TAV真空铝钎焊炉加热系统故障处理

张 颉

（上海欧菲滤清器有限公司热交换器部 上海）

一、TAV真空铝钎焊炉加热系统

两台意大利TAV公司TBHA45/180/365型铝板翅片热交换器真空钎焊炉（以下简称真空钎焊炉），真空钎焊炉额定加热功率800 kW，热量在真空环境中主要通过热辐射方式传递。真空钎焊炉加热系统由镍钢加热带、变压器、可控硅功率调节器、带有电动执行器的电源主断路器、热电偶及PLC温度模拟量信号采集模块、PLC温度控制及人机界面（HMI）软件、冷却水系统等组成。加热区域分成23个子区域，各区因位置不同，额定加热电流29～232 A。除前、后炉门以及底部、顶部8个子区域各由一组加热带构成外，其他15个子区都是由左加热带和右加热带两组并联组成。每个加热子区温度探测使用两只矿物绝缘金属护套K型热电偶（CTC和STC），在炉子中部的5区和11区安装两只超温检测热电偶（OTC），其信号传送给超温控制器。炉子升温时，温度设定值以每分钟阶跃几度的递增方式变化，同时PLC将与该温度设定值对应的上限设定值发送给超温控制器，一旦有6个以上CTC或STC温度超过设定的上限或下限温度值，或者某一只OTC探测到的温度超过超温控制器的温度限值范围，则整个加热系统自动停止。加热控制信号由准备信号和功率调节信号共同组成，前者驱动主加热断路器合闸为加热系统通电，后者为每个子区的功率调节器提供可控硅导通角信号。

二、加热系统故障处理

1.频繁击穿功率调节器可控硅

公司第一台钎焊炉F1试机阶段，钎焊炉在冷炉启动瞬间，动力配电柜内变压器发出非常响的电流噪声，且可听到电容补偿柜内接触器吸合的“砰砰”响声。钎焊炉运行过程中，总是随机烧坏1只加热功率调节器的可控硅。厂家调试人员检查加热系统中的各项元件及动力线路接线后，判断是工厂电源不稳定所致。公司相关人员监测工厂电源质量，发现钎焊炉启动过程中，低压配电系统中电流谐波成分相当大（表1，Irms是电流有效值；Urms为电压有效值；THD是总谐波失真）。真空炉自身配有的50 kvar×8分组投切电容补偿柜，其响应速度有些滞后且投切过程中会产生很大涌流，在炉子持续加热过程中甚至有过补（负功率因素）现象。因此单凭这组电容补偿柜很难消除电源谐波引起的瞬间电压波动，这也就是功率调节器可控硅频繁击穿的原因。采取两项应对措施：①厂家将调功器内部电源滤波及稳压功能的1块集成电路板01PCA145-01，更新为增强型02PCA145-01电路板；②加装1台300 A的有源滤波柜UPQC-300F/4-300-400。实施两项措施后，3年来未再出现击穿功率调节器可控硅的现象，而且加热速率也可提高至50℃/min。

表1 电源质量监测

大功率可控硅调控的多区域电加热设备，在设计阶段必须要考虑可控硅调控导致的电源波动因素，并且采取有效的谐波消除措施，使设备在实际运行中正常工作。

2.炉门个别加热区域升温慢

2012年5月开始，钎焊炉F1后门上部加热区（18区）在高温阶段升温速度比其他区域慢，而且这个温度差随着时间推移越来越明显（图1）。真空钎焊炉对温度均衡度的要求极高，必须查明问题根源并消除温差。维修人员测量18区低温及高温升温段功率调节器最大导通角时的电流，并与后炉门下部区域19区的相关数据进行比较，未见异常。不放钎焊架进行升温操作，发现18区没有问题。更换18区的CTC后，其温升异常现象消失。换下的热电偶送专业计量检测公司检测，确认热电偶良好。分析推断，更换热电偶改变的只是热电偶位置，位置才是出现问题的关键因素。放入钎焊架并开启后炉门检查，发现若是调整热电偶端头位置，热电偶端头会处在钎焊架的部分阴影区内，导致热电偶头不能得到应有的热辐射。另外，根据热辐射量原理，物体的热辐射能力与绝对温度的四次方成正比，同样的温升，炉子在高温段时加热器同样时间内发出的热辐射量要比低温段时要多，则同样阴影遮挡的面积和不遮挡面积内的热辐射差在上述两种情况下也将相差很多。这也就是18区总是在高温阶段升温时比别的区域慢很多，而在低温阶段升温时无此现象的原因。真空钎焊炉的热传导方式是热辐射，在维修保养真空钎焊炉加热系统时一定要了解热辐射的相关特性，并采取相应维修对策。通过摸索，重点要做好以下3点。

图1 时间—温度曲线

（1）定期检查热电偶的位置（位置会影响到热辐射接收能力）。制作1只特殊卡规块（图2），可方便检查和确定热电偶与加热带的相对位置。

（2）定期检查加热器后面的反射板，若反射板完全变黑则需要清洁其表面黑色污垢（理论上黑色物体的热辐射反射能力为零）。

（3）定期校验真空钎焊炉内部加热区内的温度均衡度（各区热电偶经过长期工作，其温度不一定能代表真正的加热区温度，有时虽然通过卡块未发现热电偶的位置变化，但是由于热辐射的其他一些影响因素，也可能导致此热电偶控制的加热区温度与别的区域相差偏大）。在无工件的钎焊架上放置 9只热电偶，热电偶摆放在钎焊架各层的中央位置，且垂直段高度一致，然后启动加热。记录300℃和600℃两个保温段保温20 min后9只热电偶的测量值，分析真空钎焊炉加热区内的均衡度，将9只热电偶测量值最大差值＜6℃定义为均衡度很好。此项检查每季度执行一次。通过上述措施，因温升异常导致的焊接报废率突变事故发生率明显降低。

图2 热电偶相对加热器的位置卡规块

3.加热器连线电缆压线鼻处异常烧断

靠近5区左侧加热器的产品表面异常发白，判断原因是焊接过程中热量不足。检查炉子温度曲线记录，未发现5区加热曲线明显异常。5区额定加热电流232 A，变压器次级也就是加热电缆中的额定电流1100 A。检查加热线路发现，5区左侧加热器并用的两根90 mm2软电缆之一被烧断，断裂处位于线鼻尾端。怀疑是真空钎焊炉出厂时这根电缆与线鼻未压紧，造成温度异常并烧断电缆。

修复故障线路并将其他所有加热器接线检查一遍，未发现松动现象。2013年7月，5区右侧又有1根90 mm2电缆烧断，导致产品报废率增加。修复故障电缆，再次检查所有电缆线鼻子，发现仍有个别压线存在轻微松动，而且松动处电缆线鼻上的绝然保护套管都有些轻微焦黄，将松动线鼻都复压一次。造成压线鼻处松动的原因应该是反复受热膨胀所至。而且一旦出现线鼻与电缆咬合松动，结合处的温度就会因为电阻值增大而迅速提升，进而烧断电缆。为避免此类故障再次发生，将每个加热器接线柱上均粘上1只90℃示温蜡片，规定每日点检是否有示温蜡片脱落。此后又陆续发现3起电缆头温度偏高的问题，并及时排除了故障隐患点，防止了电缆烧断故障再次发生。

4.加热电源总断路器不能有效合闸

2013年初启动第二台真空钎焊炉F2试生产，7月25日F2的加热总电源1600 A断路器HC无法合闸。根据加热电源主断路器电路（图3），分别测量合闸电机接触器KQM1线圈电压（约为AC 216 V）、合闸电机电源变压器次级电压（线号X20.1与X20.4间电压，约为AC 110 V），均正常。当启动加热准备时，观察到KQM1线圈正常得电，而且可听到断路器内发出两声“砰”的响动。分离、检查电动执行器与断路器，未见异常。安装复原后，再次尝试启动HC，HC可正常工作。2013年8月，HC不能吸合现象再次出现并自行消失，经分析，这是因欠压脱扣器线圈温度过高引起的偶发故障。

图3 加热电源主断路器电路

2013年9月，第一台钎焊炉F1的HC在自动运行程序时也出现不能吸合现象，尝试可手动模式启动HC。将整个设备关电重启后，发现HC问题时好时坏。在线监视HC的PLC程序，发现自动模式吸合HC的程序运行正常，而且每次HC吸合故障发生时，KQM1线圈均得电。自动和手动模式合闸HC的驱动动作一样，只是每次手动尝试前都运行一下自动模式，第二次驱动后HC能合闸的概率高。检查HC驱动电路未发现异常。更换KQM1接触器、电动执行器，都没有解决问题且合闸成功率越来越小，需要尝试3到4次才能成功一次。持续观测故障情况，研读SIEMENS塑壳断路器资料后发现，故障发生时先听到吸合声音，后立即听到脱扣声音。该断路器配有过电流脱扣器和欠压脱扣器。每次合闸前加热电路没有电流，以及合闸后可保持正常工作，因此判断过电流脱扣器应良好，欠电压脱扣器存在问题。一段时间后，再次测量KQM1线圈电压，发现有时跌至约113 V。2013年10月，拆除故障HC的欠压脱扣器，HC仍然不能一次顺利合闸。单独给拆下的欠压脱扣器通电测试，发现其线圈吸合能力极弱，据此判断欠压脱扣器长期频繁动作，已经损坏了HC内的机械机构。必须更换HC，才能彻底解决问题。

在新断路器到货前，采取临时措施。将控制电动执行器的KQM1常开触点和常闭触点断开连线，将断路器内的一组辅助触点（图3中333-334与482-497）也断开连线。用KQM1的那组触点替代断路器内的那组辅助触点，再将电动执行器从断路器上脱离，最后使用手柄将断路器手动合闸。这样修改缺陷是每批次生产结束后不能自动断掉所有功率调节器的上端电源，但可启动和关断加热系统，确保完成生产任务。

进一步研究发现两台真空钎焊炉此类故障均发生在天气较热季节。F1发生故障前，给动力柜功率调节器区加装机柜空调，为保证冷气不被吹走，封堵动力柜上原有排气风扇及换气口，其中包括离机柜空调安装位置较远的断路器柜子。结果导致F1 HC内的欠压脱扣线圈长期过热，加速其老化失效。另外，分析发现欠压脱扣器线圈的接线位置，其电源经过6个触点，这些触点若发生接触不良也容易导致欠压脱扣器的电源电压偏低。所以，更换HC及欠压脱扣器时，将欠压脱扣器原来接在029位置的线改到TR24次级保险丝后部，同时恢复断路器柜柜门排气扇及排气孔。

真空钎焊炉加热系统既有其独特性，也具备一般大功率电加热设备的共性。维护保养时既可参考其他设备维修保养经验，也应采取特殊方法。只有这样，才能做好真空钎焊炉加热系统维修保养工作。