鋁電解整流裝置保護(hù)配置及信號采集和控制理念改進(jìn)

黃貴平　馬波

摘要：鋁電解直流電源裝置是供電整流系統(tǒng)的核心元件，其能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)系列的安全。目前國內(nèi)電解鋁行業(yè)系列產(chǎn)能在不斷擴(kuò)大，部分廠家已試驗(yàn)采用5吋芯片整流元件，以滿足系統(tǒng)額定負(fù)荷需要。文章綜述了目前國內(nèi)大型電解鋁直流電源保護(hù)概念、保護(hù)配置、信號采集上傳及實(shí)際運(yùn)行中存在的問題，并提出了改進(jìn)理念。

關(guān)鍵詞：電解鋁；模擬量單元；模塊化；軟件開發(fā)

中圖分類號：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）30-0024-02

鋁電解直流電源裝置是供電整流系統(tǒng)的核心元件，其能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)系列的安全。目前國內(nèi)電解鋁行業(yè)系列產(chǎn)能在不斷擴(kuò)大，部分廠家已試驗(yàn)采用5吋芯片整流元件，以滿足系統(tǒng)額定負(fù)荷需要，其保護(hù)種類、功能仍采用過電壓保護(hù)、高倍過流保護(hù)、元件保護(hù)、溫度保護(hù)、主付水壓力保護(hù)、PLC失電保護(hù)、弧光保護(hù)、逆流保護(hù)及離極等多種保護(hù)功能。

1 現(xiàn)狀

鋁電解系統(tǒng)直流電源裝置設(shè)計(jì)方式普遍采用同相逆并聯(lián)整流和三相橋式整流兩種整流型式，其結(jié)構(gòu)型式由傳統(tǒng)的殼式封閉結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向絕緣自支撐結(jié)構(gòu)、裸柜或帶柜殼，柜殼采用鋁合金材料型式，保護(hù)采用過電壓保護(hù)、高倍過流保護(hù)、元件保護(hù)、溫度保護(hù)、主付水壓力保護(hù)、PLC失電保護(hù)、弧光保護(hù)、逆流保護(hù)及離極等多種保護(hù)功能，主保護(hù)一路通過硬接點(diǎn)直接出口跳閘，另一路通過PLC出口跳閘，同時(shí)上傳至后臺。

上傳的部分保護(hù)信號如元件損壞保護(hù)不能區(qū)分橋臂編號（整流柜分A、B柜，每柜12個(gè)臂），單臂不能區(qū)分并聯(lián)的元件管號，純水水質(zhì)信號未采集上傳及未設(shè)置水質(zhì)低保護(hù)，付水水溫水壓信號未采集上傳等。對于純水冷卻裝置的純水系統(tǒng)和付水系統(tǒng)都應(yīng)采集壓力模擬量信號，因?yàn)榧兯畨毫Ω哂诟端畨毫μ?，容易造成純水串到付水，使純水流失，需?jīng)常補(bǔ)充純水，付水壓力高于純水壓力太多，付水容易串到純水系統(tǒng)中，造成純水水質(zhì)急劇下降，導(dǎo)致純水絕緣低而發(fā)生交直流短路現(xiàn)象，且需要不斷處理水質(zhì)問題，正常運(yùn)行要求純水壓力略高于付水0.01MPa為宜，后臺計(jì)算機(jī)監(jiān)控應(yīng)采集到此路信號。純水冷卻裝置的進(jìn)出口沒有采集溫度模擬量信號。這些信號的采集通過PLC+觸摸屏作為保護(hù)裝置主單元，PLC內(nèi)部PID做系統(tǒng)控制，同時(shí)PLC還用作采集整流機(jī)組系統(tǒng)其他設(shè)備（包括調(diào)壓、整流變壓器、純水冷卻裝置、變壓器油風(fēng)冷卻器及直流大電流開關(guān)）的開關(guān)量和模擬量信號，還用作控制直流大電流開關(guān)的分合、純水冷卻裝置水泵的啟停及變壓器油風(fēng)冷卻裝置的投退等，PLC既要處理開關(guān)量信號和模擬量信號、又要處理2路PID控制，對運(yùn)算速度有較大影響，傳輸速率相

對較慢。

目前機(jī)組需采集的模擬量信號超過24點(diǎn)，開關(guān)量輸入信號超過110點(diǎn)，開關(guān)量輸出信號超過30點(diǎn)，傳統(tǒng)的PLC（如西門子S7-200）單元由于擴(kuò)展模塊數(shù)量的限制，已滿足不了發(fā)展的要求，若選用高一級別的PLC單元成本將大大增加。另外從技術(shù)角度出發(fā)，電解企業(yè)的技術(shù)力量和維護(hù)能力與設(shè)備制造企業(yè)相比存在較大差異，PLC+觸摸屏的編程組態(tài)、維護(hù)維修一般由設(shè)備制造企業(yè)完成，由于各種原因設(shè)備故障后不能及時(shí)處理，影響正常運(yùn)行和信號的上傳。

2 保護(hù)配置及信號采集和控制理念改進(jìn)

（1）在整流柜橋臂信號采集模塊設(shè)計(jì)橋臂區(qū)分單元，將每臺整流柜的12個(gè)橋臂溫度信號分別發(fā)送至整流柜PLC，整合橋臂溫度及水溫保護(hù)，經(jīng)PLC編程區(qū)分送至后臺，運(yùn)行人員可快速、準(zhǔn)確判斷升溫源，及時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行方式，退出缺陷設(shè)備進(jìn)行有針對性的

檢修。

（2）將純水冷卻裝置的純水進(jìn)出口水溫、水壓的模擬量信號、付水進(jìn)出口水溫、水壓的模擬量信號采集上傳至后臺，并設(shè)計(jì)差壓和差溫報(bào)警。這樣運(yùn)行人員才能及時(shí)掌握純水冷卻裝置的換熱效果和純付水壓力、流量，才能知道溫度交換板的結(jié)垢情況，才能將設(shè)備投產(chǎn)初期和后期運(yùn)行參數(shù)做比較，及時(shí)通知相關(guān)人員對純水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效的檢修、維護(hù)和保養(yǎng)。同時(shí)設(shè)計(jì)采集純水水質(zhì)信號上傳至后臺，在純水水質(zhì)降低至設(shè)定值時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。純水水質(zhì)測試儀應(yīng)設(shè)有水質(zhì)電阻測量功能，該信號一并采集到后臺，運(yùn)行人員可通過后臺計(jì)算機(jī)觀測到純水水質(zhì)的變化（阻值下降），確定純水處理時(shí)間。

（3）建議設(shè)計(jì)安裝整流柜均流測試儀。該裝置采集了整流柜單只元件電流、橋臂電流、整流柜總電流信號，并將同臂元件電流均流系數(shù)、臂與臂間電流均流系數(shù)、A、B柜電流均流系數(shù)以及A、B柜差流值等相關(guān)信號均上傳至后臺，通過后臺將“元件損壞”保護(hù)與均流測試儀采集的相關(guān)信號通過軟件有效融合，同時(shí)設(shè)計(jì)元件通流上下報(bào)警限值，準(zhǔn)確判斷“元件壞一”、“元件壞二”橋臂和元件損壞管號，可快速查找損壞元件。

（4）逆流與弧光保護(hù)在運(yùn)行方式上進(jìn)行有效配合，可采用單柜弧光保護(hù)動(dòng)作跳本機(jī)組與逆流保護(hù)動(dòng)作跳系列方式相結(jié)合。整流柜產(chǎn)生弧光由短路造成，而逆流保護(hù)裝置啟動(dòng)必然是前置設(shè)備短路，兩套保護(hù)串接出口可有效避免保護(hù)裝置及控制回路故障導(dǎo)致系列誤停電的現(xiàn)象，也可將兩套保護(hù)裝置并行出口，在弧光保護(hù)誤動(dòng)時(shí)僅跳本機(jī)組而不影響到系統(tǒng)。或鑒于整流柜采用橋式結(jié)構(gòu)、絕緣自支撐結(jié)構(gòu)、裸柜等方式設(shè)計(jì)，可取消弧光保護(hù)的采用。

（5）整流柜高倍過流保護(hù)是整流機(jī)組過流、速斷保護(hù)的補(bǔ)充，高倍過流保護(hù)的設(shè)定值與機(jī)組過流、速斷保護(hù)有效結(jié)合，避免保護(hù)不匹配造成系統(tǒng)頻繁跳閘導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定。離極保護(hù)在實(shí)際生產(chǎn)過程中沒有實(shí)際意義，不采用可使信號采集和后臺顯示更加清晰或在變壓器一次與閥側(cè)、閥側(cè)與整流柜輸出端采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)（該保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)研究，寧夏電力工程院已設(shè)計(jì)完成，目前進(jìn)入現(xiàn)場試運(yùn)行階段）替代上述四種保護(hù)。因?yàn)殇X業(yè)整流變壓器組在1～48級因阻抗較大，上述四種保護(hù)的靈敏度不滿足要求，一般情況下在這一級段發(fā)生事故機(jī)組及時(shí)跳開的幾率很低。

（6）將機(jī)組附屬設(shè)備必須采集的各種信號另置PLC均采集到主控后臺，主要保護(hù)信號除接入信號采集單元外，另一路直接由信號采集單元的繼電器硬接點(diǎn)接通機(jī)組跳閘回路。

（7）機(jī)組附屬設(shè)備的部分保護(hù)設(shè)置無源開關(guān)量信號、運(yùn)行模擬量信號（如溫度、壓力、流量、電流等）的采集及附屬設(shè)備的啟?？刂频龋捎弥悄荛_關(guān)量采集單元通過通訊網(wǎng)絡(luò)將信號送到主控室后臺計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)后臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

（8）近幾年國內(nèi)工控產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，智能模擬量采集單元以及智能開關(guān)量單元裝置性能穩(wěn)定，采用該裝置組成整流機(jī)組附屬設(shè)備信號采集及控制系統(tǒng)，接線簡單，檢修更換方便。智能模擬量采集單元無需信號變換和隔離、直接接入設(shè)備，全中文組態(tài)界面，能接入標(biāo)準(zhǔn)工控信號（如0～75mv、0～5V、1～5V、4～20mA、Pt100等），有數(shù)據(jù)存儲、追憶、曲線查詢、報(bào)警設(shè)置等功能，比傳統(tǒng)的PLC+觸摸屏組合方式更為簡單

適用。

（9）計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)選擇光纖通訊，后臺計(jì)算機(jī)配置多串口卡，各機(jī)組的通訊端口分開，提高采樣

速率。

鋁電解直流電源裝置是供電系統(tǒng)核心元件，也是系統(tǒng)內(nèi)薄弱環(huán)節(jié)和事故高發(fā)部位，完善保護(hù)、提高綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除缺陷將使鋁電解生產(chǎn)更加安全穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚延海.鋁電解整流機(jī)組綜合自動(dòng)化及PI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)[D].中南大學(xué)，2004.

[2] 張秀嶺，王洪永，趙建民.鋁電解生產(chǎn)中延長電解槽壽命的新措施[J].輕金屬，2008，（12）.

作者簡介：黃貴平（1967-），男，寧夏海源人，中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)有限公司動(dòng)力分公司工程師，研究方向：工業(yè)電氣技術(shù)；馬波（1975-），男（回族），寧夏吳忠人，中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)有限公司寧東分公司助理工程師，研究方向：鋁電解工業(yè)。