電解鋁供電整流中的電弧光保護(hù)

黃 林

（內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

在我國(guó)金屬鋁是最重要的基礎(chǔ)金屬之一，其用途廣泛，如鋁合金是飛機(jī)、汽車(chē)的結(jié)構(gòu)材料，純鋁可以制造超高壓的電纜等?；阡X有這么多的用途，電解鋁行業(yè)發(fā)展的規(guī)模日益增大。電解鋁中的供電方式為整流供電，整流柜是主要的設(shè)備。隨著電解鋁的規(guī)?；潭仍龃?，所需要的整流柜的臺(tái)數(shù)增加，這樣很容易產(chǎn)生電弧光，對(duì)設(shè)備及工作人員的人身安全造成危害，因此在供電整流程序中需要有電弧光保護(hù)系統(tǒng)。

1 電弧光概述

1.1 電弧光產(chǎn)生的原因

供電系統(tǒng)中兩電極之間的電壓升高時(shí)，空氣中的正負(fù)離子會(huì)被加速，尤其是電極附近的空氣與其他空氣分子碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的離子，該種離子數(shù)量增加即為電離現(xiàn)象。在電離的過(guò)程中溫度會(huì)急劇地升高，升高到一定程度會(huì)產(chǎn)生電弧，這就是電弧光產(chǎn)生的原因。電弧放電過(guò)程是大電流低電壓。電弧放電產(chǎn)生的主要因素:電流大且間隙小。另外還有其他因素，如產(chǎn)品絕緣的損壞、元件因長(zhǎng)時(shí)間使用而老化、元件被污染或被腐蝕、整流柜柜體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不合理、設(shè)備的維護(hù)不及時(shí)不到位、人為的失誤等客觀因素均可導(dǎo)致電弧光的產(chǎn)生。電弧光一旦產(chǎn)生，如果供電系統(tǒng)不斷電，電弧光便會(huì)一直存在。因此要想減少弧光的產(chǎn)生，降低危害，需要有一定的電弧光保護(hù)。

1.2 電弧光的危害

電弧光產(chǎn)生時(shí)會(huì)放出大量的氣體，氣體產(chǎn)生的壓力波可導(dǎo)致整流柜柜體結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重時(shí)甚至破碎；電弧光可以使兩個(gè)電極附近的空氣因高溫而體積膨脹（壓力超100kPa）；當(dāng)電弧光嚴(yán)重時(shí)引起的爆炸會(huì)造成銅排氣化的劇烈震動(dòng)，從而使固定的元件變松而脫落。溫度過(guò)高時(shí)可造成供電系統(tǒng)的供電電纜瞬間燃燒、所有絕緣材料也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)燃燒，銅排被燃燒并氣化。在該過(guò)程中產(chǎn)生的氣體是有毒的，從而使供電整流的設(shè)備表面遭受?chē)?yán)重污染，進(jìn)而絕緣電阻降低甚至為零。另外還會(huì)使發(fā)生電弧的變壓器的上一級(jí)由于距離較近而造成短路，產(chǎn)生一定的沖擊。電弧光造成的故障電流的電動(dòng)力可能會(huì)造成變壓器繞組的變形引起短路。由于種種故障產(chǎn)生的弧光以300m／s的速度爆發(fā)而產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，該沖擊波的強(qiáng)度大到足夠摧毀供電系統(tǒng)附近的任何物質(zhì)，更為嚴(yán)重的是若影響到直流系統(tǒng)將會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)的直流失電；如果在場(chǎng)的工作人員吸入有毒氣體會(huì)有生命危險(xiǎn)；高溫會(huì)使人體皮膚灼傷，強(qiáng)光會(huì)損傷眼睛；同時(shí)爆破音會(huì)損傷人體耳膜。

2 電弧光保護(hù)特點(diǎn)和組成

2.1 電弧光的保護(hù)

電弧光保護(hù)系統(tǒng)是依據(jù)弧光檢測(cè)和過(guò)流原理，根據(jù)35kV及以下開(kāi)關(guān)柜發(fā)生故障時(shí)的特征而開(kāi)發(fā)的。它的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作及時(shí)、補(bǔ)救快速，對(duì)于變電站的要求無(wú)特殊性，適應(yīng)于任何一種運(yùn)行方式并且在任何運(yùn)行方式下無(wú)需切換等。它可以很好地用于變電站的低壓開(kāi)關(guān)柜的保護(hù)。簡(jiǎn)而言之，解決電弧光問(wèn)題最有效的方法是快速切斷故障電源。具體操作是在整流柜內(nèi)加裝保護(hù)裝置，當(dāng)整流柜內(nèi)產(chǎn)生微弱小電弧光時(shí)，快速將運(yùn)轉(zhuǎn)的整流柜機(jī)組切斷，或者是使該機(jī)組的斷路器跳閘，使故障范圍縮小，損失降到最低。

電弧光保護(hù)用于低壓開(kāi)關(guān)柜時(shí)，可以通過(guò)以下三種不同的設(shè)計(jì)原理來(lái)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員和設(shè)備的安全:（1）現(xiàn)行的設(shè)備還不足以承受電弧，因此要改善設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)；（2）可以安裝限制電弧放電的裝置，這屬于主觀因素方面的保護(hù)；（3）可以在設(shè)備上安裝限制電流的斷路器。這三種方案可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合起來(lái)使用，并且已成熟用于工業(yè)領(lǐng)域。

主觀因素方面的保護(hù)，也稱為主動(dòng)保護(hù)，它主要是應(yīng)用機(jī)電／電子裝置，設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以防止設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。其用于實(shí)踐中的兩種方法是:（1）將壓力傳感器作為檢測(cè)電弧光的單元；（2）將弧光傳感器作為檢測(cè)電弧光的單元。第一種方法主要是針對(duì)設(shè)備內(nèi)的弧光而言，是將壓力波作為檢測(cè)效應(yīng)之一。壓力波一般比電弧的出現(xiàn)晚10s左右，因此利用壓力波的這一特性可以采用壓力傳感器的形式來(lái)檢測(cè)電弧光。設(shè)定一定的壓力值，當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過(guò)該值時(shí)，壓力傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)，這些信號(hào)可以設(shè)計(jì)成是控制一定動(dòng)作的指令，以控制開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。但是有一點(diǎn)要明確，當(dāng)壓力值設(shè)定后要想確定超過(guò)該值的范圍很難。第二種方法:弧光監(jiān)測(cè)器的運(yùn)行原理是:借助于電弧光發(fā)出的光輻射，將其作為監(jiān)測(cè)器捕捉的信號(hào)，整流柜內(nèi)的電弧故障被檢測(cè)到時(shí)，弧光傳感器緊接著會(huì)發(fā)出指令給斷路器。該種傳感器的反應(yīng)時(shí)間很短很迅速。

2.2 電弧光保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）電弧光保護(hù)系統(tǒng)既監(jiān)測(cè)電弧光又監(jiān)測(cè)過(guò)壓，其發(fā)出的信號(hào)準(zhǔn)確，動(dòng)作指令可靠。

（2）電弧光監(jiān)測(cè)元件的電磁屏蔽能力強(qiáng)，不受其他信號(hào)影響。

（3）該保護(hù)系統(tǒng)會(huì)依據(jù)信號(hào)發(fā)出跳閘指令，過(guò)程反應(yīng)時(shí)間很短，小于1ms。

（4）系統(tǒng)能夠指出電弧故障的明確位置，處理故障會(huì)更迅速。

2.3 電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成

（1）主控單元

主控單元起控制管理的作用，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)過(guò)電壓和電弧光信號(hào)。它的主要任務(wù)是接收故障發(fā)生時(shí)的信息，并進(jìn)行處理，及時(shí)發(fā)出解決故障的指令。由于系統(tǒng)是依據(jù)雙原理運(yùn)行的，因此系統(tǒng)要同步接收到過(guò)電壓和電弧光信號(hào)后，才能準(zhǔn)確發(fā)出動(dòng)作指示。當(dāng)只接收到過(guò)電流信號(hào)或電弧光信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出跳閘指示，但是會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。主控單元能夠按照編輯好的程序?qū)邮盏男盘?hào)進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的信號(hào)，能夠確定電弧光發(fā)生的位置。

（2）弧光單元

弧光單元的主體是弧光傳感器，它的原理是信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。具體為接收電弧光信號(hào)后立即轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，之后再傳輸至主控單元。弧光傳感器具有電磁屏蔽功能，即不會(huì)因?yàn)槭盏狡渌盘?hào)的影響而發(fā)出錯(cuò)誤的指令。

（3）電流單元

系統(tǒng)保護(hù)的依據(jù)是過(guò)電壓原理，即過(guò)電流保護(hù)。因此有必要對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后將電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)傳至主控單元，所以電流信號(hào)完全可以成為檢測(cè)故障的方向之一。

3 電弧光保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 電弧光保護(hù)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況

目前世界上的金屬鋁都是通過(guò)電解法得到的，因此電弧光系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于電解鋁行業(yè)。除此之外，電弧光保護(hù)系統(tǒng)在國(guó)外還用于發(fā)電廠、變電站等，已經(jīng)成為供電系統(tǒng)等的重要防止電弧光的手段，如在整流柜、低壓開(kāi)關(guān)柜等應(yīng)用。電弧光保護(hù)的目標(biāo)是盡可能減少設(shè)備損傷，防止現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全受到傷害。國(guó)內(nèi)在最近幾年將該保護(hù)系統(tǒng)用于變電站和發(fā)電廠，同時(shí)用于電解鋁行業(yè)中的整流柜中。

3.2 電弧光保護(hù)裝置在鋁電解整流柜中應(yīng)用的意義

在電解鋁整流柜中安裝電弧光保護(hù)的意義重大，一方面設(shè)備不會(huì)受到損傷，另一方面人員不會(huì)受到傷害，電解鋁行業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)得以保證。長(zhǎng)期以來(lái)電解鋁行業(yè)中一直存在電弧光故障發(fā)生后難以解決的問(wèn)題，當(dāng)安裝保護(hù)系統(tǒng)后該問(wèn)題得到解決，而且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程時(shí)間很短，據(jù)統(tǒng)計(jì)不會(huì)超過(guò)80ms。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以明確電弧故障發(fā)生的位置，即有一定的定位功能。一旦定位便能迅速解決故障，斷電后及時(shí)恢復(fù)供電，這樣讓企業(yè)的損失減到最小，并且恢復(fù)工作的時(shí)間短。目前電解鋁行業(yè)的迅速發(fā)展要求完善電弧光保護(hù)系統(tǒng)，有更多的保護(hù)系統(tǒng)逐步用于整流柜中，而且隨著整流機(jī)組的電壓越來(lái)越高，保護(hù)系統(tǒng)的投用更有意義。目前的保護(hù)系統(tǒng)僅停留在低壓小電流的等級(jí)上。

4 結(jié)束語(yǔ)

電弧光保護(hù)系統(tǒng)在電解鋁的供電整流中作用是顯而易見(jiàn)且是必不可少的。它能很好地解決電弧光所帶來(lái)的危害，將危害降到最低限度。其作為一種繼電器保護(hù)，原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作準(zhǔn)確、信息靈敏，為電解鋁行業(yè)提供了安全保障。

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