图4所示，波形由上到下依次为：系统电压波形、开关两端电压波形、电流波形；电流波形无尖峰点和锯齿点，说明弧系统触头系统无弹跳、熔焊现象，试验验证满足设计要求。

图4 短接开关弧系统接通能力（DC40V，60 kA）

目前，通过解决上述关键技术和试验验证，短接开关弧系统研究取得预期效果。弧系统的研发成功，解决了长期困扰铜电解行业的生产工艺难题，中国是铜电解大国，短接开关有很好的市场前景。

［1］陈长顺.铜电解精炼扩大产能的技改实践与研究［J］.资源再生，2010（1）.

［2］叶尉锬.铜电解槽的日常维护和检修方式［J］.大冶科技，1993（1）.

［3］李世学.基于PLC控制的铜电解用短接开关监控系统［J］.自动化与信息工程，2009（3）.