整流機(jī)組無信號跳閘原因分析*

王 敏，師華峰，吳俊杰，孔凡成，李愿飛，陳飛飛，李 兵

（云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300）

中國是世界電解鋁工業(yè)大國，隨著電解鋁冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋁電解槽的系列電流強(qiáng)度增加到了500 kA、600 kA，對鋁電解的硅整流裝置在可靠性和容量方面提出了更高的要求。目前，國內(nèi)大部分鋁電解整流器的制造技術(shù)源于20世紀(jì)80年代初引進(jìn)日本FUJI公司的產(chǎn)品[1]，當(dāng)時的整流參數(shù)為單柜30 kA、750 V，其優(yōu)點(diǎn)就是通過整流相間的同向逆并聯(lián)，相互抵消磁通，減少能耗。國內(nèi)同行通過近20多年的努力，鋁電解整流器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，可以支撐600 kA、660 kA超大型鋁電解槽技術(shù)發(fā)展[2]。

整流機(jī)組是一種大功率的整流設(shè)備，由整流變壓器、整流器、控制柜等設(shè)備組成[3]，主要用于電解、電鍍和電泳時充當(dāng)電源設(shè)備，為盡量降低設(shè)備故障帶來的損失，除整流變壓器配備相應(yīng)的電量和非電量跳閘保護(hù)設(shè)施外，整流器也必須配置相應(yīng)的電量和非電量保護(hù)，在整流變壓器或者整流器硬件發(fā)生相應(yīng)異常或故障時，及時報警和跳閘，盡快隔離故障設(shè)備，防止引發(fā)二次事故而給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 一般整流機(jī)組保護(hù)跳閘信號配置

整流變壓器方面：電量保護(hù)一般配置定時限過流保護(hù)、速斷保護(hù)和間隙保護(hù)等，非電量保護(hù)一般配置瓦斯保護(hù)、油溫保護(hù)、壓力保護(hù)等[4]。

整流器方面：電量保護(hù)一般配置定時限過流保護(hù)、過電壓保護(hù)、換向保護(hù)等[3]。非電量保護(hù)一般配置母線溫度保護(hù)、冷卻水流量保護(hù)、水溫保護(hù)、水質(zhì)保護(hù)、元件壞二等[6]。

以上保護(hù)動作后，正常情況下，相應(yīng)的保護(hù)跳閘信號必須在現(xiàn)場保護(hù)裝置或者后臺操作界面得到體現(xiàn)。以整流器保護(hù)跳閘為例，當(dāng)直流側(cè)電量參數(shù)發(fā)生異常時，熔斷器熔斷將會促使直流保護(hù)微動開關(guān)動作，微動開關(guān)觸點(diǎn)F6.1或者F6.2立即斷開，直流保護(hù)繼電器K612失電動作，原理如圖1所示。交流保護(hù)、換向保護(hù)等動作原理與直流保護(hù)動作原理類似。

圖1 直流保護(hù)（整流器保護(hù)之一）微動開關(guān)觸點(diǎn)Fig.1 Touch spot of micro switch for DC protection (one of rectifier protection)

直流保護(hù)繼電器K612動作后，其輔助觸點(diǎn)動作信號輸入PLC的DI模塊A528，從而使現(xiàn)場操作屏和上位機(jī)上發(fā)出直流保護(hù)報警信號，同時使整流器硬件跳閘繼電器K690動作信號輸入PLC的DI模塊A531，現(xiàn)場操作屏和上位機(jī)發(fā)硬件跳閘信號，如圖2所示。

圖2 直流保護(hù)、硬件跳閘保護(hù)等DI信號Fig.2 DI signal of DC protection,hardware trip protection

整流器硬件跳閘繼電器K690動作后，其輔助觸點(diǎn)使時間繼電器K850丟失觸發(fā)電壓信號，延時后使時間繼電器K850動作，聯(lián)鎖驅(qū)動繼電器K830動作，最終使跳閘繼電器TJ動作，原理如圖3所示，完成一次直流保護(hù)動作跳閘。

圖3 聯(lián)鎖跳閘觸點(diǎn)動作原理圖Fig.3 Action schematic diagram of touch point for interlock tripping

2 跳閘過程分析及處理

2.1 第一次跳閘分析處理

某企業(yè)220 kV開關(guān)站一臺整流機(jī)組在運(yùn)行過程中，突然發(fā)生跳閘事故，主控室上位機(jī)無任何故障報警信號，經(jīng)現(xiàn)場檢查，通訊系統(tǒng)完好，就地控制LCP柜操作屏上無任何故障報警信號，整流變壓器保護(hù)裝置未發(fā)出任何故障報警信號，整流設(shè)備也無異常現(xiàn)象，跳閘繼電器TJ仍然處在動作狀態(tài)，檢查整流變壓器保護(hù)裝置并未開出跳閘信號，隨即開始檢查整流器跳閘回路，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動跳閘繼電器動作的上級繼電器K830動作，K830作為驅(qū)動繼電器，以下四種情況中的任何一種都可以導(dǎo)致K830動作：①就地控制LCP柜發(fā)出急停跳閘命令；②主控MCP柜發(fā)出急停跳閘命令；③PLC開關(guān)量輸出量模塊發(fā)出跳閘命令；④整流器發(fā)生過壓、快熔損壞等故障。前三種命令都是直接使K830動作；而第四種情況當(dāng)整流器發(fā)生過壓、快熔損壞等故障時，延時1 s后會使時間繼電器K850斷電延時動作，從而聯(lián)鎖K830驅(qū)動跳閘繼電器TJ動作，最終使整流機(jī)組跳閘，對時間繼電器K850檢查后發(fā)現(xiàn)K850處于動作狀態(tài)未復(fù)位，測量時間繼電器的24 V電源接點(diǎn)A1、A2正常，斷電延時觸發(fā)信號Y接點(diǎn)電壓正常，而整流器過壓、快熔損壞等中間繼電器均未動作，根據(jù)以上現(xiàn)象，判斷導(dǎo)致跳閘的原因?yàn)闀r間繼電器K850損壞，更換時間繼電器K850后，驅(qū)動繼電器K830復(fù)位，跳閘繼電器TJ復(fù)位，對該整流機(jī)組嘗試送電，升至正常負(fù)荷運(yùn)行正常。

2.2 第2次跳閘分析處理

該整流機(jī)組運(yùn)行一天后，再次發(fā)生跳閘，此次跳閘現(xiàn)象和第一次跳閘完全一致，考慮更換的時間繼電器K850可能有缺陷，再次更換新的時間繼電器后，送電運(yùn)行正常。

2.3 第3次跳閘分析處理

運(yùn)行數(shù)天后，該整流機(jī)組第三次發(fā)生跳閘，現(xiàn)場檢查跳閘繼電器TJ和其他中間繼電器都已復(fù)位，所有設(shè)備處于正常狀態(tài)，無任何故障報警信號。綜合前兩次各個繼電器動作情況，能肯定的是時間繼電器K850動作過了，能使時間繼電器K850動作的條件有以下兩種：①電源丟失；②斷電延時觸發(fā)信號丟失超過1 s。根據(jù)第一個條件檢查并更換了時間繼電器K850的24 V開關(guān)電源和電源線路，根據(jù)第二個條件整流器硬件跳閘繼電器K690動作直接使斷電延時觸發(fā)信號丟失，所以更換了K690繼電器和斷電延時觸發(fā)信號線路，加裝監(jiān)測繼電器用于監(jiān)測K690繼電器是否發(fā)生動作，并手動測試了與整流器硬件跳閘繼電器關(guān)聯(lián)的快熔微動開關(guān)和溫度異常信號，全部信號能正常報出，整流機(jī)組再次送電運(yùn)行正常。

2.4 第4次跳閘分析處理

運(yùn)行一天后，該整流機(jī)組第四次發(fā)生跳閘，現(xiàn)場檢查跳閘繼電器TJ和時間繼電器K850動作未復(fù)位，加裝的監(jiān)測繼電器動作，這足以證明整流器硬件跳閘繼電器K690動作過，說明導(dǎo)致跳閘的原因一定是整流器硬件跳閘繼電器K690關(guān)聯(lián)的保護(hù)動作，再一次對相關(guān)保護(hù)的微動開關(guān)和溫度保護(hù)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)直流保護(hù)微動開關(guān)F6.1接線松動，在靜態(tài)下接觸點(diǎn)是良好的，且接觸點(diǎn)在絕緣套下難以發(fā)現(xiàn)，但是整流機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時，整流橋臂和直流母線在電磁力作用下會產(chǎn)生震動，很可能使觸點(diǎn)發(fā)生閃動，從而導(dǎo)致直流保護(hù)繼電器K612和整流器硬件跳閘繼電器K690動作，斷電延時繼電器K850因K690動作超過1 s丟失觸發(fā)電壓信號而動作，K850動作使跳閘驅(qū)動繼電器K830動作，最終跳閘繼電器TJ動作使整流機(jī)組發(fā)生跳閘。

但是，此處有兩點(diǎn)疑點(diǎn)：①快熔損壞、交直流保護(hù)、換向保護(hù)、溫度保護(hù)和快熔監(jiān)測板電源保護(hù)中的任何一個保護(hù)動作時，相應(yīng)繼電器動作都會將信號輸入PLC的DI模塊，上位機(jī)會有相應(yīng)的故障報警信號，整流器硬件跳閘繼電器K690也將發(fā)信號至PLC，后臺報整流器硬件跳閘信號，但是以上信號全部沒有；②四次跳閘，三次時間繼電器斷電延時觸發(fā)信號恢復(fù)后未復(fù)位，只有一次正常復(fù)位，新的時間繼電器多次測試正常后才進(jìn)行更換，并且換下的時間繼電器也進(jìn)行了多次測試，測試結(jié)果正常，斷電延時觸發(fā)信號恢復(fù)后為什么不能復(fù)位呢？

根據(jù)疑點(diǎn)一，推斷PLC開關(guān)量輸入模塊DI在收到信號后，會有一個超過1 s的延時，目的是避免誤報。使用信號發(fā)生器將信號直接輸入DI模塊直流保護(hù)通道和硬件跳閘通道，計時2 s，就地控制LCP柜控制屏上報出直流保護(hù)信號和硬件跳閘信號，上位機(jī)也報出相應(yīng)信號，嘗試輸入交流保護(hù)、溫度保護(hù)等硬件跳閘信號，依然有2 s的延時。然而硬件跳閘時間繼電器K850僅延時1 s直接開出跳閘信號，所以，當(dāng)直流保護(hù)等硬件跳閘微動開關(guān)動作1 s后立即復(fù)位時，可以使時間繼電器K850動作，最終跳閘繼電器TJ動作，而后臺報警信號因?yàn)檠訒r不到2 s，無法報出故障信號。

根據(jù)疑點(diǎn)二，推斷斷電延時時間繼電器K850在強(qiáng)電磁場環(huán)境下，觸發(fā)信號丟失1 s后立即重新加上，有一定概率出現(xiàn)無法復(fù)位現(xiàn)象。在較強(qiáng)電磁場環(huán)境下，使用信號發(fā)生器給時間繼電器加載一個周期為1.5 s的觸發(fā)脈沖信號，經(jīng)過10 min的測試，時間繼電器出現(xiàn)了無法復(fù)位的現(xiàn)象，重新上電后恢復(fù)正常。

3 跳閘原因總結(jié)

以上分析和試驗(yàn)證明了導(dǎo)致整流機(jī)組發(fā)生四次跳閘的原因，就是直流保護(hù)微動開關(guān)F6.1接線松動，整流機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動使松動的接線反復(fù)斷開和接觸，但是斷開時間僅有1 s左右，觸點(diǎn)斷開后使直流保護(hù)繼電器K612動作，聯(lián)鎖整流器硬件跳閘繼電器K690動作，使斷電延時繼電器K850失去觸發(fā)電壓信號而動作，從而聯(lián)鎖跳閘驅(qū)動繼電器K830動作，最終聯(lián)鎖跳閘繼電器TJ動作使整流機(jī)組發(fā)生跳閘事件。而整流機(jī)組就地控制柜操作屏和上位機(jī)均未發(fā)出報警信號的原因是由于PLC的DI信號延時設(shè)置不合理。如圖4所示。

圖4 整流機(jī)組直流保護(hù)跳閘過程Fig.4 Tripping process of DC protection of rectifier units

4 預(yù)防及措施

4.1 設(shè)計方面

電力電子電路通常以電力電子器件為核心，通過對不同電路拓?fù)涞牟煌刂品绞絹韺?shí)現(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制[7]，為防止類似跳閘事件發(fā)生時被電子器件的信號影響判斷，提升設(shè)備運(yùn)行可靠性，在電氣專業(yè)項(xiàng)目中進(jìn)行設(shè)計選型時，特殊環(huán)境下需考慮設(shè)備的抗干擾能力，避免各類設(shè)備、裝置發(fā)生誤動或者拒動。特別是強(qiáng)磁場環(huán)境下選用到電子類設(shè)備時，電子產(chǎn)品工作時其內(nèi)部和外部通常會存在多種電磁干擾。為防止此類干擾影響到設(shè)備的正常工作，通常采取以下方案和措施：①盡可能選擇本身具備較強(qiáng)抗干擾能力的設(shè)備，在不具備選型條件時，采取抑制電磁干擾的措施，削弱磁耦合現(xiàn)象，采用導(dǎo)磁率高的鐵磁性材料作為屏蔽物，并將屏蔽物進(jìn)行良好接地，利用屏蔽物對干擾電磁波的反射和吸收作用，衰減干擾電磁場的能量；②強(qiáng)電信號和弱電信號應(yīng)該分開布置，禁止強(qiáng)電信號和弱電信號采用同一根電纜，重要的信號電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，并將電纜屏蔽層一端接地，長距離的通信線路盡量選擇光纖傳輸方式。將干擾因素降至最低[8]。

4.2 改造方面

合理設(shè)置PLC信號延時時間，既要考慮避開誤動跳閘信號，又要在動作時能夠做出正確反映，在發(fā)生類似觸點(diǎn)閃動事件時，跳閘同時也能正確報出故障信號，對各個關(guān)鍵部件和控制環(huán)節(jié)完善監(jiān)測報警信號，避免監(jiān)測盲區(qū)，方便查找故障。

4.3 運(yùn)維方面

對于各類整流設(shè)備，其控制系統(tǒng)的電源必須保證純潔性、穩(wěn)定性和可靠性[9]。常態(tài)化監(jiān)測各個連接點(diǎn)的溫度變化趨勢，一、二次設(shè)備的聲音異常情況，現(xiàn)場信號反饋情況，及后臺通信情況等。同時要定期進(jìn)行維護(hù)管理，維護(hù)時包含外觀灰塵清理、冷卻系統(tǒng)維護(hù)、監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)維護(hù)，部分電氣設(shè)備雖然在各類試驗(yàn)規(guī)程里沒有做硬性要求，但是對于一些關(guān)鍵性設(shè)備和部件，應(yīng)該按照試驗(yàn)要求，舉一反三，定期檢查設(shè)備絕緣情況、觸點(diǎn)通斷情況，同時，要定期檢查各類設(shè)備金屬外殼、箱體的接地情況，及時消除隱患。備品備件方面，對于一些采購周期較長的配件，必須提前謀劃，準(zhǔn)備足量的關(guān)鍵性部件，在設(shè)備發(fā)生異常時，能夠及時更換處理，避免長時間停機(jī)。

5 應(yīng)用情況及效果

本次整流機(jī)組故障處理，選擇了穩(wěn)定性更高的時間繼電器進(jìn)行替代，增加了監(jiān)測繼電器對二次回路盲區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，同時優(yōu)化了時間繼電器動作時間和PLC程序，經(jīng)過在該整流機(jī)組多次試驗(yàn)，保護(hù)微動開關(guān)觸點(diǎn)在發(fā)生震動時，觸點(diǎn)斷開后立即閉合不會促使跳閘繼電器動作，有效避免了因震動引起的誤跳閘，同時信號也能在現(xiàn)場控制屏和上位機(jī)正確反映出來。

6 結(jié)語

1）應(yīng)用多種方法找到了導(dǎo)致整流機(jī)組無信號跳閘的根本原因就是直流保護(hù)微動開關(guān)工作狀態(tài)接線松動；

2）元件的不穩(wěn)定性、二次回路存在監(jiān)測盲區(qū)和PLC程序的設(shè)計缺陷共同作用，誤導(dǎo)了檢修人員對故障原因的分析和判斷；

3）從設(shè)計、改造和運(yùn)維方面給出了改善建議和措施，為類似故障的分析和預(yù)防提供了參考方向，對于提高電解鋁行業(yè)系列直流電流輸送的可靠性具有積極促進(jìn)作用。