快速熔断器在轧机传动系统的应用

韩有贺，高 峰，孔维涛，武 琦

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某冷轧厂轧机配置5 套主电机驱动系统，均采用日立大容量IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）变频装置驱动，该装置为“交—直—交”三电平式变频器，由整流器柜、逆变器柜及公共控制柜、进线柜以及输出隔离开关柜等组成。传动柜主回路中安装多个快速熔断器，在主回路未有大电流的情况下多次发生快熔烧毁故障，经判断为快熔疲劳性损坏，快熔故障容易引发轧机高速断带事故，影响恶劣。本文主要研究影响快熔寿命的因素，提出准确把握快熔工作状态的可行性方法，提前发现问题，解决设备隐患。

1 快速熔断器在主传动系统中的作用

轧机主传动系统采用多个传动柜并联，其中整流柜为三相三并联，逆变柜为三相四并联，每个机架有21 个功率单元，42个快熔，如图1 所示，71C2PRA 和71C2NRA 为某相的一个功率单元的两个快速熔断器，安装位置在直流母排P 侧和N 侧，如果功率元件误触发，发生上、下桥臂直通等短路故障时，主回路内会产生非常大的短路电流，而快速熔断器作为主回路保护元件，当回路里有大电流足以使熔断器熔体熔断时，快速熔断器会切断所在单元的回路，保护整个传动系统免受进一步的损坏。

图1 快速熔断器在主传动系统的布局

2 快速熔断器的结构、特性及主要参数

2.1 快速熔断器结构及保护原理

快速熔断器由磁壳、导电板、熔体、石英砂、消弧剂、指示器6 部分组成，灭弧介质由石英砂填充，并用含硅酸钠盐（或钾盐）的消弧固化剂进行固化，从四周将熔体包围起来。

快熔熔断器熔体的材料为纯银，形状为矩形薄片，且具有圆孔狭颈，熔体均匀分布在熔断器内部四周（图2）。纯银具有电阻率低、延展性好、化学稳定性好的特点，当发生短路故障时，狭颈处电流密度大，故狭颈处首先熔断，当短路时熔断器分断，消弧剂在电弧的高温下释放出来的钠离子能限制电弧体积膨胀和弧柱等离子体的形成，使石英砂灭弧能力大为提高，在进行灭弧的同时迅速提高断口处的绝缘电阻，快速将主回路断开。

图2 快速熔断器及熔体

2.2 快速熔断器特性

（1）反时限电流保护特性。熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长，过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流和过载时间范围内，熔断器不会熔断，可连续使用。

（2）限流特性。由于快速熔断器的熔体圆孔狭颈处的截面积小，热容量小，发生短路故障时，故障电流尚未达到预期的短路电流时即被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段。这样，既限制了短路电流增加，亦加速电弧的熄灭。

（3）分断能力强。发生短路故障时，圆孔狭颈处首先被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段，电弧被很快熄灭。由于石英砂是绝缘的，电弧熄灭后，熔断器立即变成一个绝缘体将电路分断，因而快速熔断器分断能力强，可高达50 kA。

2.3 快速熔断器主要参数

快熔的主要参数有额定电压，额定电流，分断能力，I2t（熔化热能值）。

（1）额定电压：熔断器断开瞬间，能安全承受的最大电压，其与外加电压有关，而外加电压一般是指当回路中的电流增加到熔体将要断开时的电压。

（2）额定电流：正常条件下，熔断器长期维持正常工作的最大电流。

（3）分断能力：当电路中出现很大的过载电流（如强短路）时，熔断器能安全切断（分断）电路的最大电流，是熔断器最重要的安全指标。安全分断是指在分断电路中不发生喷溅、燃烧、爆炸等危及周围元、部件以至人身安全的现象，一般至少为8 kA。

（4）I2t（熔化热能值）：包括弧前I2t 和熔断I2t，其中弧前I2t特性表征熔体熔化时间与预期电流之间关系的重要性能指标，而熔断I2t 特性飞弧开始瞬间到飞弧最终熄灭电流与时间的关系。

3 影响快速熔断器使用寿命的因素

3.1 温度

正常情况下，当熔体通过电流时产生的热量绝大部分通过石英砂传到瓷瓶四周，与周围的空气进行热交换，建立动态平衡，由于快速熔断器I2t 特性是以能量的形式来标定，过高的温度势必会影响快速熔断器的特性，随着热效应的扩散、热应力疲劳等，熔断器的寿命将逐渐缩短。图3 为主传动系统工作时快熔热成像仪扫描图像，在正常负载条件下，快速熔断器的工作温度为26～33 ℃，与熔体熔断实验条件20～25 ℃较为接近。

图3 快速熔断器工作时热成像图

3.2 外界冲击的影响

直流母线电压的波动，以及瞬间的脉动冲击电流，会产生一定的热效应，从而致使熔丝的扩散、氧化、热应力等产生，熔体将随着脉冲能量和次数的增加而渐渐老化。熔断器的抗冲击寿命，取决于脉冲的I2t 占熔断器本身I2t 的百分比，通常情况应小于20%，同时直流母排电压应尽可能减小波动，一般电压波动不应超过平均值的5%或低于平均值的9%。

3.3 安装条件

快速熔断器与铜排的连接状况直接影响着快速熔断器的温升和可靠运行，当连接处附着灰尘，快速熔断器工作时会出现放电现象，腐蚀熔断器接触器表面，影响其静态电阻值，长此以往会增加热损耗，影响使用寿命。国际标准中规定，试验时熔断器与管夹的接触电阻小于3 mΩ。

4 提高快速熔断器使用可靠性的方法

4.1 工作温度监控

按照设备的老化规律分析，熔断器在接近老化极限运行时，温度会比其他熔断器高，因此可以通过检测熔断器温度的方法来判断熔断器是否即将损坏。如图4 所示，可使用测温贴纸来监测温度，该测温贴纸上有一列方格或圆点，代表不同的温度值，当温度上升至该温度点时方格会转变成黑色，即使温度降低后也不会回复到原来的颜色，这样就可以知道熔器断曾经历过的最高温度，不需要长时间在旁边监视就可以知道是否有超温现象，经济、安全、可靠。利用检修时间定期检查温度标签，当发现某个快熔温度显示异常时，即可考虑将该熔断器更换掉。

图4 快速熔断器及温度监测贴纸

4.2 优化传动系统工作负荷

当传动系统所驱动的负荷增加时，其工作电流必然增大，当电流超过一定数值时，会影响快速熔断器的使用寿命，通过对某段时间不同负荷的轧制钢卷数进行统计，当负荷超过85%、100%、115%的次数越多，熔断器烧毁的次数也越多。如图5 所示，I1、I2、I3 三个机架负荷较大，熔断器烧毁故障全部发生在这三个机架之中，因此，当轧机负荷超过有害负载时，应考虑通过优化轧制参数来重新分配各机架的工作负荷，以延长快速熔断器的使用寿命。

图5 不同机架的负荷统计

4.3 保证快速熔断器工作环境

快速熔断器的正常工作环境，主要是要降低其周围环境温度，在使用风冷降温的传动系统中，应注意保证传动柜内的通风量，由风速通过能力曲线可确定风速对熔断器温升的影响，一般风速约5 m/s 时可以提高25%的通流能力。因此，要定期清理传动柜滤网和传动柜风扇，并定期检测风扇电流以确保风扇能正常工作，从而保证传动柜的散热水平。同时在安装时要给予快速熔断器固定螺栓规定的扭矩，当施加扭力过大时，会造成熔断器熔体通道的物理性损坏，给熔体带来不可逆转的损坏，因此应定期检查快速熔断器安装螺栓是否有松动。

5 结语

随着技术的不断进步，生产线产能的释放，传动设备的负荷势必会提升，如何提高快速熔断器的可靠性，是一个重要课题。由快速熔断器的特性可知，负荷电流及快熔温度是影响快速熔断器寿命的最根本因素，准确把握好快速熔断器的温度就能够确定其工作状态及故障趋势，提前发现问题，减少快速熔断器烧毁带来的损失，保证产线顺利、稳定。