交流电弧炉的多频多极真空接触器的替代方案

陈勇镐 朱雄辉

(1:宝钢工程技术集团有限公司 工程技术事业本部 上海201900;2:宝钢股份钢管条钢事业部电炉厂 上海201999)

1 引言

2008 年宝钢股份有限公司建设投产了一条紧凑型炼钢车间，由交流电弧炉炼钢、大方坯连铸生产线组成，其中交流电弧炉为150t 超高功率交流电弧炉。交流电弧炉工作断路器最大容量为2650A、断开容量31.5kA、多频。根据当时西门子、ABB 等国际著名电气厂商提供的产品信息，能够提供的多频真空断路器的最大容量为2500A;国内著名电气厂商提供的产品信息也不能满足相关的技术参数要求，最后通过与美国JOSLYN 公司技术交流后，它的一款多频、多极真空接触器可满足电炉操作开关的技术参数要求。

2 关于多频多极真空接触器

2.1 多频多极真空接触器的组成

美国JOSLYN 公司的多频、多极真空接触器的关键技术就是将小容量、多频真空接触器通过串并联的技术，同时采用专用的串并联控制系统，组成了大电流、高分断、多频真空接触器，满足了宝钢股份150t 超高功率交流电弧炉工作断路器的需要。JOSLYN 多频多极真空接触器是由多频多极真空接触器、操作机构和控制系统组成，其中操作机构和真空接触器都有不同的使用寿命，操作机构为10万次、真空接触器为6 万次使用寿命。宝钢150t 超高功率交流电弧炉的JOSLYN 多频多极真空接触器，每相为12个500A 的真空接触器(2 串6 并)，六套操作机构;三相共有36 个真空接触器18 套操作机构。根据这些特点，决定了JOSLYN 多频、多极真空接触器的使用寿命不会很长，由于操作机构复杂因此生产可靠性差、运行成本高。

2.2 应用现状

1)2011 年1 月17 日22 时左右JOSLYN 多频多极真空接触器发生故障，造成真空泡损坏二个，另有四个真空泡外壳有裂纹，停机8h。另外由于操作机构复杂，运行过程中的故障频繁，为保证真空接触器的可靠运行，生产人员点检量增加，运行维护的工作量大增。

2)由于JOSLYN 多频多极真空接触器是由36 台真空泡接触器串并联组成，需要对各个真空接触器的运行状况和使用寿命进行跟踪和记录。为了保证生产的连续性，需要大量的真空接触器备件，备件费用巨大。

综上所述，考虑真空接触器更换成本，和后续设备维护的经济性，结合目前炉用变压器设备现状，有必要对真空接触器进行改造，可以采用传统的36kV 电炉用多频断路器替代33kV 真空接触器。

3 多频多极真空接触器的替代方案

近年来，随着电炉炼钢工艺的更趋成熟，促进了现代电炉发展了诸多先进技术，如电炉的超高功率化、强化用氧、废钢预热、人工智能优化供电等技术，同时炉型装备越来越大型化，大大提高了电炉的生产率，降低了电耗和电极消耗、节省了能源、降低了生产成本，所以国际和国内的著名电气厂商纷纷推出了适用于超高功率电弧炉的大电流、多频断路器。

电炉用多频断路器是由真空泡(真空灭弧室)、操作机构和控制回路组成的，操作机构和真空泡寿命都有规定，选用气密性能好寿命长的真空泡及与真空泡中触头分合机械特性相符合的操作机构至关重要。

3.1 方案1

采用德国西门子公司电弧炉专用3150A 真空灭弧室配吉林永大集团永磁操作机构的电炉用多频断路器。

1)真空泡，选用德国西门子公司电弧炉专用3150A 真空灭弧室。

2)操作机构

从操作机构上讲作为中压产品主要有三种:即电磁操作机构、弹簧操作机构和近年发展较快的永磁操作机构。断路器的主要功能归根到底是体现在触头的分、合动作，而分、合动作又是通过操作机构来实现的，因此操作机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。

电磁操作机构，由于对电源要求较苛刻——需要专用的大容量直流屏供电，并且操作时冲击大，操作时间长，而逐渐被市场所淘汰。

弹簧操作机构，是利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧能进行分合闸操作，从而对电源要求低，交直流均可操作，对电源无冲击，因此在近些年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点:弹簧操作机构的结构比较复杂，零件数量多(约为200 个)，加工精度高、制造工艺复杂，产品的可靠性不易保证。不能频繁操作、使用寿命短，且需要经常维护调整。随着真空灭弧室优异性的提高，其机械及电寿命从传统的两千次跃增为数万次，沿用传统断路器操作机构很难体现出其高寿命、高可靠性的优点。因此需要一结构高度简化和高可靠性的操作机构来满足真空断路器的驱动要求。

永磁操作机构，它的出现就较好地解决了这一问题，为研制新一代高可靠、免维护、长寿命的断路器奠定了基础。永磁机构真空断路器针对真空灭弧室特性在机构上采用了全新的设计，它可以使断路器的电气特性更好、结构更加简单。具有体积小、重量轻、结构简单、操作可靠、免维护、使用寿命长等显著优点。

(1)永磁操作机构的磁路结构

国内外应用NdFeB 永磁材料研制高压开关始于20 世纪90 年代，国外获得工业上应用最具代表的是ABB VMI真空断路器，其永磁机构为单拍合磁路结构。国内最具代表的是吉林永大YDD 系列真空断路器，其永磁机构为双拍合磁路结构，这两种产品所用的永磁机构在磁路结构上有明显区别，分别反映出两种不同的技术原型及研发思路。

所谓单拍合磁路结构即用于合闸位置保持的吸合工作面仅为一个，这种磁路结构可以根据与励磁线圈的不同组合派生出多种形式的永磁机构，其外部形状由于加工工艺不同有圆形的，也有方形的。

所谓双拍合磁路结构即用于合闸位置保持的吸合工作面为两个，这种磁路结构也可以根据与励磁线圈的不同组合派生出多种形式的永磁机构。

(2)永磁操作机构断路器的特性

真空断路器的开断能力及寿命是表现其品质优劣最重要的性能指标，它与操作机构及传动系统密切相关。

真空灭弧室动触头的行程很小，12kV 电压等级约在10 ～12mm 之间，40.5kV 电压等级约在18 ～22mm 之间，合闸过程中动、静触头接触前外力只是控制动触头运动速度，但在动、静触头闭合的瞬间，断路器的反力特性有一大幅度的正向突变，操作机构需要很大的驱动力来压缩储能弹簧以使触头获得足够的压力，分闸时断路器又要求操作机构不给运动系统附加过多的负载以利于提高分闸速度。单、双拍合磁路结构永磁机构的合闸特性在初始阶段与电磁机构一样，在最后阶段，由于永磁场的吸力使吸合力上升得更快，因此好于传统操作机构。但在分闸特性方面由于永磁机构中的动铁芯参与分闸运动增大了系统慣量，最重要的是永磁场的吸力在分闸初始阶段起着阻碍的作用。永磁机构唯有解决了分闸负载特性才能成为理想的操作机构。

弹簧操作机构的真空断路器，要提高初分速度一方面势必要加强分闸弹簧，这就要求增大合闸功率，过度增加又会引起动触头及传动件表面强烈的冲击变形和弹跳，另一方面提高分闸速度时，也容易产生在开断到底时较大的震动。

单拍合磁路结构永磁机构的分闸特性是先慢后快，在动铁芯运动到分闸位置时刻最大，曲线很不理想，仅仅依靠在此磁路结构基础上的优化设计来提高初分速度是极其有限的，尤其是应用到40.5kV 或更高电压等级的断路器中，这种由于结构缺陷凸显出来的特性变得更为突出。

断路器的初分速度主要取决于永磁场吸力负载特性，即单拍合磁路结构永磁机构要克服的负载能量至少是双拍合磁路结构永磁机构的2.5 倍，因此磁路结构决定了断路器的固有特性。

永磁机构真空断路器在设计上经过整体结构优化(分闸弹簧的匹配、传动系统、缓冲系统)提高了刚性分离速度，又减小了分闸末速度、获得了较为理想的合分闸特性，实现了操作技术与断路器完美的结合。

3)技术参数

额定电流:3150A;额定电压:36kV;额定短路开断电流:40kA;电炉操作开关机械寿命:12 万次;电炉操作开关电气寿命:3 万次。

3.2 方案2

采用德国西门子公司生产的电弧炉专用多频断路器3AH4，配3150A 真空灭弧室和弹簧操作机构

1)真空泡，德国西门子公司电弧炉专用3150A 真空灭弧室。

2)操作机构，德国西门子公司弹簧操作机构。

3)技术参数

额定电流:3150A;额定电压:36kV;额定短路开断电流:40kA;电炉操作开关机械寿命:12 万次;电炉操作开关电气寿命:3 万次。

4 方案选择

永磁操作机构是一种将永磁体和电磁机构相结合的新型操作机构，合闸位置采用永磁锁扣保持，分闸位置采用机械或永磁锁扣保持，机械简单可靠，无连杆、凸轮等复杂的机械传动件，零件数大大减少，提高了断路器的可靠性和使用寿命。新型的磁路设计，新型的永磁材料，保证了合闸保持力，同时减小了合闸时对合闸线圈电流的要求。永磁操作机构输出特性曲线能够满足真空断路器的要求，大大增加了真空灭弧室的使用寿命。具有结构简单、高可靠、长寿命、免维护、性价比高的特点。综上所述，国内永磁操作机构的性价比高于全进口的西门子公司的3150A 36kV 电炉用多频断路器，最终选用方案1 的永磁操作机构炉用多频断路器替代多频多极真空接触器的方案。

5 结束语

改造后的电炉用多频断路器消除和减少了设备故障及安全问题，操作维护方便，生产运行可靠，满足了宝钢电炉生产的需要。特别是采用新型、安全可靠的电炉用多频断路器，设备维护费用更低，进一步提高了生产安全的可靠性。

［1］林莘.永磁机构与真空断路器［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］游一民，郑军，罗文科.永磁机构及其发展动态［J］.高压电器，2001，Vol.37(1):44－47.