一種改進的電弧光保護裝置在電解鋁行業(yè)中的應用

石 磊，陳亞娜

（包頭輕工職業(yè)技術學院 自動化學院，內(nèi)蒙古 包頭 014035）

0 引言

近年來，隨著我國電解鋁行業(yè)的大力發(fā)展，電解鋁的產(chǎn)能不斷增加。在電解過程中均采用大電流、高電壓的整流設備為其提供電流，目前大型電解鋁的整流系統(tǒng)一般是采用4～7 個機組，每個整流機組由1 臺調(diào)壓變壓器、2 臺整流變壓器、2 個整流柜組成。所有整流柜并聯(lián)連接至直流大母線，為電解系列提供直流電能。但生產(chǎn)過程中有時整流柜會發(fā)生爆炸事故，造成嚴重后果。造成整流柜爆炸的原因有：①整流元件擊穿時，會產(chǎn)生弧光，快速熔斷器不能及時的熔斷，引起弧光擴大，使得整流柜內(nèi)正負母線短路，造成爆炸；②整流元件或絕緣件受潮，使元件表面溫度低于環(huán)境溫度至凝露點后，元件表面將結(jié)露，引起短路，進而發(fā)生爆炸整流柜內(nèi)冷卻管路滲漏，也可能造成絕緣降低，引起爆炸；③絕緣件表面有灰塵積聚，絕緣被破壞。

為了減少弧光的危害性，電弧光保護逐漸被應用到整流系統(tǒng)的保護中，配合常規(guī)保護擴大整流系統(tǒng)的保護面，特別是電弧光保護因動作時間短、功能強大、保護判選擇靈活、安裝實施簡單，電解鋁廠正在逐步新增整流系統(tǒng)的弧光保護。實踐證明弧光保護能在開關柜發(fā)生弧光故障時提供最快的保護，切斷故障點，是常規(guī)繼電保護不能比擬的，它將弧光對設備的損害降至最低，確保故障電站對電網(wǎng)的影響最小。本文以內(nèi)蒙古某鋁廠為例，分別介紹改進前后的弧光保護系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應用。

1 改進前的系統(tǒng)

如圖1 所示，該弧光保護系統(tǒng)包括綜自系統(tǒng)、主單元、電流單元和弧光探頭；主控單元通過以太網(wǎng)和綜自系統(tǒng)連接，電流單元、弧光探頭和主單元分別連接，主單元是弧光保護系統(tǒng)的核心部件，對弧光探頭傳來的光信號進行光電轉(zhuǎn)換，負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項保護邏輯、與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信、自檢及其它輔助功能；電流單元安裝在進線電源開關柜中，采集電流信息，配置快速繼電器和常規(guī)繼電器，用于弧光保護系統(tǒng)就地跳閘或就近跳閘；弧光探頭安裝在整流柜內(nèi)各間隔中，作為光感應元件，在發(fā)生弧光故障時檢測突然增加的光強，并通過光纖將光信號傳送給主單元。

該系統(tǒng)利用過流判據(jù)和弧光判據(jù)是否同時動作來判斷保護系統(tǒng)是否發(fā)生動作。即當電流信號或弧光信號大于設定值時，主單元發(fā)出指令，斷路器跳閘。該系統(tǒng)雖然能夠起到弧光保護的作用，但存在的缺點是：

（1）不能有效保護整流柜。只配置了一個主單元跳閘出口，如果當弧光保護主單元電源失電時，即使電流、弧光判據(jù)啟動，也不能切開斷路器，有效地保護整流柜。

（2）故障發(fā)生時，由于電流變化信號采自調(diào)壓變壓器的電流傳感器，所以保護反應不及時。

圖1 改進前的弧光保護系統(tǒng)Fig.1 Before improved arc protection system

2 改進后的系統(tǒng)

如圖2 所示，與改進前的弧光保護系統(tǒng)比較，該弧光保護裝置的結(jié)構(gòu)包括二個跳閘出口并聯(lián)的主單元1 和主單元2，并且，主單元1 和主單元2 通過通信線纜連接，實現(xiàn)互相交換數(shù)據(jù)；主單元2 的光傳感器布置在整流柜內(nèi)，光傳感器通過光纖連接到主單元2，用于獲取整流柜內(nèi)的弧光信號；電流傳感器連接在主變壓器A、B 的初級線圈上，電流傳感器分別連接主單元1 和主單元2，用于獲取主變壓器A、B 的電流變化信號。

弧光保護主單元1 和主單元2 共配置有2 個主單元跳閘出口，電流變化信號取自兩個不同的主變壓器A 和主變壓器B，并且兩個主單元之間實現(xiàn)通訊，互相交換數(shù)據(jù)，主單元1 和主單元2 依據(jù)獲取到的弧光信號和電流變化信號進行判斷，當認為整流柜產(chǎn)生弧光時，控制斷路器切斷電源，起到保護整流柜的作用。相對于改進前的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點是：

圖2 改進后的弧光保護系統(tǒng)Fig.2 The improved arc protection system

（1）由于將兩個主單元的跳閘出口并聯(lián)，這樣即使一個主單元不工作（如失電），另一個主單元的跳閘出口也會動作，跳開斷路器，防止擴大事故，有效地保護設備。

（2）對于整流柜的弧光反應的更及時、迅速，能夠有效地切斷斷路器，保護整流柜。當整流柜產(chǎn)生弧光時，當整流柜產(chǎn)生弧光時，主變壓器的的電流變化大于調(diào)壓變壓器的電流變化，電流判據(jù)（電流變化信號）采自主變壓器的電流傳感器能夠更及時、迅速的反應整流柜狀況，有效地切斷斷路器，起到保護整流柜的作用。

3 結(jié)束語

隨著電解鋁行業(yè)的不斷發(fā)展，整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性愈發(fā)重要，因此要想保障系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，就必須對整流系統(tǒng)不斷地進行改造和優(yōu)化，消除各種不良隱患，使得整個系統(tǒng)更加安全高效的運行。通過針對原來弧光保護系統(tǒng)的分析，在原有基礎上進行了優(yōu)化改造，經(jīng)過近一年的運行，改造后的弧光保護系統(tǒng)運行平穩(wěn)，在安全性能上有較大提高，達到了預期的效果。

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[2]劉學義.電解鋁生產(chǎn)線中供電整流改造實施方案[J].電氣應用，2012，4.

[3]朱振國，韓明.電解鋁整流系統(tǒng)事故的預防與保護[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2009，2.