弧光逆流保護(hù)及設(shè)備安全運(yùn)行

1、弧光 逆流保護(hù)與設(shè)備安全運(yùn)行 黃貴平 張立英 （中電投青銅峽邁克鋁業(yè)有限公司）摘要：針對(duì)目前大功率硅整流裝置事故頻發(fā)，保護(hù)裝置的采用進(jìn)行了分析，給出了設(shè)備運(yùn)行過程中弧光、逆流保護(hù)裝置獨(dú)立運(yùn)行的利弊，提出了新的運(yùn)行方案。關(guān)鍵詞：大功率整流器；事故；弧光；逆流；方案 近年來，電解鋁工業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，系列產(chǎn)能目前最高已達(dá)到37萬(wàn)噸，供電系統(tǒng)的大功率整流裝置的輸出電流也由10年前的200KA發(fā)展到今天的370KA。400KA電解槽也已試驗(yàn)成功，與其相配套的整流設(shè)備的制造技術(shù)也逐漸成熟，輸出電流亦達(dá)到420KA，輸出電壓也由10年前的1150V提高到1350V。而鋁的電解過程要求電力供應(yīng)不得中斷

2、或在幾分鐘內(nèi)恢復(fù)供電，正常運(yùn)行力求平穩(wěn)。但近年來為適應(yīng)鋁電解生產(chǎn)的發(fā)展，硅整流裝置的設(shè)計(jì)在考慮設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)基本上進(jìn)行了簡(jiǎn)單的容量加大，沒有考慮具有強(qiáng)大儲(chǔ)能的電解槽對(duì)整流裝置的影響，因此無法對(duì)整流裝置進(jìn)行有效的防護(hù)。當(dāng)20042007年正在運(yùn)行的諸多大容量整流裝置發(fā)生致命性的崩潰事故之后，使電解鋁整流行業(yè)普遍產(chǎn)生了一種緊張不安的情緒?；」獗Ｗo(hù)和逆流保護(hù)的應(yīng)用有效地緩解了這種現(xiàn)象，設(shè)備的毀滅性破壞也有所減輕。但保護(hù)設(shè)備本身也有故障發(fā)生，誤動(dòng)率使系列停電次數(shù)不斷攀升，電解生產(chǎn)的穩(wěn)定性遭到破壞。為避免保護(hù)誤動(dòng)所引起的電解系列停電，確保電解生產(chǎn)穩(wěn)定、有序進(jìn)行，筆者對(duì)供電整流系統(tǒng)及弧光保護(hù)、逆流保護(hù)

3、進(jìn)行了仔細(xì)、認(rèn)真的分析，結(jié)合多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并綜合行業(yè)專家的觀點(diǎn)談?wù)勛约旱目捶ā?. 弧光保護(hù)裝置的工作原理弧光保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用于所有中壓或低壓空氣絕緣鎧裝開關(guān)柜或大功率硅整流裝置中可能產(chǎn)生弧光短路的系統(tǒng)斷路器跳閘的快速保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)生弧光短路時(shí)，在弧光檢測(cè)傳感器覆蓋的區(qū)域的弧光短路被快速定位，光纖傳感器將檢測(cè)到的光信號(hào)傳至弧光保護(hù)的中央處理單元，光信號(hào)在轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸?shù)狡鋽U(kuò)展單元發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)作用于系統(tǒng)跳閘，使故障設(shè)備瞬間脫離電源，保護(hù)電氣設(shè)備防止弧光短路的破壞性影響，減輕潛在的危害。保護(hù)接線如下圖所示：其特點(diǎn)是中央處理單元可獨(dú)立運(yùn)行，也可與其他中央處理單元一起運(yùn)行，也可以與多個(gè)擴(kuò)展單

4、元共同運(yùn)行，跳閘迅速。該裝置具有可投退的三相過流、兩相過流和零序過流保護(hù)判據(jù)，與弧光保護(hù)共同作用于系統(tǒng)跳閘。傳感器光纖可環(huán)路布置或放射性布置。2. 逆流保護(hù)裝置的工作原理逆流保護(hù)裝置是具有雙向電流監(jiān)控的繼電保護(hù)裝置，可防止整流器產(chǎn)生正向和反向的過電流。如果整流器產(chǎn)生的正向或反向電流超出了裝置正向或反向脫扣設(shè)定值，逆流裝置相對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作將信號(hào)傳輸給系統(tǒng)斷路器脫扣裝置，脫扣器瞬間動(dòng)作使斷路器跳閘，使故障設(shè)備迅速脫離電源。保護(hù)接線如下圖所示：該裝置的特點(diǎn)是使用具備兩路開環(huán)校準(zhǔn)的霍爾效應(yīng)傳感器以使周圍的磁場(chǎng)效應(yīng)降至最低。其缺點(diǎn)是相鄰母線間的大電流波動(dòng)可導(dǎo)致裝置故障或使系統(tǒng)誤跳閘，雙路無線通訊系統(tǒng)也

5、可以引起裝置故障或誤跳閘。3. 大功率整流器與鋁電解生產(chǎn)現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采取冰晶石氧化鋁融鹽電解法。強(qiáng)大直流電流通入電解槽，在陰極和陽(yáng)極上起電化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物：陰極上是鋁液，陽(yáng)極上是一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w。一個(gè)產(chǎn)能27萬(wàn)噸的電解鋁系列，一般采用370KA的電解槽，288臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)系列電壓1200V左右，效應(yīng)時(shí)最高電壓可達(dá)1280V左右，啟槽時(shí)最高電壓甚至達(dá)到1350V，系列總的容量高大473600KVA。系列一般采用6套整流機(jī)組、12臺(tái)整流器以低阻抗的方式并聯(lián)運(yùn)行。見下圖：目前，一個(gè)產(chǎn)能27萬(wàn)噸的電解鋁系列，一般采用370KA的電解槽，6套整流機(jī)組、12臺(tái)整流器以低阻抗的方式

6、并聯(lián)運(yùn)行。單體整流柜由12個(gè)臂、每個(gè)整流臂由6只元件并聯(lián)組成，輸出電流約40KA，電壓1280V。6套整流機(jī)組、12臺(tái)整流器并聯(lián)輸出額定電流370KA供288臺(tái)電解槽進(jìn)行金屬鋁的冶煉。4.大功率整流裝置的事故原因分析據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近四年來整流裝置所發(fā)生的事故主要集中在大槽型、高電壓系統(tǒng)中，雖然起因各不相同，但結(jié)果都基本上是整流裝置遭到毀滅性破壞，情節(jié)嚴(yán)重者可使其直流側(cè)輸出母線發(fā)生嚴(yán)重的扭曲變形，直流大電流刀閘（額定電流50KA）的動(dòng)、靜觸頭完全粘結(jié)在一起而無法分開，甚至迫使數(shù)百噸重的匯流母線移位（見下圖）。系列停電數(shù)小時(shí)（一般情況下停電不允許超過30分鐘）。事故的直接及間接損失達(dá)4000萬(wàn)甚至

7、更高。整流裝置的事故頻發(fā)原因是多方面的，就其內(nèi)部而言，交、直流母排之間及交、直流母排對(duì)地的爬電距離不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致交、直流母排之間或?qū)Φ胤烹姰a(chǎn)生弧光短路；二極管與快速熔斷器設(shè)計(jì)不匹配，在二極管擊穿瞬間快速熔斷器不能快速熔斷導(dǎo)致硅元件瞬間高溫融化造成交、直流短路；絕緣隔板尺寸偏小、灰塵多或絕緣隔板受潮造成爬電；水溫過高使二極管溫度超過極限值導(dǎo)致元件擊穿；水質(zhì)偏低（國(guó)標(biāo)為1000K/cm）造成交、直流擊穿短路；灰塵大使二極管、母排對(duì)整流裝置外殼（地）的爬電距離縮??；元件不均流造成個(gè)別二極管長(zhǎng)期過載，結(jié)溫過高，耐壓降低導(dǎo)致元件電壓擊穿；整流系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波可能導(dǎo)致硅元件的損壞等。就其外部而言

8、：交流電網(wǎng)因操作產(chǎn)生的操作過電壓；電網(wǎng)因受大氣帶電離子的侵入、供配電品質(zhì)因數(shù)不良出現(xiàn)高次諧波產(chǎn)生的過電壓；外部電網(wǎng)突然停電造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)產(chǎn)生的瞬間過電壓；整流變壓器送電瞬間因變壓器一二次漏感和分布電容的存在產(chǎn)生的過電壓；整流變壓器停電瞬間因變壓器鐵芯的內(nèi)磁通變化大 可產(chǎn)生正常工作電壓六倍以上的過電壓；整流變壓器正常運(yùn)行中，由于電解效應(yīng)的產(chǎn)生，變壓器內(nèi)部的自飽和電抗器電感元件能量的釋放產(chǎn)生的過電壓以及有載開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的過電壓；電解槽控制失靈，陽(yáng)極持續(xù)拉起產(chǎn)生離極現(xiàn)象導(dǎo)致電流被強(qiáng)制遮斷（整流柜輸出側(cè)帶負(fù)荷拉閘）；整流變壓器閥側(cè)短路；整流柜輸出側(cè)短路等等諸多因素均可導(dǎo)致整流系統(tǒng)最脆弱的環(huán)節(jié)硅整流裝

9、置內(nèi)部的短路而產(chǎn)生弧光，弧光產(chǎn)生的瞬間，因交、直流系統(tǒng)能量的巨大，在某一臺(tái)整流柜短路時(shí)，除本機(jī)組向該臺(tái)整流柜供應(yīng)短路電流外，其他五組通過匯流母線同時(shí)向該臺(tái)整流柜輸送強(qiáng)大的直流電流(見下圖)，在電解系列相互串聯(lián)的288臺(tái)電解槽具有一定的儲(chǔ)能能力，整流柜短路瞬間，288臺(tái)電解槽這一巨大的電容器同時(shí)向短路點(diǎn)輸送電量，強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧將空氣擊穿并使之電離，使周圍的銅母排在極短的時(shí)間內(nèi)溶解、汽化，強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生的132926N/m電動(dòng)力（按350KA系統(tǒng)計(jì)算）可使整流柜瞬間被摧毀，其直流側(cè)輸出母線發(fā)生嚴(yán)重的扭曲變形，直流大電流刀閘（額定電流50KA）的動(dòng)、靜觸頭完全粘結(jié)在一起而無法分開，

10、甚至迫使數(shù)百噸重的匯流母線移位（見事故圖例），生產(chǎn)系統(tǒng)徹底癱瘓。5.整流裝置的保護(hù)因整流柜是系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，一旦事故整流裝置基本上遭到毀滅性破壞，故而在整流柜設(shè)計(jì)時(shí)采用了多種不同的保護(hù)甚至重復(fù)保護(hù)，系統(tǒng)保護(hù)采用完全獨(dú)立的雙保護(hù)原則。一般情況下單體整流柜的基本保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，操作過電壓及換向過電壓保護(hù)，直流過電壓保護(hù)，水溫、水壓保護(hù)，橋臂溫度過高、元件擊穿、交流過電流、直流過電流等多種保護(hù)。近年來，隨著保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，弧光保護(hù)、逆流保護(hù)技術(shù)逐漸成熟，因其動(dòng)作迅速、中間環(huán)節(jié)少、原理簡(jiǎn)單已被大量應(yīng)用于中、低壓開關(guān)柜及大功率整流柜中，并收到了良好的效果。因弧光保護(hù)、逆流保護(hù)動(dòng)作迅速、中

11、間環(huán)節(jié)少、原理簡(jiǎn)單而被廣大用戶所接受，其保護(hù)裝置的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間小于1ms，就其保護(hù)裝置的運(yùn)行方式各家不盡相同，電解鋁企業(yè)的整流柜裝置多數(shù)采用的是裝置的單一功能即弧光保護(hù)只采用光判據(jù)而放棄過流判據(jù)和時(shí)間判據(jù)，逆流保護(hù)只采用反向過流判據(jù)。一些企業(yè)或采用弧光保護(hù)或采用逆流保護(hù)，或兩種保護(hù)同時(shí)應(yīng)用，其運(yùn)行方式基本是保護(hù)判據(jù)達(dá)到啟動(dòng)整定值后直接發(fā)出跳閘命令，切除所有整流機(jī)組斷路器，使故障設(shè)備迅速脫離電源，事故損失降到最低。部分用戶的運(yùn)行方式是只切除本機(jī)組而忽略了電流倒送的實(shí)際情況，造成系統(tǒng)解列、生產(chǎn)癱瘓的嚴(yán)重局面（相當(dāng)于沒有保護(hù)。事故后電流方向見圖）。不論采用那種方式，都忽略了裝置誤動(dòng)的現(xiàn)實(shí)情況。電解鋁

12、行業(yè)的特殊性要求電力供應(yīng)不能中斷或在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)送電（30分鐘以內(nèi)）。但對(duì)于一個(gè)產(chǎn)能27萬(wàn)噸、系統(tǒng)電流為350KA的電解系列，其整流機(jī)組的調(diào)壓變壓器的有載開關(guān)級(jí)數(shù)為95級(jí)（或108級(jí)），正常運(yùn)行在12級(jí)左右。事故情況下在30分鐘內(nèi)由12級(jí)降至95級(jí)，檢查確認(rèn)事故機(jī)組并有效隔離后，重新恢復(fù)其他機(jī)組運(yùn)行，并將電流升至系統(tǒng)工作電流至少需要60分鐘，遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要，給生產(chǎn)造成很大損失。因此，誤動(dòng)現(xiàn)象必須避免。筆者認(rèn)為，弧光保護(hù)和逆流保護(hù)的功能具有共性即動(dòng)作迅速，目的均是在整流裝置事故情況下，在極短的時(shí)間內(nèi)將系列電源切除，使事故設(shè)備有效脫離電源。那么我們應(yīng)該充分利用這個(gè)特點(diǎn)。因?yàn)檎餮b置發(fā)生短路故障時(shí)必然產(chǎn)生弧光，弧光檢測(cè)傳感器將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給裝置發(fā)出跳閘命令，同時(shí)因六臺(tái)整流機(jī)組通過匯流母線并列運(yùn)行，其他未故障整流器的輸出電流均輸送至短路整流器故障點(diǎn)，對(duì)該整流器而言電流的方