姚建軍

(云南云鋁泓鑫鋁業(yè)有限公司，云南芒市678400)

電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)晶閘管整流機(jī)組跳閘的分析與處理

姚建軍

(云南云鋁泓鑫鋁業(yè)有限公司，云南芒市678400)

對(duì)采用晶閘管整流的大型電解鋁廠，由于電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)的整流機(jī)組跳閘故障進(jìn)行分析研究，查找由于外部電網(wǎng)波動(dòng)引起高壓開關(guān)誤動(dòng)的原因，進(jìn)而采取措施，從根本上解決由電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)晶閘管整流機(jī)組跳閘的問題，確保鋁電解生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定。

故障跳閘;電網(wǎng)波動(dòng);晶閘管整流器;工廠供電

0 引言

隨著電解鋁行業(yè)的快速發(fā)展，大功率整流機(jī)組和整流變壓器相繼應(yīng)用于變電整流系統(tǒng)中[1]。晶閘管整流機(jī)組由于控制和反饋的技術(shù)特點(diǎn)，加之整流變壓器特殊的結(jié)構(gòu)，給保護(hù)配置帶來一定困難，容易在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)引發(fā)電量保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致整流機(jī)組跳閘，不但造成電解系列電流大幅波動(dòng)影響生產(chǎn)，同時(shí)也給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來隱患[2]。

該文從某電解鋁廠多次由外電網(wǎng)波動(dòng)引起的整流機(jī)組跳閘故障入手，通過對(duì)晶閘管整流機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，查找由于外部電網(wǎng)波動(dòng)引起高壓開關(guān)誤動(dòng)的原因，進(jìn)而采取措施，從根本上解決由電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)晶閘管整流機(jī)組跳閘的問題，確保鋁電解生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定。

1 電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)晶閘管整流機(jī)組跳閘的原因分析

1.1 晶閘管整流機(jī)組跳閘故障的統(tǒng)計(jì)情況

電解鋁廠由5臺(tái)220 kV變電整流機(jī)組供電，運(yùn)行方式為4用1備。2010年3月以來，出現(xiàn)多次電量保護(hù)跳閘，見表1。

1.2 故障時(shí)的運(yùn)行方式

跳閘故障發(fā)生時(shí)，I回進(jìn)線供電帶220 kV的I段母線，I段母線通過母聯(lián)向220 kV的II段母線供電，5臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行于220 kV的II段母線，I回進(jìn)線與外網(wǎng)相連，其運(yùn)行方式見圖1。

表1 某鋁廠220 kV整流機(jī)組跳閘故障統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistic for 220 kV Rectifier Unit Tripping Fault of an Aluminum Factory

圖1 整流機(jī)組故障時(shí)的運(yùn)行方式Fig.1 Operation Mode during Rectifier Unit Fault

1.3 故障起因

當(dāng)外部電網(wǎng)出現(xiàn)電壓瞬間波動(dòng)(如瞬間某相重合閘)，N臺(tái)整流機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷，給鋁電解生產(chǎn)帶來很大的影響，同時(shí)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大隱患。從圖1可看出當(dāng)外部電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，位于整流變壓器末端的整流機(jī)組并無故障發(fā)生。調(diào)壓變壓器單設(shè)保護(hù)裝置并配置保護(hù)定值，整流變壓器A和整流變壓器B單設(shè)保護(hù)裝置并配置保護(hù)定值，每次外部電網(wǎng)電壓波動(dòng)均是整流變壓器A或整流變壓器B過流跳閘，沒有出現(xiàn)調(diào)壓變壓器保護(hù)動(dòng)作。為此，準(zhǔn)確分析查找多臺(tái)整流機(jī)組過流保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的原因成為處理故障、采取措施預(yù)防類似跳閘故障繼續(xù)發(fā)生的關(guān)鍵因素。

1.4 晶閘管整流機(jī)組跳閘故障的原因

通過對(duì)跳閘時(shí)交流錄波監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)線電壓瞬間(某相)確有降低。直流錄波監(jiān)測(cè)表明整流機(jī)組跳閘時(shí)電解無效應(yīng)，整流機(jī)組沒有任何報(bào)警信號(hào)。因此從交直流兩側(cè)的錄波可以判斷是整流變壓器過流保護(hù)動(dòng)作引起跳閘。從圖1可知，整流變壓器過流引發(fā)保護(hù)定值動(dòng)作可能有兩種原因:一是整流變壓器內(nèi)部短路;二是整流機(jī)組在電壓波動(dòng)下瞬間有過負(fù)荷情況。一般而言變壓器內(nèi)部短路必然伴隨瓦斯動(dòng)作，而實(shí)際瓦斯卻從未動(dòng)作。查看了上位機(jī)所有機(jī)組過流跳閘相關(guān)的報(bào)警和跳閘記錄，有3方面原因可以排除是DCS800同步報(bào)警引起的問題:①綜自系統(tǒng)上沒有出現(xiàn)過DCS800關(guān)于同步采樣的報(bào)警或跳閘信號(hào)，說明同步采樣一直正常;②如果是因同步問題引起過流跳閘，那么出現(xiàn)多次整流變壓器過流跳閘時(shí)，調(diào)壓變壓器過流保護(hù)不會(huì)一次都沒有出現(xiàn);③8月份以后的整流機(jī)組跳閘記錄上，均為兩機(jī)組跳閘，但仍有兩臺(tái)整流機(jī)組正常運(yùn)行，無任何報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)。因此，整流變壓器保護(hù)動(dòng)作的原因初步判斷為整流機(jī)組在外部電網(wǎng)電壓波動(dòng)下瞬間有過負(fù)荷情況發(fā)生。

晶閘管整流的穩(wěn)流控制，是依靠交流反饋和直流反饋在穩(wěn)流控制器內(nèi)通過PID控制完成的。因此，晶閘管整流機(jī)組輸出電流的大小只與交流反饋和直流反饋有關(guān)系。電解系列在穩(wěn)定的工藝下其電壓基本穩(wěn)定也決定了電流基本穩(wěn)定，那么整流機(jī)組的過負(fù)荷就與交流反饋有關(guān)，而交流反饋受電網(wǎng)電壓影響。

為了準(zhǔn)確分析和查找故障原因，我們模擬了類似跳閘故障發(fā)生時(shí)交流反饋情況。

(1)突然升降有載檔位模擬電網(wǎng)電壓波動(dòng)得出錄波曲線

突然升降有載檔位模擬電網(wǎng)電壓波動(dòng)濾波曲線見圖2，從圖2的曲線中可以看出機(jī)組直流電流瞬時(shí)超調(diào)值為12.2%時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為0.4 s。

(2)通過封鎖整流機(jī)組脈沖模擬運(yùn)行中整流機(jī)組負(fù)荷突變

通過封鎖整流機(jī)組脈沖模擬運(yùn)行中整流機(jī)組負(fù)荷突變示意圖見圖3，從圖3可以看出機(jī)組直流電流瞬時(shí)超調(diào)值為25.9%，響應(yīng)時(shí)間為0.5 s。

圖2 突然升降有載檔位模擬電網(wǎng)電壓波動(dòng)錄波曲線示意圖Fig.2 Sketch Map of Wave Record Curve for Suddenly Lifting On－load Position Stimulating Voltage Fluctuation

圖3 封鎖整流機(jī)組脈沖模擬運(yùn)行中整流機(jī)組負(fù)荷突變示意圖Fig.3 Sketch Map for Blockade Rectifier Unit Pulse Stimulating Sudden Load Change in Rectifier Unit Operation

(3)通過階躍試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行中整流機(jī)組突然人為給定電流

階躍測(cè)試是用來檢驗(yàn)穩(wěn)流暫態(tài)品質(zhì)的方法，即瞬間改變整流器直流電流輸出值，記錄直流電流跟隨時(shí)的超調(diào)幅值和響應(yīng)時(shí)間。超調(diào)幅值越小，響應(yīng)時(shí)間越短，說明穩(wěn)流暫態(tài)品質(zhì)越好;反之，超調(diào)幅值越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，說明穩(wěn)流暫態(tài)品質(zhì)越差。整流機(jī)組通過階躍試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行中突然人為給定電流運(yùn)行示意圖見圖4，從圖4可以看出，做幅值為負(fù)48%的階躍測(cè)試，單機(jī)組直流電流瞬時(shí)超調(diào)值為2%，響應(yīng)時(shí)間0.6 s。

從試驗(yàn)中不難看出，晶閘管整流機(jī)組在跟隨反饋調(diào)節(jié)輸出時(shí)是存在超調(diào)和具有一定時(shí)限的。經(jīng)過核對(duì)整流變壓器保護(hù)定值發(fā)現(xiàn)過流動(dòng)作時(shí)限為0.5 s，而試驗(yàn)得出最大超調(diào)時(shí)限為0.6 s，所以當(dāng)外部電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)保護(hù)時(shí)限過小無法躲過整流機(jī)組超調(diào)而跳閘。

圖4 整流機(jī)組通過階躍試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行中突然人為給定電流運(yùn)行示意圖Fig.4 Sketch Map for Rectifier Unit via Step Test Stimulating Sudden Man－given Electric Current Working in Operation

2 對(duì)整流變壓器、整流機(jī)組保護(hù)定值的整定建議

根據(jù)以上分析，我們對(duì)整流變壓器、整流機(jī)組的保護(hù)定值進(jìn)行了梳理。該鋁廠整流機(jī)組的參數(shù)為900 V/2×38 kA，整流機(jī)組的直流電流的保護(hù)整定值見表2。

表2 整流機(jī)組的直流電流的保護(hù)整定值Tab.2 Protection Setting of Direct Current for Rectifier Unit

以第4行整定值為例進(jìn)行說明:①正常運(yùn)行機(jī)組單柜直流電流≥2.09×38 kA，3 s跳閘保護(hù);②元件損壞1個(gè)，運(yùn)行機(jī)組單柜直流電流≥1.65×38 kA，3 s跳閘保護(hù)。這兩個(gè)直流電流整定值折算到整流變壓器的網(wǎng)側(cè)分別為460.3 A和363.4 A，折算到調(diào)壓變壓器的二次分別為920.6 A和726.8 A。

為了避免在外部電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)因保護(hù)時(shí)限過小無法躲過整流機(jī)組超調(diào)而跳閘的情況，我們對(duì)整流變壓器的過流保護(hù)整定值進(jìn)行了計(jì)算，此整定值計(jì)算出了整流變壓器的過載能力:

式中:220.7 A——為整流變壓器網(wǎng)側(cè)角接或星接的額定電流;300 A——為整流變壓器網(wǎng)側(cè)CT的電流比。

保護(hù)時(shí)間:

式中:α =1，β =13.5，k=0.1。

保護(hù)整定推薦值見表3。以第3列，I/I＞=1.5，t=2.7s為例進(jìn)行說明:I/I＞為網(wǎng)側(cè)角接或星接過流倍數(shù)，當(dāng)整流變壓器網(wǎng)側(cè)電流測(cè)量為1.5×220.7 A時(shí)，即CT測(cè)量網(wǎng)側(cè)折算二次電流為1.5×220.7/300= 1.10 A時(shí)，2.7s過流跳閘保護(hù)動(dòng)作。

表3 推薦的整流機(jī)組保護(hù)定值Tab.3 Recommended Rectifier Unit Protection Setting

3 效果驗(yàn)證

對(duì)該鋁廠的整流變壓器、整流機(jī)組的保護(hù)定值按照以上計(jì)算進(jìn)行設(shè)置后，充分考慮了晶閘管整流機(jī)組控制跟隨時(shí)限，有效避免了保護(hù)誤動(dòng)，由于外部電網(wǎng)波動(dòng)引起的整流機(jī)組跳閘現(xiàn)象得到了改善。

通過對(duì)整流變壓器保護(hù)誤動(dòng)進(jìn)行深入分析并采取應(yīng)對(duì)措施，避免了嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的不良因素，同時(shí)為電解鋁企業(yè)類似問題提供了技術(shù)借鑒，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到積極作用。

4 結(jié)語

(1)通過對(duì)整流變壓器保護(hù)誤動(dòng)進(jìn)行深入分析并采取應(yīng)對(duì)措施，避免了嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的不良因素，同時(shí)為電解鋁企業(yè)類似問題提供了技術(shù)借鑒，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到積極作用。

(2)國(guó)內(nèi)晶閘管整流器使用廠家，應(yīng)在整流變壓器、調(diào)壓變壓器保護(hù)定值設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，考慮晶閘管整流器穩(wěn)流裝置超調(diào)時(shí)限與變壓器保護(hù)定值的配合，不斷總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以降低電解鋁生產(chǎn)企業(yè)非計(jì)劃性停電帶來的經(jīng)濟(jì)效益損失和保證電網(wǎng)運(yùn)行安全。

[1]張全元.變電運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問答[M].北京:中國(guó)電力出版社，2009.

Analysis and Treatment on Thyristor Rectifier Unit Tripping Caused by Power Fluctuation

YAO Jiang－jun
(Hongxin Aluminum Limited Company of Yunnan Aluminum Industry Co.Ltd，Mangshi，Yunnan 678400，China)

For large－scale electrolytic Aluminum factory of using thyristor rectifier，analytical investigation to rectifier unit tripping caused by power fluctuation was carried out.Through finding out the reason for misoperation of high voltage switch stirred up due to external power grid fluctuation and then taking measures，the problem of power grid fluctuation leading to thyristor rectifier unit tripping was fundamentally solved so as to ensure sustained and steady production.

fault tripping;power fluctuation;thyristor rectifier unit;plant power supply

TM13

A

1004－2660(2012)02－0034－04

2012－03－05.

姚建軍(1971－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:有色金屬冶煉.