电弧分析

电弧分析（通用12篇）

电弧分析 篇1

0 引言

电弧效应是所有电气系统设计时必须面对和解决的问题[1]。根据不同电气系统的运行特点, 电弧大致可以分为交流电弧与直流电弧两类。其中, 直流电弧因并没有交流电弧有自然电流过零的特性, 其电弧效应产生的危害和隐患甚至会更大。尤其在民用飞机领域, 存在大量的直流开关设计环节, 因此直流开关回路的设计质量, 极大的影响着整个飞机电气系统的可靠性和稳定性。因此, 直流电弧开关电弧效应, 长久以来都是民用飞机电气设计人员研究的痛点和焦点所在。

所以为了规避直流开关电弧效应, 对民用飞机电气系统造成不利影响, 在民用飞机直流开关回路设计过程中, 有必要对直流开关电弧效应进行软件建模, 分析其造成的影响程度大小, 并结合系统设计特性, 给出相应的改进方案。

1 直流开关电弧效应国内外研究现状

在电弧物理数学模型研究领域, 国外研究人员早在1939年, 就提出了最初的凯西 (Cassie) 模型。Cassie模型数学机理是将电弧燃烧熄灭的物理过程, 等效为一个动态的随输入电压、输入电流波动的动态电阻, 将其代入所涉及回路中进行数学运算, 最终得到电弧在回路中的运行特性。该模型对电弧的诸多物理参数进行了假设, 可以对交流电弧进行一定程度定性、定量的分析。但是其不能体现直流电压与直流点就对电弧动态特性的影响, 因此对直流电弧的适应性相对较差。

在Cassie模型的基础上, 针对开关直流电弧的特殊性, 国外研究人员进一步提出了梅尔 (MAYR) 电弧模型。MAYR电弧模型, 假设电弧在确定的圆柱形气流通道内放电, 假定圆柱体在电弧放电时间段内体积恒定, 直径不变。以开关断开瞬间, 回路的剩余能量为初始条件, 能量的传到是利用空气电离的特性常数, 对开关电弧从产生、持续最后熄灭的过程进行数学解析, 最终拟合得到开关电弧持续过程中的电压电流曲线。MAYR模型目前已经在直流开关电弧效应的研究中得到了广泛的应用, 是目前比较成熟的电弧模型。

随着20世纪90年代以来计算机仿真技术的飞速发展, 研究人员开始考虑将电弧的物理数学模型与计算机仿真软件有机结合。利用计算机的强大计算能力, 辅助进行电弧这一非线性电气现象的研究。其中, MATLAB/SIMULINK软件作为一款相对成熟的电气仿真软件, 以其强大的模块化电气接口、优异的数学运算速度, 一直以来受到了相关设计人员的广泛青睐。因此, 本文以MATLAB/SIMLINK为仿真环境, 利用MAYR电弧数学模型, 对民用飞机28V直流开关回路电弧效应进行建模, 并给出初步仿真分析结果。

2 基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真分析

本文所构架的基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真模型如图1所示。在主回路中, 供电电源采用飞机28V直流电源, 在电源输入端串入电感, 模拟飞机线路中寄生电感以及阻抗参数。主回路负载是单个直流步进电机阀门, 因该模型是研究直流开关电弧效应, 所以无需对负载侧的控制策略做完整的模拟, 仅需将电机以及控制部分模型简化为如图1所示的等效电感、电阻和电容模块。开关电弧模型在图面显示上示意为一个开关式样, 内部封装了基于MAYR模型的电弧数学模型, 主旨建模思路是将开关关断瞬间, 负载侧电感电容储存的瞬态能量值作为MAYR模型的输入, 根据所假设直流电弧的物理参数, 对电弧运行时电压电流特性进行测算。

本文基于该仿真模型, 对28V步进电机阀门负载关断时开关电弧效应进行了仿真, 仿真结果如图2所示。初始电源电压都加载在负载侧, 开关本身视作无电阻导线, 不承受电压。在0.02S时, 开关开始由开通转为关断状态, 由于步进电机绕组的电感电流无法突变, 电感上存储了一定量的电感能, 因此在关断瞬间产生了约80V的反电势, 反电势与电源电压一起由开关关断所产生的电弧承受。此时, 开关在硬件接触上, 已经从回路断开, 但是由于电感能量泄放需要, 开关触点之间拉出电弧, 电弧电流在极短时间内, 随着反电势电压的下降而减小, 最终电感电流通过电弧释放完毕。

3 结语

本文基于MAYR电弧数学模型, 以及MATLAB电气仿真环境, 搭建了基于民用飞机直流开关关断时产生的电弧回路仿真模型, 并进行了初步仿真。通过仿真结果可以看出, 在负载侧存在感性元件的情况下, 开关关断瞬间, 会产生四五倍电源电压的反电势电压, 随着电感能量的释放, 开关电弧所承受的电压和电流, 经过极短时间下降到稳定值。在此期间, 电弧放电能量, 随着航线运营时间的增长, 开关作动次数的增加, 必然会对直流开关造成不可逆的影响。因此, 有必要设计缓冲回路, 对开关电弧能量释放过程进行优化, 从而延长民用飞机直流开关使用寿命。

摘要：本文首先介绍了民用飞机控制板开关运行过程中电弧效应对系统可能造成的不良影响, 以及电弧效应的国内外研究现状, 然后基于MATLAB/SIMULINK仿真环境, 建立了基于MAYR方程的仿真模型, 对开关电弧效应进行仿真验证, 并给出初步分析结果, 最后验证分析结果的有效性。

关键词：开关电弧,MAYR,仿真分析

参考文献

[1]齐郑, 杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化, 2004, 28 (14) :125.

[2]李烨, 杨炳元, 李博.基于电弧模型的小电流接地系统故障选线分析[J].内蒙古电力技术, 2010, 28 (3) :17-20.

电弧分析 篇2

摘 要：介绍了高速电弧喷涂技术的重要性、工作原理、工艺流程及应用现状等，并重点对主要工艺条件的影响规律进行评述。关键词：高速电弧喷涂，原理，工艺 引言

电弧喷涂技术自从20世纪20年代出现以来,得到了不断的改进,逐步走上成熟化阶段,并向着精密化和自动化的方向发展。在20世纪80年代后，由于普通电弧喷涂的粒子喷射速度的限制且氧化程度比较严重，使电弧喷涂的涂层质量和应用受到一定影响。为此，迫切需要研制新型优质电弧喷涂技术及其设备。高速电弧喷涂技术是在普通电弧喷涂技术上发展起来的一种重要技术,通过对喷涂枪进行改进，提高喷涂粒子的雾化程度和飞行速度来增大涂层与基体的结合强度并降低涂层的孔隙率，可以赋予工件表面优异的耐磨损、防腐蚀、防滑、耐高温等性能。高速电弧喷涂技术的开发和应用不仅具有重要的理论意义，并且在提高涂层性能方面具有巨大的应用价值。本文主要介绍高速电弧喷涂技术的原理、工艺及主要工艺条件的影响规律。高速电弧喷涂技术的工作原理

电弧喷涂技术是以电弧为热源,将熔化了的金属丝用高速气流雾化,并以高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。电弧喷涂示意图如图1所示，喷涂时,2根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地分别接电源的正、负极,并保证2根丝之间在未接触之前的可靠绝缘。当两金属丝材端部由于送进而互相接触时,在端部之间短路并产生电弧,使丝材端部瞬间熔化并用压缩空气把熔化金属雾化成微熔滴,以很高的速度喷射到工件表面,形成电弧喷涂层。

高速电弧喷涂技术是根据气体动力学原理,在传统电弧喷涂的基础上,将高压空气或高温燃气通过特殊设计的喷嘴加速后,作为电弧喷涂的高速雾化和加速熔融金属的动力来源,将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层。图2是高速电弧喷涂技术原理示意图。高速电弧喷涂工艺流程 高速电弧喷涂工艺过程与普通电弧喷涂相似，也由工件表面预处理、电弧喷

图 1 电弧喷涂示意图

图 2 高速电弧喷涂原理示意图

涂、喷后处理和机械加工等工序组成。

3.1 表面预处理工艺

表面预处理的好坏直接影响涂层的结合强度，不洁净的表面甚至会导致涂层的剥落。如果涂层表面有水分、油脂和灰尘时，微粒与表面之间就会存在一层隔膜，不能很好地相互嵌合。如果工件表面光滑，微粒就会滑掉或虚浮地沉积，且随着喷涂层逐渐增厚由于内应力增大而脱落。只有洁净、干燥、粗糙的表面, 才能使微粒在塑性尚未消失时与表面牢固地嵌合, 形成良好的附着条件。件表面预处理包括以下内容：

（1）表面清洗，对待喷涂表面及其相邻近的区域除油、去污、除锈等。（2）表面预加工，对工件进行表面清理, 除去待修工件表面的各种损伤。（3）表面粗糙化，最为常用的方法是进行喷砂处理。

3.2 喷涂工艺

喷涂工艺参数的选择很重要,对雾化粒子的温度和雾化效果有较大的影响,将直接影响涂层的组织结构、工艺性能、力学性能和耐腐蚀性能。喷涂电压一定时,喷涂电流越大,熔化金属颗粒的温度越高, 雾化粒子越细小,金属丝材熔化速 度越快,颗粒表面氧化越严重,涂层氧化物含量增加,降低了涂层颗粒间结合力。工艺实践表明,喷涂电流一般不超过200A为宜。喷涂电流一定时,电弧电压越高,输入的电功率增加,金属丝材熔化加快, 熔融粒子温度升高,粒子氧化严重,继续增加电压,由于送丝速度不变(由喷涂电流决定),容易造成电弧熄灭,不能进行正常喷涂,所以喷涂电压一般不高于36V。

常用材料的高速电弧喷涂工艺规范见表1, 具体使用中应根据具体情况和使用目的进行调整。

表 1 常用材料的高速电弧喷涂工艺规范及主要用途

3.3 喷后处理

一般对喷涂后的涂层进行封孔处理。封孔后的涂层表面颜色应均匀, 无漏喷、浸润不良及大面积流淌等现象。封孔处理后的涂层表面不再进行涂漆处理, 待封孔剂完全固化后即可使用。4 影响高速电弧喷涂涂层质量的因素

一般来说，影响高速电弧喷涂涂层质量的因素有工件的表面预处理质量、高速电弧喷涂工艺规范、压缩空气压力与质量、雾化气流速度、流量和喷枪结构等。

4.1 影响涂层表面粗糙度的因素

雾化气流速度和气流流量、熔融粒子温度、粒子飞行速度和粒子尺寸对涂层表面粗糙度有决定性影响。雾化气流速度和气流流量决定粒子飞行速度，粒子飞行速度越高，熔融粒子撞击工件表面的动能越大，粒子的扁平程度越大，表面粗糙度越小。熔融粒子的温度越高，粒子的高温塑性变形能力越大，涂层的表面粗糙度越小。由于高速电弧喷涂雾化粒子的粒度比普通电弧喷涂的粒子粒度小，并且飞行速度高，因此高速电弧喷涂涂层的表面粗糙度比普通电弧喷涂层的要低，这对某些不需对涂层进行机械加工，而又要求表面粗糙度低的场合特别有利。

4.2 影响涂层致密度的因素

喷涂层的致密度由涂层的粒子尺寸、粒子飞行速度和粒子温度决定。高速电弧喷涂由于雾化效果增强，涂层粒子飞行速度高，动能大，粒子细小，因而涂层高度致密，涂层致密度可以和等离子喷涂涂层相媲美。

4.3 影响涂层结合强度的因素

电弧喷涂涂层的结合强度有两层含义，一是指涂层的内聚结合强度，即金属颗粒之间的结合强度，二是涂层与基体之间的界面结合强度，包括界面拉伸结合强度和界面剪切结合强度。涂层的内聚结合强度直接反映涂层的力学性能，涂层的界面结合强度对涂层的使用性能有决定性影响。涂层界面结合强度低是涂层剥落的主要原因之一。影响涂层界面结合强度主要因素有：

（1）压缩空气的压力和质量。压缩空气压力越高，高速射流区间越大，涂层结合强度越高。一般压缩空气压力不低于0.5MPa。压缩空气的质量越好，空气中所含油分、水分、杂质越少，涂层结合强度越高。

（2）雾化气流流量。雾化气流流量增加，雾化和加速效果明显，确定枪口气流量的大小，要与空气压缩机流量相匹配。

（3）被喷涂工件的表面粗糙度。工件表面粗糙度越高，涂层与基体接触面积越大，基体与涂层之间的机械嵌合作用越大，涂层的界面结合强度越高。（4）喷涂距离。喷涂距离对电弧喷涂涂层的界面结合强度有较大的影响。普通电弧喷涂，喷涂距离在150~200mm，高速电弧喷涂，喷涂距离在150~300mm之间，熔融金属颗粒具有最高的动能，在此区间喷涂可以获得较高的涂层结合界面强度。（5）喷枪的喷涂效率。喷涂枪的喷涂效率越高，相应的喷涂电流越大，熔融粒子的温度越高，有利于涂层界面结合强度的提高。（6）电弧电压。为保证电弧稳定燃烧，喷涂电压应选择中间值。较高的电压对结合强度有不良影响。以较低的电弧电压进行喷涂，有利于提高喷涂的沉积效率、改善雾化效果、提高涂层的硬度和耐磨性。

4.4 影响涂层硬度的因素

在电弧喷涂过程中，涂层硬度的提高是由于熔融粒子撞击基体后的快速冷却引起组织结构的变化和涂层氧化物的存在，以及塑性变形引起的加工硬化。影响涂层硬度的主要因素有：

（1）喷涂丝材的化学成分。对碳钢和合金钢而言，丝材的含碳量越高，喷涂层的硬度越高。铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的硬度主要取决于冷作硬化程度和氧化物含量的多少。

（2）喷涂距离。喷涂距离越大，熔融粒子的碳元素和合金元素烧损越多，而且熔融粒子的温度越低，塑性变形能力越小，涂层硬度降低。

（3）压缩空气压力和雾化气流流量。压力和流量越大，对熔化金属的雾化和加速作用越大，高温熔融颗粒在空气中停留的时间越短，粒子动能大，涂层硬度增加。

（4）喷涂枪的送丝速度。随送丝速度加快，相应喷涂电流增加，喷涂效率提高，颗粒温度升高，撞击工件基体表面后冷却时间延长，冷作硬化程度下降，涂层硬度降低。

（5）电弧电压。电弧稳定燃烧时，喷涂电压越低，涂层硬度越高。高速电弧喷涂技术的应用现状

高速电弧喷涂技术在腐蚀防护以及设备零件的维修、抢修等领域都得到了广泛的应用，表1列出了高速电弧喷涂技术的主要用途。下面是高速电弧喷涂技术的一些应用实例。

5.1 提高常温防腐性能

采用电弧喷涂技术及高速电弧喷涂技术多次对海军某猎潜艇、“远望”号航天测量船等舰船甲板进行防腐治理。经过多年的应用, 证明防腐效果显著, 预计使用寿命可达15年以上。

5.2 提高防滑性能

应用高速电弧喷涂技术制备防滑涂层技术, 研制了防滑专用丝材FH-16, 用于舰船甲板等需要较高摩擦系数的场合。目前, 已应用该技术对海军某猎潜艇主甲板进行了防滑治理, 取得了良好的效果。

5.3 提高耐磨性能 采用高速电弧喷涂技术对一台新引风机叶轮的叶片进行了耐磨处理,喷涂层为“低碳马氏体+3Cr13”复合涂层体系, 涂层厚度为0.5mm, 表面未经任何机加工处理, 预计寿命可成倍增加。

5.4 提高高温防腐性能

采用高速电弧喷涂技术, 喷涂新型高铬镍基合金SL30以及金属间化合物基复合材料Fe-Al/Cr3C2进行高温腐蚀/冲蚀治理, 制备防热腐蚀/冲蚀涂层+高温封孔涂层形成复合涂层体系, 涂层平均厚度为0.2~0.3mm, 防腐寿命可达5年以上。结 语

高速电弧喷涂技术经济性能好、适用性强, 是一项易于推广的高新技术, 是目前大型钢结构防护工程中防腐蚀寿命最长、成本最低的防护技术之一。未来一 段时间内, 高速电弧喷涂技术的发展应主要集中在3方面:（1）开发应用自动化和智能化的高速电弧喷涂设备，研制新型的喷枪结构, 以提高生产效率和质量，改善作业环境；

（2）进一步深入研究高速电弧喷涂层的防腐蚀机理，采用现代化的技术深入分析涂层的失效形式，弄清环境腐蚀机理及工艺参数对涂层性能的影响；（3）为了满足应用范围广、标准要求高的条件，而大力研究复合材料、纳米材料、新型合金或非晶材料等高速电弧喷涂材料。

参考文献

基于故障电弧的伏安特性建模研究 篇3

关键词：故障电弧；伏安特性；建模

中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）10-0031-04

在电力系统中，由故障电弧引起的事故越来越多。在自然环境中开断电路，如果被开断电路的电流（电压）超过某一数值时（在0.25～1.00 A，12～20 V之间），则触头间隙中就会产生电弧，而电弧的温度极高、亮度很强，危害很大，容易引起火灾、爆炸，造成设备损坏和人员伤亡事故。由于产生电弧所需的电压电流，在某些情况下不一定超过额定电压和额定电流，而传统的电路器只有过载保护、短路保护，所以迫切需要对故障电弧进行检测。

电弧的形成需要经过4个物理过程，即强电场放射、撞击电离、热电子发射和高温游离。了解故障电弧的形成原理，才能够有效、准确地对其进行检测，从而实现后期针对故障电弧断路器的开发。本文结合大量的试验数据和电弧原理进行数学建模，总结出故障电弧的伏安特性，为今后故障电弧检测技术的发展及故障电弧断路器的研发提供一定的理论基础。

1 故障电弧静态模型

2 故障电弧静态伏安特性

由故障电弧伏安特性曲线可以得到，当电路工作在2点时，电流为I2，如果瞬间电流大于I2，则Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此时线路电流要相应地减小，一直到点2，使Ldi/dt=0，维持电弧稳定；如果瞬间电流小于I2大于I1，则Ua+iR0，此时线路电流要相应地增大，一直到点2，使Ldi/dt=0，维持电弧稳定；在电路工作于点1，电流为I1时，如果瞬间电流小于I1，则Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此时线路电流要相应地减小，一直到为零为止，使电弧熄灭。

结合上述分析可知：点1为不稳定平衡点，当电路工作于点1时，电弧可以随时熄灭；点2为稳定平衡点，当电路工作于点2时，电弧可以持续稳定燃炽。

2.1 电阻对电弧稳定性的影响

当其他条件不变时，随着R的增加，直线B就以（0，U0）点为圆心按顺时针方向进行旋转，平衡点就由点2沿着曲线A向左的方向移动，一直到点3，直线B与曲线A相切为止。如果电阻持续增大，交点消失，电弧熄灭。如图2所示。

2.2 电源电压对电弧稳定性的影响

在其他条件不变时，随着电源电压U0的减小，直线B就沿着纵坐标向下平移，平衡点由点2沿着曲线A向左的方向移动，一直到点3，直线B与曲线A相切。如果电源电压U0持续减小，交点消失，电弧熄灭。如图3所示。

2.3 电弧伏安特性曲线对电弧稳定性的影响

在电源电压U0、电阻R恒定，电弧长度增加时，电弧伏安特性曲线A便向上的方向移动，平衡点从点2沿着直线B向左的方向移动，即电弧稳定燃炽的电流将逐渐减小，一直到相切于点3。如果电弧伏安特性曲线A持续向上移动，交点消失，电弧熄灭。如图4所示。

3 故障电弧动态伏安特性

当电路处于工频交流电压时，电弧热过程滞后于电过程，电弧与弧柱之间有热惯性，使其之间处于不稳定的平衡状态，则此时的伏安特性就为动态特性。在工频交流电压下，电弧的动态伏安特性曲线如图5所示。

图5中，第一象限表示随着电压U的变化，直线B与电弧静特性曲线A的稳定平衡点的相应变化情况；第二象限表示电压U的半个周期波形曲线图；第四象限表示与稳定平衡点所对应的电弧电流曲线，Iz为燃弧电流，Is为熄弧电流，此时回路电流发生畸变。各类工频交流电弧的伏安特性从电弧电阻和燃炽特性两方面来看，都会有差异。交流电弧的伏安特性与电流数值、电极材料、电弧长度、电弧冷却程变、气体成分及电流频率有很大关系。

5 结论

由上述对故障电弧动态伏安特性、静态伏安特性的分析，还有对故障电弧伏安相位特性的分析，可以得到，电弧的伏安特性与电弧电流值、电极材料、电弧长度、电弧冷却程度、周围气体成分，以及电流频率等因素有很大关系。当发生故障电弧时，上述多个因素的剧烈变化会引起故障电弧伏安特性的剧烈变化，故障电弧伏安特性的剧烈变化会引起每个工频半周期燃弧电压和熄弧电压的不同，而工频半周期故障电弧的线路伏安相位特性由每个工频半周期的燃弧电压和熄弧电压决定，所以发生故障电弧时连续工频半周期的线路电压与电流工频成分相位差变化复杂，并且不满足单调性，这对故障电弧的检测提出了更高的要求。

阻性负载下低压故障电弧特性分析 篇4

随着社会的进步和人民生活水平的提高,居民用电负荷在不断增加,因此用电安全,特别是由于电弧故障而引起的火灾越来越受到关注[1]。 电弧故障断路器AFCI(Arc Fault Circuit-Interrupter)可及时检测到线路中的故障电弧,并在较短的时间内快速切断故障线路,防范因电弧故障而引起的火灾[2]。

故障电弧是2个电势不相等的导体相互接近而引起的,伴随着发声、发光、发热的空气电离现象[3,4,5,6]串联故障电弧是指故障电弧与原线路负载呈串联关系存在。 持续燃烧的串联故障电弧可等效为与原线路负载串联的近似阻性负载,因此发生串联故障时线路电流值受到线路负载的限制,小于正常情况下的线路电流[3,4,5,6,7]。 由于电弧燃烧产生的高温使金属触点融化、挥发,同时被电离的空气不断变化,因此电弧的传导路径及阻抗值均在不断变化之中,这使得故障电弧的持续燃烧存在随机性,发生串联故障电弧时的线路电流变化也存在随机性。

由于阻性负载在常用电器中占很大比例,且串联电弧不容易被检测到[3,6,8,9,10],因此对阻性负载情况下的串联电弧进行分析很有必要。 目前大部分文献仅给出了串联故障电弧电流的时域特征:当线路中发生串联故障电弧时,电流的幅值减小;由于串联电弧的熄灭和重燃特性,每个周期都会出现一段电流瞬时值等于0的时间(称为“平肩部”或“零休”)[11];同时串联电弧状态下的电流上升率也与正常电流有所不同;一个周期内的电流正负半周波形也不再对称文献[12]指出,发生串联故障电弧时电流中的各次谐波因数也会发生变化[13]。 但是以上文献并没有分析线路中的负载对这些特征的影响,专门针对阻性负载进行串联故障电弧分析的文献也较少[14,15]。

本文通过搭建串联电弧检测试验平台,采集不同功率时正常和故障状态下的电流数据,并分别从时域和频域角度,对线路电流进行详细的分析对比探明负载大小对串联故障电弧的电流特征的影响为串联故障电弧的检测提供了可靠的依据。

1试验理论与设备

串联电弧示意图如图1所示。

1.1时域指标计算

a. 零休时间 。

由于串联电弧的熄灭和重燃特性,每个周期都会出现一段电流瞬时值等于0的时间,这一现象称为“平肩部”或“零休”。 统计零休时间的方法:将采样数据按周期进行分组,每组中电流瞬时值的绝对值在设定值以下时判断为电流零休,统计每个周期内零休的总时长即为该周期电流的零休时间。

b. 上升速率。

将一个周期内的离散数据中相邻2个值作差取其中的最大值和最小值表征电流的上升速率。

c. 电流平均值。

电流信号为离散数据时,设每周期采样点数为N,则电流平均值的计算公式为:

其中,ik为采样点k的电流信号。

d. 电流有效值。

离散数据下的电流有效值计算公式为[16]:

1.2频域指标计算

1.2.1快速傅里叶变换

通过对采样信号进行傅 里叶变换FT(Fourier Transform),可以从频域角度分析信号特性[17]。 在计算机中,由于采集的数据是离散的,因此常采用离散傅里叶 变换DFT(Discrete Fourier Transform)求解信号频谱,其缺点是采集的数据长度越大则应用DFT算法的计算量也越大[18]。

快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transform) 是DFT的一种快速算法,运算时间一般可缩短一二个数量级。 每个周期的采样信号为一个长度为N的有限长度序列x(n),对x(n)进行FFT,得到表示各谐波分量大小和相位的序列dj( j=1,2,… ,N),dj为复数[19]。 因为DFT的共轭对称性,保留1~N / 2 - 1次谐波分量系数d′j( j=1,2,…,N / 2 - 1),然后对d′j求模,得到表征各谐波分量权重的序列Dj′( j = 1,2,… , N / 2 - 1),其中基波的权重为D′1。

1.2.2谐波因数

第h次谐波因数HF(Harmonic Factor)定义为第h次谐波分量有效值与基波分量有效值之比,即:

其中,Uh为第h次谐波分量有效值;U1为基波分量有效值。 谐波因数常用于衡量电压波形质量。 本试验选取的电流信号谐波特征向量P如下所示:

将选取的谐波特征向量经过归一化处理后,pj( j = 1,2,… ,N / 2 - 1)即为电流各次谐波分量的谐波因数,它反映了信号各个谐波分量相对于基波的能量权重[20]。

1.3试验平台搭建

目前还没有一种串联电弧数学模型可以精确地仿真各种工作状况下的串联电弧波形,用软件进行模拟得出的串联电弧波形带有一定的误差[21]。 为最大限度地模拟真实情况,减小误差,且实现对串联电弧电流的多次采集,便于分析比较,本文依照UL1699标准[22],搭建了如图2所示的串联故障电弧的实物试验平台[23],其包括开关、电弧发生器、负载、采样装置和示波器等设备。

电弧发生器用于产生持续燃烧的电弧,其结构如图3所示。 它由固定电极和移动电极组成,2个电极中必须有1个的末端是尖锐的,电极相互接触时电路完全闭合。 本试验平台中的固定电极由表面平坦的石墨棒制成,移动电极由一端尖锐的铜棒制成固定电极与移动电极分别与对应的接线柱相连。 调节旋钮与螺杆相连,螺杆的另一端与移动电极相接触,通过转动调节旋钮即可横向调节移动电极,使其接近或远离固定电极,从而改变移动电极与固定电极之间的距离,产生电弧。

1 — 接线柱 ( 接电源 ), 2 — 接线柱 ( 接负载 ), 3 — 调节螺丝 4 — 固定电极 , 5 — 移动电极 , 6 — 弹簧 ,7 — 螺杆 , 8 — 调节旋钮

2试验与结果分析

2.1试验方法

在试验平台上,通过调节移动电极与固定电极之间的距离来产生串联故障电弧,通过示波器分别采集正常和故障状态下电流波形与相关数据。 由于串联电弧产生时存在较大随机性,且考虑到线路电流的大小有可能会对串联电弧的特性造成影响,因此分析时将分别采用功率为800 W和4 000 W的负载进行试验,并分多次采集记录2种状态下的电流波形。

2.2时域对比

采集连续50个周期的电流数据,并按照上文提出的时域指标计算方法进行处理。 由于电弧燃烧具有随机性的特点,且为了更好地体现各时域指标的波动性,本文对连续多个周期的时域指标进行统计得出各时域指标的变化范围。 以连续50个周期的各时域指标为样本,计算各指标的样本方差,称为波动率。 当连续多个周期的某一时域指标比较分散 (即数据波动较大)时,该时域指标的方差即波动率就较大;当该时域指标数据分布比较集中时,该时域指标的波动率较小。 因此波动率越大,表明该时域指标的波动越剧烈;波动率越小,表明该时域指标的波动就越小。 计算及统计结果如表1所示。

由表1可以看出,当线路处于正常状态时,除零休时间外,各时域指标的波动率普遍较小,即各指标的分布较为集中,波动范围很小;负载功率不变时除零休时间外,其他时域指标在故障状态下的波动程度较正常状态下的波动程度更大。 同时还可以看出,无论线路处于正常状态还是故障状态,各时域指标在相同线路状态下的波动范围随着负载功率的增加而增大;负载功率较小时各指标在正常和故障2种状态下的波动范围相差很小(如电流有效值),甚至有相互重合的部分(如电流平均值)。

通过上述分析可以得出,串联故障电弧电流时域特征的变化不仅会受到线路状态的影响,还会受到线路中负载功率的影响,某些时域指标在负载功率较小时不适合作为判定串联故障电弧的可靠依据。 当采用以上几种时域特征编制串联故障电弧检测算法时,线路中的负载功率将对算法有很大影响, 很可能会导致算法检测时间不稳定,甚至使算法误判和失效。

2.3频域分析

将采集的电流数据利用上文提到的频域指标方法进行计算,可得到电流的各次谐波因数。 考虑到串联电弧的随机性特点,对谐波因数进行统计。 图4为负载功率分别为800 W和4 000 W情况下,正常和发生串联故障电弧时30次以内的谐波因数对比表2为不同负载情况下正常和故障状态时10次以内谐波因数变化情况统计。 由图4和表2可以看出在10次以内的谐波中,正常状态下,2、4、6、8等偶次谐波因数较小,而3、5、7等奇次谐波因数较大。 发生串联故障电弧时,高次谐波的成分总体变化较大,其中奇次谐波成分较偶次谐波成分变化程度小,并且随着线路电流的增大,偶次谐波因数较奇次谐波因数有更明显的增加。

2.3.1奇次谐波变化对比

图5(a)为负载功率为800 W时3、5、7、9等奇次谐波因数在正常和发生串联故障电弧状态下的对比,串联故障电弧在第10个周期之后产生。 由该图可以看出,正常情况下,3次和9次谐波因数较高,5次和7次谐波因数较低,且各奇次谐波因数基本保持恒定,波动范围很小;而在故障状态下,各奇次谐波因数均有所上升,且随着电弧的持续燃烧,奇次谐波因数变化剧烈,其变化剧烈程度按3、5、7、9次顺序减弱。

图5(b)为负载功率为4000 W时各奇次谐波因数在正常和串联故障电弧状态下的对比,由该图可以看出,在线路电流较大时,各奇次谐波因数变化规律与800 W时相似,其波动范围有所增加。

2.3.2偶次谐波变化对比

图6(a)为负载功率为800 W时,2、4、6、8、10等偶次谐波因数在正常和串联故障电弧状态下的对比,串联故障电弧在第10个周期之后产生。 由该图可以看出,正常状态下,各偶次谐波因数均维持在较低水平,基本保持恒定,波动范围较小,这是因为线路电流为正弦波,每个周期内正负半周的波形对称; 而在故障状态下,由于电流波形不再对称,各偶次谐波因数均有所上升,且随着电弧的持续燃烧,偶次谐波因数有较为剧烈的变化,其变化剧烈程度按2、4、 6、8、10次顺序减弱。

图6(b)为负载功率为4 000 W时,偶次谐波因数在正常和串联故障电弧状态下的对比,由该图可以看出,当线路负载增大时,正常状态下各偶次谐波因数变化规律与负载功率为800 W时相似,其中2、4次谐波因数波动范围变大,10次谐波因数波动范围变小,6、8次谐波因数波动范围基本不变;由于此时的电流波形不对称程度加剧,故障状态下的偶次谐波因数的变化也更加剧烈,其变化剧烈程度按2、6、4 8、10次顺序减弱。

通过对表2的分析可以看出,正常状态下,2种负载下的各偶次谐波因数的波动范围大致相同。 而故障状态下,除10次谐波外,大功率负载情况下各次谐波因数波动的上下限值较低负载情况下有所上升,且各次谐波因数的变化范围均有所扩大,轻、重负载情况下的波动范围均有重合部分。

2.4统计结果分析

对比表1和表2可以发现,当线路状态相同时2种功率下的电流时域指标波动率相差至少一个数量级,时域指标在大电流情况下波动更加剧烈,电流的时域指标受负载功率影响较大;而2种功率下的大部分谐波因数的波动率相差较小,基本处于同一数量级,谐波因数的波动程度相似,这表明电流的谐波因数受负载功率影响相对较小。

但表2同时表明,大部分的谐波因数在正常状态下的变化范围上限值和故障状态下的变化范围下限值之间并没有较为明显的界线,因此谐波因数的大小也并不能作为充分判别串联故障电弧存在的依据。

从上文分析中还可以看出,发生串联故障电弧之后的高次谐波因数均会发生较大范围的波动,线路电流在发生串联故障电弧时奇次谐波中的3、5次谐波因数,偶次谐波中的2、4、6次谐波因数变化明显。 综合以上分析可以得出,选取2~6次谐波因数及其变化率作为判定串联故障电弧的标准较为合理,当这几次谐波因数中有若干次发生剧烈波动时,即可判定线路中存在串联故障电弧。

3结论

手工电弧焊操作技能教案 篇5

手工电弧焊操作技能

教学目标：

知识与技能：了解手工电弧焊的概念及药皮的作用。过程与方法：

1、理解焊接坡口的概念及开坡口的目的。

2、掌握常用的运条方法及焊道的连接与收尾。

情感态度价值观：由浅入深，结合视频，培养学生勇于动手去焊接的精神。教学重点：手工电弧焊操作技能 教学难点：焊接坡口及运条方法 教学方法：讲授法 教学准备：多媒体教学 教学过程：

（一）导入：

复习导入：

1、焊接的概念及分类。

2、焊接接头的种类及接头型式

3、焊接电弧的偏吹

（二）新授：

一、手工电弧焊的概述 1.手工电弧焊的概念：

手工电弧焊（焊条电弧焊）是利用焊条和焊件之间的电弧热使金属和母材熔化形成焊缝的一种焊接方法

2、焊条的概念：

焊条就是带有药皮的供手工电弧焊使用的熔化电极。焊条规格以焊芯直径来表示。其长度依焊条规格材料、药皮类型等不同而不同，通常在200▬500mm之间。

（1）、焊芯：

焊芯就是被药皮覆盖的金属芯，其作用是传导电流，产生电弧，并且在熔化后作为填充金属与被熔化的母材熔合形成焊缝。

焊芯金属约占整个焊缝金属的50％-70％，因此焊芯的化学成分直接影响焊缝质量。焊芯用钢丝为焊接专用钢丝，经特殊冶炼制成，单独规定了其牌号和化学成分。

如用于埋弧焊、电渣焊、气体保护焊、气焊等熔焊方法中作为填充金属时，称为焊丝。

（2）、药皮的作用：

1保护作用： ○焊接时，涂层熔化后产生大量的气体，使熔化金属与空气隔离开来，形成一个很好的保护层。涂层熔化后形成熔渣，覆盖着熔滴和熔池。这样不仅隔离开空气中的氧气、氮气，保护焊缝金属，而且降低了焊缝冷却速度，促进熔池中气体逸出，减少气孔生成，并改善焊缝成形和结晶。

2冶金作用： ○药皮中加有脱氧剂，通过熔渣与熔化金属的化学反应，减少氧、硫等有害杂质对焊缝金属的危害，使焊缝获得符合要求的力学性能。

3渗合金作用 ○4改善焊接工艺性能： ○在药皮中加入低电离电位的物质，可以提高电弧燃烧的稳定性；焊接时，在焊条端头形成一小段涂层套管，套管使电弧热量更集中，使电弧燃烧更稳定，并可减少飞溅，有利于熔滴向熔池过渡，提高了熔敷效率。（3）、焊条的选用原则：

① 工件的力学性能和化学成分。② 工件的使用性能与工作条件。③ 工件的结构特点和受力状态。④ 施工条件及设备。⑤ 改善工艺性能

⑥ 降低成本，提高生产率

二、焊接坡口：

1、概念：

根据设计或工艺需要，在焊件待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽，称为坡口。

2、开坡口的目的：

为了保证电弧能深入接头根部，使接头根部焊透，以及便于清渣获得较好的焊缝成形，而且坡口能起到调节焊缝金属中的母材和填充金属的比例作用。

三、运条方法： 1．焊道的起头

起头时焊件温度较低，所以起点处熔深较浅，可在引弧后将电弧稍微拉长，对起头处预热，然后再适当缩短电弧进行正式焊接。2．常用的运条方法：

3．焊道的连接：（1）、尾头相接：尾头相接是以先焊焊道尾部接头的连接形式，这种接头形式应用最多。（2）、头头相接：头头相接是从先焊焊道起头处续焊接头的连接方式。（3）、尾尾相接：尾尾相接就是后焊焊道从接口的另一端引弧，焊到前焊道的结尾处，焊接速度略慢些，以填满弧坑，然后以较快的焊接速度再向前焊一小段再熄弧。（4）、首尾相接：首尾相接是后焊焊道的结尾与先焊焊道的起头相连接，利用结尾 时的高温重复熔化先焊焊道的起头处，将焊道焊平后快速收尾。4.焊道的收尾

焊道的收尾是指一条焊道结束时如何收弧。

（1）划圈收尾法：焊条移至焊道终点时，利用手腕动作使焊条尾端作圆圈运动，直到填 满弧坑后再拉断电弧。此法适用于厚板焊接，对于薄板则容易烧。

（2）反复断弧收尾法：焊条移至焊道终点时，反复在弧坑处熄弧，一引弧一熄弧多次，直至填满弧坑。此法适用于薄板和大电流焊接，但碱性焊条不宜采用，否则易出现气孔。（3）回焊收尾法

焊条移至焊道收尾处即停止，但不熄弧，适当改变焊条角度，焊条由位置1转到位置2，填满弧坑后再转到位置3，然后慢慢拉断电弧，碱性焊条常使用此方法熄弧。

（三）、小结：

1、手工电弧焊的概念及药皮的作用。

2、焊接坡口的概念及开坡口的目的。

3、常用的运条方法及焊道的连接与收尾。

（四）、作业：

1、手工电弧焊的概念及药皮的作用。

2、焊接坡口的概念及开坡口的目的。

浅析焊接过程中的电弧偏吹 篇6

在正常焊接过程中,电弧的轴线总是沿着电极中心线的方向。即使焊条倾斜于工件时,仍有保持轴线方向的倾向。然而电弧是由气体电离构成的柔性导体。因此,受外力作用时,很容易发生偏摆。电弧偏吹使电弧燃烧不稳定,影响焊接质量。造成电弧偏吹的原因很多,主要有焊条偏心度过大、电弧周围气流的干扰、磁场的影响。这些电弧偏吹一般通过选用偏心度符合国家规定的焊条、调整焊接角度、遮挡气流等就可以消除或减少;另一种就是电弧磁偏吹,其产生原因有接地线位置不明确、焊条与焊接件位置不对称,还有就是周围有铁磁物质。在长距离的管线焊接施工过程中发生的电弧偏吹,严重时会将焊丝、焊条吸到一边,这将严重影响焊接过程和焊缝成形。

一、磁偏吹产生的原理

焊接电弧是气体放电的一种形式,它是由电子、正离子、负离子和中性的气体分子或原子组成,并伴随有激烈的电离反应且向一定方向,其宏观上是中性的,但微观上却是正、负电荷分离,且向一定方向运动形成电流,在电弧周围产生磁场。因此,如果因为某种原因使电弧自身所产生的磁场均匀性分布遭到破坏,电弧就会由于四周受力不均匀偏离焊条的轴线方向,即产生了磁偏吹现象,如图1所示。

这些破坏电弧自身磁场均匀性分布的因素有:电流在流过工件的方向上产生的磁场、焊件上的剩磁以及焊接部位周围存在其他磁场等。

管道焊接施工时,通过选择接地线的连接方式和连接位置,可以比较容易消除和减少电流流过工件引起的磁偏吹,所以一般不会对焊接过程造成大的影响。

长输管道现场焊接施工大多是在野外环境下进行的,施工场地沿着管道的延伸方向不断变化,因此施工场地周围磁场引起的磁偏吹不容忽视。一般情况下,这种由于施工场地周围磁场引起的磁偏吹不是很严重,但由于引起的原因难以判断,往往难以消除,常常是在较长的管道焊接施工过程中一直存在,给焊接过程造成较大困难。

管线钢为硬磁材料,其特点为充磁后容易保留部分磁性,因此施工作业环境周围的磁场及施工作业过程中遇到过磁性物质等将使焊件上留有剩磁,从而使后面的焊接过程产生磁偏吹。如果焊口剩磁强度超过一定值,磁偏吹现象将会很严重,甚至无法施工。

二、磁偏吹对焊接质量的影响

磁偏吹使焊接电弧飘移,严重时甚至无法施焊。由于长输管道现场焊接施工为对接环焊缝,采用对称施焊,因而通常情况下磁偏吹对根部焊缝的焊接过程影响较大,而对其它焊层的影响相对较小。

磁偏吹的存在使电弧燃烧不稳定,加在弧柱上的作用力也不稳定,熔滴过度不规则,导致了焊缝成形不规则,造成连续或断续咬边、根部未焊透、根部熔合不良等缺陷,如图2所示。

磁偏吹的存在还削弱了电弧周围的保护气氛,使熔池中易混入有害气体,从而引起气孔、夹渣等缺陷。

三、管道焊接施工中消除和减少磁偏吹的方法

采用交流电源或脉冲电源代替直流电源,用小电流、短弧焊接,对于长、大的工件可采用两端连接地线的方法等。但长输管道由于焊接施工大多在野外环境中进行,对施工环境、焊接材料、焊接设备等难以进行选择,且管口的剩磁很难消除,采用上述方法往往效果不明显。因此经常采用的方法有:

1.地线接地法

进行焊接施工时,将焊接电源的接地线接至焊接坡口内,再从焊接坡口内地线连接点处接出金属线连到泥土中。这种方法对于地线位置不正确、坡口切割的等原因造成的一般性磁偏吹有较好的效果。

2. 焊缝滑块法或点焊法

在管道焊接施工中,在坡口焊缝根部焊接时,往往产生强烈的磁偏吹,这是由于两个对接管段管口处的磁场强度不一样。因此,在焊缝坡口内放置滑块,或用氩弧焊的方法均匀点焊4至6个点,然后再进行根焊,磁偏吹现象可大大减小。

3. 焊接电缆缠绕法

根据磁偏吹方向判断磁场的方向,将焊枪电缆的中部在管口的任一端缠绕数圈,在线圈通电的同时进行焊接。

四、几点结论

在长输管道焊接施工中常常采用地线接地法来消除和减少磁偏吹,一般可以获得满意的效果。

对于旧管道进行焊接施工,因旧管道具有较大的剩磁强度,从而造成严重的磁偏吹,采用焊缝滑块法或点焊法可大大减小磁偏吹现象。

焊接电缆缠绕法由于在操作上有一定的难度,在管道焊接施工中较少采用。

电弧分析 篇7

随着社会的发展,许许多多的液体、气体都需要用到容器来储存运输,容器在日常生活中也应用的越来越广泛,而容器所能承受的压力大小它的封头起着至关重要的作用。

封头是压力容器必不可少的一部分,封头的种类很多,由于封头的加工不能一次压制成形,所以本产品是拼焊而成的。1060铝有良好的延伸率以及抗拉强度,完全能够满足常规的加工要求(冲压,拉伸)成型性高。可气焊、氢原子焊和接触焊 , 不易钎焊 ;易承受各种压力加工和引伸、弯曲。

1 铝 1060 焊接性分析

1.1 材料焊接性分析

铝1060的理化性能及机械性能与钢有很大的差别,易氧化、导热快、热容量和线膨胀系数大、熔点低、高温强度小、固液态转变时无明显的颜色变化等特性。其焊接过程容易产生如下缺陷 :

1.1.1 易氧化

铝1060和氧的亲和能力很大,在常温下铝容易同氧化合,在铝的表面生成致密的三氧化二铝薄膜,能防止金属的继续氧化,对自然防腐蚀有利,但是给焊接带来了困难。

1.1.2 容易产生气孔

由于铝1060中不含碳,不存在生成CO气孔的条件,而氮又不溶于铝,因此一般认为铝1060产生气孔的主要原因是氢。在铝的熔池凝固过程中析出氢一方面形成新的微小的小气泡,另一方面将扩展到已形成的微小气泡中,并使它发展长大。

1.1.3 焊接热裂纹

铝1060非热处强化合金在杂质含量超过规定范围,或刚性很大的不利条件下会产生裂纹。铝1060产生热裂纹的原因与它的成分和焊接应力有关。由于铝1060的线膨胀系数比铁将近大一倍,而其凝固时收缩率又比铁大两倍,因此铝焊件的焊接应力大。

1.2 结构焊接性分析

(1)纯铝容器在空气和氧化性水溶液介质中,其表面以产生致密的氧化膜和钝化膜它在一些氧化性介质中具有良好的耐蚀性。

(2)纯铝是面心立方晶格,没有同素异构体,低温下不存在像铁素体钢那样的脆性转变,铝容器的最低设计温度可达 -269℃。纯铝常作为制作低温容器的材料,而且均不要求进行冲击韧性检验。

(3) 纯铝的规定非比例伸长应力很低,在小的载荷下即会产生塑性变形。铝容器在使用与运输时,应注意防止碰撞剧烈振动发生塑性变形。

2 焊接工艺

2.1 焊接材料分析

铝1060焊接时可 以选用焊 条E1100( 型号L109)。该焊条的成分与母材相同,且强度与母材相近,价格也比较便宜,所以选择焊条L109作为焊材。

L109(型号E1100)是以纯铝为焊芯、药皮为盐基型的铝焊条。用于焊接铝板、纯铝容器及要求不高的铝合金构件。

2.2 焊前准备

2.2.1 设备的选取

由于铝的热导率比较大,所以焊接时必须要有足够的热输入能量,并要保证电弧要足够的稳定。所以为了稳定电弧,达到阴极破碎的作用,提高焊接质量,因此焊接采用直流反接电源。

2.2.2 备料

该产品采用铝1060(L2)工业纯铝。由于封头的板材比较厚大所以采用数控等离子切割下料,不宜采用气割。采用数控等离子切割,速度比气割快,精度高、质量好,坡口不易挂渣(下料尺寸见备料工艺卡)。划线、号料时应考虑焊接收缩变形量及零件加工余量,且号料和划线的尺寸公差应符合铝制压力容器制造标准。

2.2.3 清理

封头坡口的化学清洗的工艺参数见表3

3 焊接工艺要点

因封头为厚大铝件,为使坡口附近达到所需的焊接温度,以防变形和减少气孔等缺陷,焊前用两把大号焊炬(氧 - 乙炔焰)进行预热,温度为250 ~ 350℃左右。由于铝在高温时不变色,预热时可在铝件上划红色粉笔线,当线条颜色与铝相近时,即可开始焊接(点固焊时也需要预热)。

焊接时,为保证焊缝不出夹渣、未焊透等缺陷,在焊完外侧所有焊缝的1、2层后,将封头翻转,用薄砂轮清理所有的焊根,然后焊接3、4、5各层,最后翻转焊接第6层。每一层,必须将药皮清除掉,并用电动钢丝轮打,磨干净为防止结构较大的变形,内外侧焊缝可采用对称焊接,如图1所示。

焊接时,封底焊焊 条不作摆 动,填充焊和盖面焊应作一定的摆动,以增加容宽。铝焊条极易受潮,所以使用前应在100 ~ 150℃烘干后再使用。否则在焊接中,因水分的蒸发而使焊缝产生气孔。焊接工艺参数如表4所示 :

4 结论

电弧分析 篇8

电弧炉是利用电弧能来熔炼金属的一种电炉, 在冶金行业得到了广泛的应用[1,2]。电弧炉在生产过程中功率因数低, 负荷电流变化大且频繁, 易产生有害的高次谐波电、负序电流和三相不平衡, 这一系列对电网不利影响的因素, 对用户和供电电网的电能质量危害比较严重[3]。

静止无功补偿器 ( Static Var Compensator) 是由电容器和晶闸管所控制的投切电抗器等组成。 由于晶闸管对于控制信号反应迅速, 并且通断次数也可以不受限制, 所以具有快速动态补偿、快速响应的特点。SVC可向电弧炉快速提供无功电流并且稳定母线电网电压和分相补偿, 最大限度地降低闪变, 三相不平衡负荷及冲击负荷的影响。同时, 滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。

本文阐述静态无功补偿兼谐波治理装置在电弧炉系统中的实际应用, 工程实践表明能有效改善电弧炉系统的功率因数、减少谐波污染, 能为企业节约成本, 降低设备维修费用, 可实现节能降耗, 具有较好的直接或间接经济效益。

1电弧炉基本情况

某炼钢厂主要用能设备为1台160t/h的电弧炉, 电弧炉基本情况如表1所示。炼钢电弧炉具有非常滞后的功率因数和变化频繁的不平衡负荷。 无功电流波动幅度大和不稳定造成了系统中电压的波动, 若生活用电也接在同一电网上, 系统电压波动将会造成灯光闪烁并对电视机和其他用电设备产生干扰, 比如: 导致电网三相电流输出严重不平衡, 产生较大的负序电流; 产生大量谐波, 其中以2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波为主, 使电网电压畸变严重造成无法接受的电压闪变; 电弧炉正常生产时, 功率因数长期徘徊在0. 72左右, 功率因数有时降低到0. 4以下。

2工况和方案设计

为彻底解决上述问题, 在负荷侧安装具有快速响应的动态无功补偿器 ( SVC) 。SVC系统响应时间小于10ms, 完全可以针对电弧炉负荷, 快速提供无功电流并且稳定电网电压, 增加有功功率的输出, 提高生产效率。同时, 最大限度地降低闪变的影响, SVC还具有分相补偿功能, 可以消除电弧炉造成的三相不平衡。滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。SVC由一次开关系统、调节系统、补偿系统、 设备保护系统、监控调节系统和晶闸管阀冷却系统组成。

该公司投运的SVC属于晶闸管阀相控电抗器型 ( TCR) 结构, 安装容量为180mvar, 主要技术参数及配置如下:

安装容量300mvar; 基波容量180mvar; 滤波器容量 ( 基波容量) 配置分4个支路, 分别为2次C型 ( 43mvar) 、3次 ( 40mvar) 、4次 ( 49mvar) 、5次 ( 48mvar) 三组单调谐滤波器。

该SVC由中国电力科学研究院提供, SVC系统在额定运行工况下的总损耗为1314. 7k W, 不超过0. 75% , 各部分损耗计算结果如表2所示。

k W

3效果分析

3.1电能指标

该公司炼钢厂SVC投运后保证公司对电网考核点 ( PCC点) 的电能质量指标满足国家相关标准, 主要有: 《电能质量 - 公用电网谐波》 ( GB / T14549 - 1993) 、《电能质量 - 电压波动和闪变 》 ( GB12326 - 2008) 、《电能质量 - 三相电压不平衡》 ( GB /T 15543 - 2008) 和《电能质量 - 暂时过电压和瞬态过电压》 ( GB /T18481 - 2001) 。同时, 保证公司变电站220k V侧功率因数在0. 98以上, 实际测试结果如下。

1) 对电压波动和闪变的改善。

采取治理措施后, 当1台电弧炉和1台精炼炉运行, 投入SVC装置后, 220k V母线电压波动降为0. 51% , 满足国标限值 ( 1. 5% ) , 闪变值降为0. 62, 满足国标限值 ( 0. 8) ; 当2台电弧炉和2台精炼炉同时运行, 投入2套SVC装置后, 220k V母线电压波动降为0. 65% , 满足国标限值 ( 1. 5% ) , 闪变值降为0. 78, 满足国标限值 ( 0. 8) 。

2) 对三相不平衡的改善。

采取治理措施后, 当1台电弧炉和1台精炼炉运行, 投入SVC装置后, 电弧炉和精炼炉引起华圃变电站220k V母线三相电压不平衡度为0. 34% , 符合国家标准的要求; 当2台电弧炉和2台精炼炉运行, 投入2套SVC装置后, 电弧炉和精炼炉共同引起变电 站220k V母线三相 电压不平 衡度为0. 68% , 符合国家标准的要求。

3) 对谐波的改善。

SVC安装以后, 除了有效控制电弧炉无功功率对电网的冲击以外, 还能有效降低电弧炉工作时产生的谐波, 电压谐波总畸变率下降达39. 6% 。 改造前后谐波如图1所示。

3.2节能量确定

节能量的计算是根据《节能项目节能量审核指南》 的通知 ( 发改环资[2008]704号) 的有关规定进行。

通过在电弧炉值班室使用生产监控软件可以得到电弧炉每一炉的生产电力数据。从随机抽取的生产数据, 可以看到电弧炉生产平均功率因数为0. 72 ( 感性无功) ; 而使用FLUKE 430电能质量测试仪测量35k V母线, 可以得到经过SVC补偿后的35k V侧功率因数, 为0. 86 ( 容性无功) 。2012年电弧炉用电35914. 2万k Wh。

为了满足生产需要, 将感性无功补偿到容性无功, 而从节能的角度考虑, 功率因数0. 86 ( 容性无功) 仍按功率因数0. 86 ( 感性无功) 计算更为合理, 即可看作功率因数由0. 72 ( 感性无功) 补偿到0. 86 ( 感性无功) 。

功率因数 φ1= 0. 72时, 无功电量Q1为:

功率因数 φ2= 0. 86时, 无功电量Q2为

由式 ( 1) 和式 ( 2) 可得需要补偿的无功电量Q为:

式中: Q—负荷所需补偿的容性无功量, kvar; P—母线上的平均有功负荷功率; φ1—补偿前的功率因数角; φ2—补偿后的功率因数角。

采取并联电 容器补偿, 将 φ1、φ2和p =35914. 2万k Wh代入式 ( 3 ) , 得应补偿无功电量13306. 2万k Wh。由于电弧炉及SVC装置所在母线在公司属于只经过一级变压 ( 电能由华联甲、乙线到达220k V站后, 经过1#或4#主变到达35k V电炉母线) , 无功功率经济当量取值范围为0. 04 ~ 0. 07[4]。电力折标煤 系数取3. 5吨标准煤/万k Wh, 项目的节能量为1862. 9tce, 该项目获得当地政府节能专项资金项目计划的奖励。

4结语

工程实践表明: 电弧炉系统中静态无功补偿装置除了有效控制电弧炉无功功率对电网的冲击有效降低电弧炉工作时产生的谐波以外, 还能提高生产效率, 降低对通讯、电能计量、自动控制装置和继电器保护的干扰, 提高用户和供电电网的安全性能。对电弧炉用户的节能降耗具有一定的借鉴和推广价值。

摘要：某钢铁公司电弧炉在运行过程中谐波电流含量多, 总负荷的功率因数较低, 能耗较高。为改善负荷情况, 提高功率因数, 降低谐波, 采用静态无功补偿。结果表明:电弧炉系统中应用静态无功补偿装置对提高企业生产效率和设备可靠性具有积极的作用, 同时, 能够节约大量电能, 具有较高的经济效益。

关键词：电弧炉,谐波,无功补偿,节能

参考文献

[1]张定华, 桂卫华, 王卫安, 等.大型电弧炉无功补偿与谐波抑制的综合补偿系统[J].电网技术, 2008, 32 (12) :23-29.

[2]刘小河, 杨秀媛.电弧炉电气系统谐波分析的频域方法研究[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (2) :30-35.

[3]吴杰.大型电弧炼钢炉SVC方案设计及其实际效果[J].电网技术, 2003, 27 (1) :76-79.

电弧分析 篇9

在电力系统中, 交流串入直流回路, 除了具有金属性直流接地所有的危害外, 还会引起保护装置的误动作, 甚至会损坏继电保护及自动装置。某发电厂发生了一起特殊的由电弧引起的交流串入直流回路的异常情况。

该厂装机容量为3×135MW机组, 每台机配两段6kV厂用工作电源段, 另外, 3台机脱硫系统配专用脱硫段工作电源, 以上每段工作电源段各配一路备用电源段, 并配置微机型备用电源自投装置 (以下简称备自投) 。

在做3#机交流润滑油泵定期合闸试验时, 1#机6kV-Ⅰ段备自投装置启动将该段备用电源开关合闸;在启动3#机交流润滑油泵时, 2#机6kV-Ⅳ段备自投装置启动将该段备用电源开关合闸;同样是在启动交流润滑油泵时, 又发生6kV-Ⅰ段备用电源开关和脱硫段备用电源开关因备自投启动而同时自动合闸;对以上现象进行验证性试验, 又出现6kV-Ⅰ段、Ⅳ段、脱硫段备用电源自投装置同时启动而自动合闸, 3#主变110kV侧开关油泵也自动启动。需要说明的是, 之前交流润滑油泵主电源接触器烧损, 检修人员将其更换为ABB A145型进口接触器, 该接触器较原接触器体积大、重量沉。

此后, 在每次启动3#机交流润滑油泵时, 都会发生不同电源段的备自投装置启动而备用电源开关合闸的情况。备用电源开关合闸时工作电源开关均未跳开, 且交流润滑油泵启动时是不同的电源段或同时或不同时启动合闸。

2 检查及试验情况

2.1 检查情况

异常发生后, 全面检查各段工作电源开关, 运行正常, 各动力设备无异常, 也未启动如给水泵等大功率设备, 录波器及机组DCS历史记录显示电流、电压稳定;观察备自投装置面板上“动作”信号灯亮, 备自投装置事件记录显示为控制台手动切换, 说明是备自投装置启动后备用电源开关合闸, 查看热工DCS系统历史记录, 排除运行人员误操作。

3#机交流润滑油泵为400V低压动力, 其控制箱装设在3#汽机房内, 控制回路为采用电磁型继电器控制的典型接线 (见图1) ;6kV工作、备用电源开关为微机型高压动力测控装置, 对交流润滑油泵及6kV各段工作、备用电源开关辅助接点、控制回路、电缆等的接线、绝缘电阻、屏蔽层等进行全面检查, 均未发现异常情况, 备自投装置各项试验、开关分合良好。

由于6kV各工作电源段及脱硫段开关室与3#机交流润滑油泵之间相隔较远, 在一、二次系统上相互独立, 且测量交流润滑油泵交、直流之间的绝缘电阻良好, 也排除了运行人员误操作原因造成的开关误合闸。唯一存在联系的就是直流电源部分, 1#、2#直流系统正常运行时通过母联连接, 需重点检查3#机交流润滑油泵启动时对直流电源的影响。

2.2 开关分合闸试验

对3#机交流润滑油泵多次进行分合闸试验, 观察各段快切装置动作情况, 结果如下:

1) 用示波器监视6kV-Ⅰ段快切装置直流电源, 将交流润滑油泵交流电源保险断开, 从控制台操作发出交流润滑油泵合闸令, 只发合闸脉冲, 开关不合闸, 此时, 6kV各段备自投装置及开关正常, 未出现误合闸现象, 示波器显示直流电源为一条直线, 无异常。

2) 断开交流润滑油泵直流电源开关, 用手按住交流润滑油泵的合闸继电器HJ, 使润滑油泵带泵启动, 备用电源开关、备自投装置及直流电源波形未出现异常。

3) 断开交流润滑油泵电机, 从控制台操作发出交流润滑油泵合闸令, 此时只空合润滑油泵接触器, 不带油泵, 则发生同正常启动交流润滑油泵时相同的情况, 6kV-Ⅰ段、Ⅳ段及脱硫段快切装置或同时或不同时启动, 相应的备用电源开关合闸, 同时备自投装置内部有继电器抖动的声音, 观察示波器发现直流电源回路中有交流量波形出现。

4) 将交流润滑油泵交、直流电源全部停电, 再次测量交、直流回路之间的绝缘电阻, 为1000MΩ, 无异常。

由此可判断, 交流润滑油泵在启动期间对直流电源系统产生了干扰, 润滑油泵控制回路中, 其交、直流系统之间存在特殊情况下的寄生回路, 因此, 为弄清寄生回路的根源, 做了进一步试验。

启动交流润滑油泵时, 派专人在现场观察控制箱内接触器、继电器等的动作情况。在合闸命令发出后, 发现交流润滑油泵跳闸继电器 (型号为DZ-15) 接点抖动严重, 其接于交流合闸保持回路中的一对常闭接点TJ2在接触器线圈C中的励磁电流流过时, 因抖动产生较为强烈的电弧, 而另一对接在直流跳闸回路中的常开接点TJ1与常闭接点共用动触头, 且两对接点距离较近 (见图2) , 该电弧即是存在于交、直流系统之间的寄生回路, 它将两对分别接在交、直流回路中的接点连接在一起, 交流电源通过该电弧串入直流电源, 造成直流系统接地。

当发生直流接地或交流串入直流系统时, 通过分布电容构成回路, 产生电容电流, 引起一些动作值较低的灵敏继电器动作。

试验中发现, 跳闸继电器之所以抖动, 是因为接触器与跳闸继电器TJ固定在同一横梁上, 且新更换的接触器体积和重量都增大, 合闸瞬间, 接触器由于线圈励磁产生的震动强度较大, 带动继电器震动而引起其接点抖动, 致使接触器线圈励磁电流在流经继电器接点时产生电弧。

另外, 对备自投装置内用于判断工作电源开关位置状态的中间继电器的直流动作功率进行测试, 为0.8W, 当加交流220V交流电压时, 该继电器也会动作。

3 处理措施

1) 将跳闸继电器TJ与接触器的安装在不同的横梁上, TJ改为固定在开关箱下部, 防止因接触器震动受到影响。

2) 将接在交流合闸保持回路中的跳闸继电器常闭接点使用继电器左侧的接点, 而将接在直流跳闸回路中的跳闸继电器常开接点使用继电器右侧的接点, 两对接点不再共用动触头, 且在距离上相隔较远。

3) 将备自投装置内用于判断工作电源开关位置状态的中间继电器更换为大功率继电器, 并采取抗干扰措施, 在中间继电器两端加装RC回路来提高保护中间继电器抗干扰的能力, RC回路既能吸收交流量, 而对直流回路几乎没有影响, 同时还能起到继电器线圈两端续流二极管的消弧作用。RC应根据U=UNe-t/t选择, 保证充电电压不足以使中间继电器动作。

采取以上措施后, 经多次拉合3#机交流润滑油泵, 6kV各段备用电源开关及备自投装置等设备均运行正常, 未出现误动情况。

4 结束语

因电弧引起的交流串入直流回路而造成设备异常的情况比较少见, 其隐蔽性强。当交流串入直流回路后, 相当于在直流系统接地的基础上又增加了一个交流电源, 它比单纯的直流系统接地带来的危害要大, 使直流电源纹波系数远大于2%, 还会对集成电路、微机保护等精密度较高的设备造成伤害, 应认真分析、查找原因, 并采取有效地措施。

摘要：介绍了一起由于电弧引起的交流串入直流回路造成厂用备用电源开关误合闸的异常情况, 通过试验、检查、分析, 找出了异常的原因并采取相应的处理及防范措施。

关键词：电弧,交流,直流

参考文献

[1]蔡仁刚.直流供电原理设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.

[2]能源部西北电力设计院编.电力工程电气设计手册[M] (电气二次部分) , 北京:中国电力出版社, 2005.

电弧分析 篇10

短电弧切削技术是指在带一定压力水气混合工作介质作用下, 利用两个电极之间产生的受激发短电弧放电来蚀除金属或非金属导电材料的一种电切削方法。它是一种新型的强焰流、亚离子流、弧流切削加工技术[1], 是一项具有我国自主知识产权的原创性技术。

短电弧加工与已有的特种电加工方法相比, 加工生产率显著提高, 每分钟金属去除量可达900 g～1 500 g, 对加工环境无特殊要求, 特别适合加工特硬、超强、高韧性等难加工材料, 有效地解决了采用常规机械方法难于加工这类材料的技术难题[2,3]。

由于其加工工艺可与传统加工工艺有效结合, 因此其工艺适用范围及高效实用性将更加明显。与此同时, 数控技术也逐步应用到短电弧加工中, 使其操作更加方便、灵活。数控短电弧加工机床结构简图如图1所示。

2试验数据

试验平台:DHZK6330实验数控短电弧机床;试件材料:试块, 35钢, HRC28, 60 mm×28 mm×16 mm;加工方式:端面切削;试验指标:试验试块的表面质量以表面粗糙度和影响层厚度的综合评分为指标。试验结果见表1。表1中, 表面质量综合评分y=表面粗糙度×0.07+影响层厚度×0.03。

3建模与分析

首先, 对表1中的加工参数即液体压力p1 (x1) 、气体压力p2 (x2) 、进给量L (x3) 、相对切削速度v (x4) 与工件表面质量综合评分 (y) 建立数学模型;其次, 利用MATLAB 软件对已建立的数学模型的未知量进行求解, 并对求解后的模型进行检验;最终利用逐步回归法对检验后模型进行优化。

3.1 线性建模

初建线性回归方程模型为:

y=β0+β1×x1+β2×x2+β3×x3+β4×x4 。

根据试验数据, 利用MATLAB统计工具箱中的命令regress进行求解, 结果见表2。

由表2计算结果得出线性回归方程模型为:

y=29.678 2-72.000 0x1-7.208 3x2+28.050 0x3-0.0665x4 。 (1)

一般地, 若相关系数R的绝对值在0.8～1范围内, 可推断回归变量之间具有较强的线性相关性。表2中相关系数R的绝对值为0.944 5, 表明回归变量之间线性相关性较强。

当F>F1-α (k, n-k-1) (其中, α为预定显著水平, 本文中均取0.05, k为自变量个数, n为试验样本数) 时, 认为因变量y与自变量x1, x2, …, xk之间存在显著的线性相关关系;否则认为线性相关关系不显著。表2中统计量F=8.270 2>F1-0.05 (4, 4) =6.39 (由参考文献[4]查表得) , 则说明因变量y与自变量x1, x2, x3, x4之间存在显著的线性相关关系。

显著性概率P=0.032 4<α则进一步地说明因变量y与自变量x1, x2, x3, x4之间存在显著的线性相关关系, 因而模型 (1) 可以选用。

3.2 非线性建模

为求模型建立准确, 再建立一非线性回归方程模型。由于所涉及的自变量x与因变量y之间的函数关系并不明确, 因此本文选取幂函数来建立非线性回归方程模型:

y=a0×x1a1×x2a2×x3a3×x4a4 。

同时, 为了方便求解及检验, 我们需要将该幂函数回归方程模型进行线性转换。首先, 对上式等号两边取对数, 得:

lny=lna0+a1×lnx1+a2×lnx2+a3×lnx3+a4×lnx4 。

再作变量代换:

y′=β0′+β1′×x1′+β2′×x2′+β3′×x3′+β4′×x4′ 。

其中:y′=lny;β0′=lna0;β1′=a1;β2′=a2;β3′=a3;β4′=a4;x1′=lnx1;x2′=lnx2;x3′=lnx3;x4′=lnx4。

完成幂函数回归方程模型的线性转化后, 再利用MATLAB统计工具箱中的命令regress进行求解, 结果如表3所示。

由表3计算结果得到线性转换后的幂函数回归方程模型为:

y′=4.118 7-0.252 7x1′-0.046 0x2′+0.378 2x3′-0.252 0x4′ 。 (2)

将模型 (2) 还原回幂函数回归方程模型, 即为:

y=61.479 3x1-0.252 7x2-0.046 0x30.378 2x4-0.252 0 。

表3中相关系数R的绝对值为0.960 2;F=11.800 3>F1-0.05 (4, 4) =6.39;P=0.017 4<0.05, 这些都说明经过线性转换后的幂函数模型 (2) 同样具有较强的线性相关性, 如何取舍还需要与线性回归方程模型 (1) 进行对比分析。

3.3 确立模型

对比线性回归方程模型 (1) 与线性转换后的幂函数回归方程模型 (2) 的各项数理统计值, 如表4所示。

由表4可以看出模型 (2) 的线性程度更好, 也就是说幂函数模型更加适合, 因此选取模型 (2) 做进一步的优化。

3.4 模型优化

我们以表1中综合评分y的观测值数目为横坐标, y的观测值与模型 (2) 拟合值的差值即残差为纵坐标, 利用MATLAB语句rcoplot (r, rint) 绘出模型 (2) 的时序残差图, 如图2所示。

由图2不难看出残差条均通过零线, 说明它们不是异常值, 但第9个样本点的误差条偏离零线较远, 说明其为奇异点, 因此在下一步对模型 (2) 的优化中我们将剔除该试验数据。

对模型 (2) 采用逐步回归法进行优化, 利用MATLAB统计工具箱中的逐步回归命令stepwise得到输出结果如图3所示。

图3中x1, x2, x3, x4分别指代模型 (2) 中的自变量x1′, x2′, x3′, x4′。在图3的左上部, x1和x2的计算结果均呈现红色, 这表明自变量x1′和x2′对模型 (2) 影响不显著;而x3与x4呈现蓝色则表示x3′与x4′对模型 (2) 影响显著。在图3中部显示的数据中, 统计量F从优化前的11.800 3提高到26.528 4;显著性概率P=0.002 176 67<α;相关系数R的绝对值为0.955 969, 仍然在0.8～1范围内;逐步回归计算的剩余标准差RMSE下降到了4.039 37, 其下降趋势可从图3的下部看出。这些都表明优化后的结果更适宜采用, 因此将影响不显著的自变量x1′和x2′从模型 (2) 中剔除, 从而得出了优化后的幂函数模型为:y=61.479 3L0.378 2v-0.252 0。

4结论

本文从建模、检验再到优化, 得出了数控短电弧机床对35钢端面切屑加工工艺的数学模型y=61.479 3L0.378 2v-0.252 0, 从该模型中不难发现进给量L与相对切削速度v是影响工件表面质量的重要因素。虽然在模型的优化结果中剔除了液体压力p1和气体压力p2, 但这并不意味着液体压力与气体压力对工件表面质量没有影响, 这也从另一个角度说明了短电弧加工机理的复杂性, 因此, 仍需要对其做进一步的研究。

参考文献

[1]周碧胜.短电弧切削技术[G]//2007年中国机械工程学会年会论文集.北京:机械工业出版社, 2007:233-234.

[2]梁楚华, 周建平, 朱志坚, 等.短电加工技术及其应用[J].现代制造工程, 2007 (12) :92-93.

[3]赵二明.短电弧加工工件表面完整性的研究与分析[D].乌鲁木齐:新疆大学, 2009:15-19.

[4]王明慈, 沈恒范.概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社, 2003.

[5]叶峰.运用MATLAB软件进行回归分析建模[J].成都航空职业技术学院学报, 2007 (2) :44-46.

[6]周纪芗.实用回归分析方法[M].上海:上海科学技术出版社, 1990.

电弧分析 篇11

关键词：中职学生 手工电弧焊 强化技能

随着我国工业水平的提高，现代化的焊接设备、工艺层出不穷，然而手工电弧焊是这些焊接技术的基础，而且普及面很广，焊接技能人才需求量更大。现在中职学校焊接专业已经普及，从事焊接的学生非常多，这部分学生将是未来从事焊接工种的主要力量。那么如何让在校学生学好焊接专业并且在将来成为社会的顶梁柱是现在中职学校面临的问题。下面结合笔者的经验与方法和大家共享。

一、现场教学和情景教学相结合

中职学生动手能力强，但是对枯燥的焊接理论不感兴趣，在课堂上一味地给学生灌输理论，学生听不懂，而且记不住。怎样解决学生理论学习的问题呢？

第一，实行车间现场教学，即教师教学、学生学习、实习采用一体化教学模式，利用焊接实践教学车间和设备进行教学，使得理论教学和实践有机结合，采用项目教学方法，减少纯理论的知识传授，以任务驱动的教学手段增加学生学习知识的主观能动性。学生不但学到了自己专业的知识，而且还能使学生产生专业兴趣。

第二，情景教学，即采用多媒体、图片、模型等手段给学生进行演示，给学生创设模拟一定的情景，使学生更容易明白，从而激发对专业的学习兴趣，使理论知识与实践更好地结合。

二、实习车间的强化训练方法

焊接的操作非常重要，实习的过程即技能提高的过程。在实习车间笔者对学生的要求主要有以下几个方面。

第一，操作设备参数的选择。指焊接前检查设备和工件，选择合理的参数是形成好的焊缝的前提条件。

第二，蹲立的姿势：即焊工仅仅靠自己的身体，两脚放开稍比肩宽，成外八字形，身体放松，找准自己合适的姿势，重心下移，将这种姿势长期保持并稳定。一般焊工两个星期的时间动作基本稳定。

第三，手腕的灵活性：指通过手腕能够灵活控制焊条的运行速度和角度，不同厚度的材料和不同焊缝焊接时手腕灵活性相当重要。

第四，观察能力：指焊接时，学生的眼睛应该随时观察熔池的变化情况，及时调节焊接角度、高度、速度以及焊接重合部分面积的大小，及时发现焊缝在焊接过程中存在的缺陷，同时与鼻子配合完成对不同烧焦味的即时判断，及时消除安全隐患。

第五，及时去药皮观察焊缝成型情况。焊缝在成型后，可能存在一些缺陷，如气孔、熔渣等，存在这些情况可能是参数选择不合理或者姿势操作不到位，应及时纠正。

焊接操作性较强，一名合格的焊接技工必须要有扎实的焊接基础。学生必须对操作过程反复的练习才能打下扎实的基本功。

三、焊接安全的教育

焊接存在一定的危险性，主要有两个方面：一方面是电的安全使用，三相电使用不当，对人体的伤害很严重；另一方面是手工电弧焊自身对人体的一些伤害，由于手工电弧焊在焊接过程中会产生有毒气体（碳化物、氮化物气体）、粉尘、弧光辐射、噪声和射线，焊条、焊件及焊渣处于高温状态会产生大量的热引起烫伤烧伤等因素都可能威胁学生的安全与健康。因此，学生的安全教育尤为重要，笔者在这方面的教育口号是：安全第一，质量第二。笔者的具体做法如下：

第一，要求学生熟记焊接安全操作规程。这是学生进入实习车间的第一课题，通过事故案例和视频播放等形式，让学生知道安全操作的重要性，让他们自己重视安全操作的必要性。

第二，采用分组管理。每个组的成员相互监督，如果出现违规操作的同学，本组的其他成员及时提醒 ，并给予纠正。

第三，老师巡回指导。及时发现学生在操作过程中的不当之处，给学生进行示范，并纠正学生操作过程中的错误。

第四，学生良好习惯的培养。每次上课前应做以下准备：首先观察工作场地是否有危险性的物品存在，场地要干净、整洁；开机前检查焊接设备是否完好安全；再次检查电源是否正常，有没有受潮或是否并联了其他用电设备；最后再问自己一句：“我还有其他没有注意到的安全问题吗”，如果确认没有任何安全问题，经教师检查无误后推闸施焊；焊后拉闸整理工具，清洁场地。指导教师要明确告诉学生们：养成这样的习惯，是对自己负责、对他人负责，是受益终生的好习惯，要坚持下去，并带到以后的工作当中。

四、小结

焊接专业在学校经过几年的实践，学生的操作能力明显得到了提高，安全教育方面也取得较好的效果，为社会培养了一大批焊接技能人才。现场教学突破了中职学生理论学习难的问题，实习车间强化训练为学生焊接技能提高打下了坚实的基础。

电弧分析 篇12

1 CO2电弧焊特点

CO2电弧焊具有以下特点: (1) CO2气体价廉易得, 而且消耗电能少, 是一种既经济, 又便于自动化生产的焊接方法。一般情况下, CO2电弧焊的成本仅为手工电弧焊的37%~42%, 为埋弧焊的40%。 (2) 生产效率高。焊接电流密度大, 焊丝熔化率高, 母材熔透深度大, 对于10mm左右的钢板, 可以不开坡口直接焊接, 焊后渣很少, 一般可不清渣, 焊接质量稳定。 (3) 电流密度大, 电弧热量集中, 焊接后工件变形较小。 (4) 对油、锈的敏感程度较小, 可减少工件和焊丝的清理工作量。 (5) CO2电弧焊的焊缝金属含氢量小, 焊接低合金高强度钢时, 产生冷裂纹的倾向小。 (6) 飞溅较多, 焊缝成形不够美观, 清理飞溅费时间。

2 MAG焊的特点

MAG焊是在氩气中加入少量的氧化性气体 (氧气, 二氧化碳或其混合气体) 混合而成的一种混合气体保护焊。目前我国常用的是80%Ar+20%CO2的混合气体, 由于混合气体中氩气占的比例较大, 故常称为富氩混合气体保护焊。MAG焊既有氩弧焊的特点, 如电弧稳定、飞溅少, 易获得喷射过渡, 又具有氧化性, 克服了纯氩弧焊时表面张力过大, 液体金属粘稠, 斑点漂移等问题, 改善了焊缝成形。同时在氩气中加入的二氧化碳, 因为具有氧化性, 加剧了电弧中的氧化反应, 氧化反应放出的热量, 增加了熔深, 提高了焊丝熔化系数。克服了用单一Ar气焊接时产生的阴极漂移现象及焊缝成型不良等问题。显著提高电弧稳定性, 熔滴细化, 过渡频率增加, 飞溅大大减少 (飞溅率为1%~3%, 采用射流过渡时几乎无飞溅) , 焊缝成形美观。此外, 采用混合气体保护还可以改善熔深形状, 未焊透和裂纹等缺陷大大减少, 并能提高焊缝金属的性, 减少焊后清理工作量, 节能降耗, 改善操作环境。因此MAG焊现已在焊接结构制造中得到了广泛的应用。尤其用于中厚板、重要结构件的焊接作业中。

3 某工厂结构件MAG焊焊接工艺

(1) MAG焊的主要工艺参数和控制要点。

(1) 焊丝干伸长。

焊丝伸出长度选择:15mm。伸出长度过长, 在电流不变的情况下易发生过热而成段熔断, 飞溅严重, 造成焊接过程不稳定, 同时喷咀与工件距离亦增大, 气体保护效果变差。反之, 伸出长度过小, 势必缩短喷嘴与工件间的距离, 飞溅金属容易堵塞喷嘴。

(2) 焊枪前倾角。

随着焊枪前倾角增加, 飞溅率降低, 熔宽增加, 余高降低, 焊缝边缘熔合性能大为改善, 有利于消除咬边现象。

(3) 焊枪横向倾角β。

焊枪横向倾角过大, 会使焊缝光管侧的熔化性变差, 同时, 同组焊枪会发生电弧干扰, 飞溅增加。因此焊枪横向倾角应偏小为宜。

(4) 焊接电流、电压及焊速。

应尽量使用较大电流进行焊接, 并匹配相应焊速及电压, 提高电弧挺度, 减少磁偏吹的影响, 保证焊缝熔深及尺寸要求。适当匹配脉冲规范参数, 可对焊件的输入进行大范围的调节和精确控制。同时, 应注意相邻电弧之间热输入量的均匀性以及焊接位置的对称性, 实践中发现这是有效减少旁弯的得力措施。选择电弧电压:为20V~26V;焊接电流为200A~230A;气体流量选择15~20/min-1;电流极性选择直流反接;送丝速度选择5.25m/min的速度送丝;送丝方式选择等速送丝。

(5) 焊接方式:多层多道连续焊接。

(6) 接头方式:对接接头MAG焊不开坡口的最大厚度可提高到12mm;开坡口接头的坡口角度可减少到30°左右, 钝边高度可增加1.5mm~2.5mm, 根部间隙可减少1mm~2mm。角焊缝在保证接头强度相等的情况下, 当焊脚较大时 (K>8) , 采用MAG焊的焊脚可比焊条电弧焊小3mm;当焊脚较小时 (K<8) , 采用MAG焊的焊脚仅为焊条电弧焊的0.707倍。

(7) 采用脉冲焊接方式:就是小电流使用脉冲方式焊接时也能达到射流过渡, 具有轴向脉冲射流过渡的稳定电弧。有效的保证焊缝熔深, 飞溅极少。因此在焊接过程中必须保证整个焊接过程保持脉冲焊接方式。

(8) 气体纯度和气体比例:一般要C02气体纯度应不低于99.5%, Ar纯度应不低于99.99%, 气体比例:20%CO2+80%Ar, 焊接高强钢时氩气比例可适当提高。

(2) MAG焊焊缝特点。

(1) 焊缝外观质量明显改善。该厂原仅使用二氧化碳气体保护焊, 焊接电流在280A~300A范围内, 熔滴过渡模式为颗粒过渡模式。由于焊后飞溅较大, 焊接结构件外观质量受到影响, 而要保证外观质量, 焊后清理工作很繁重, 也增加了清理成本。根据实际生产情况, 每个结构件相应的清理工作量为焊接工作量的1/4左右。

(2) 焊缝机械性能提高。下表是用混合气和二氧化碳气体具体试验数据的比较, 由表中数据可发现在低温状态下, 焊缝抗冲击值明显提高。

如表1所示。

(3) 焊缝金属熔敷率增加, 焊丝用量降低。随着电流的增大, 气体保护焊熔敷率将低于90%, 而使用混配气体熔敷率将提高10%, 使焊丝的直接使用成本降低。

4 某工厂实际生产中CO2电弧焊和MAG焊的比较和选择

CO2电弧焊和MAG焊, 焊丝较细, 电流密度大, 热量集中, 电弧穿透力强, 熔深大, 可以减少坡口角度, 增加钝边厚度, 节省材料, 提高劳动生率, 降低焊接应力与变形。CO2电弧焊和MAG焊焊接头的力学性能、宏观金相检验均符合生产要求。MAG焊较CO2电弧焊波细密, 焊道平滑, 成形美观, 飞溅小, 熔深较大, 但成本相对较高, 故适宜用于焊缝外观要求较高的焊缝。通过对CO2电弧焊、MAG焊及进行对比工艺试验及评定, 决定除对外观要求较高的焊缝采用MAG焊外, 其余采用CO2气保焊。生产实践证明, 这样既保证了焊接质量, 又提高了劳动生产率, 降低了成本, 取得了较好的经济效益。

5 结语

在实际生产中, 对焊缝要求相对不高的构件可采用实心焊丝CO2电弧焊, 对于焊缝质量要求较高的重要构件, 可采用实心焊丝MAG焊, 也可采用药芯焊丝CO2电弧焊。实际制定工艺时, 应根据对焊接接头的性能要求、供货条件、经济性等多方面比较确定, 保证产品质量, 争取最大利润空间。

摘要：对CO2电弧焊和MAG焊的特点、原理、工艺性能、经济性等进行了多方面的比较和分析, 介绍解决实际生产中的一些问题的办法, 对某结构件工厂焊接工艺进行比较、选择, 得出最优化方案。