电网波动引发晶闸管整流机组跳闸的分析与处理

姚建军

(云南云铝泓鑫铝业有限公司，云南芒市678400)

电网波动引发晶闸管整流机组跳闸的分析与处理

姚建军

(云南云铝泓鑫铝业有限公司，云南芒市678400)

对采用晶闸管整流的大型电解铝厂，由于电网波动引发的整流机组跳闸故障进行分析研究，查找由于外部电网波动引起高压开关误动的原因，进而采取措施，从根本上解决由电网波动引发晶闸管整流机组跳闸的问题，确保铝电解生产的持续稳定。

故障跳闸;电网波动;晶闸管整流器;工厂供电

0 引言

随着电解铝行业的快速发展，大功率整流机组和整流变压器相继应用于变电整流系统中[1]。晶闸管整流机组由于控制和反馈的技术特点，加之整流变压器特殊的结构，给保护配置带来一定困难，容易在电网波动时引发电量保护动作导致整流机组跳闸，不但造成电解系列电流大幅波动影响生产，同时也给电网安全运行带来隐患[2]。

该文从某电解铝厂多次由外电网波动引起的整流机组跳闸故障入手，通过对晶闸管整流机组控制系统进行深入分析，查找由于外部电网波动引起高压开关误动的原因，进而采取措施，从根本上解决由电网波动引发晶闸管整流机组跳闸的问题，确保铝电解生产的持续稳定。

1 电网波动引发晶闸管整流机组跳闸的原因分析

1.1 晶闸管整流机组跳闸故障的统计情况

电解铝厂由5台220 kV变电整流机组供电，运行方式为4用1备。2010年3月以来，出现多次电量保护跳闸，见表1。

1.2 故障时的运行方式

跳闸故障发生时，I回进线供电带220 kV的I段母线，I段母线通过母联向220 kV的II段母线供电，5台整流机组运行于220 kV的II段母线，I回进线与外网相连，其运行方式见图1。

表1 某铝厂220 kV整流机组跳闸故障统计表Tab.1 Statistic for 220 kV Rectifier Unit Tripping Fault of an Aluminum Factory

图1 整流机组故障时的运行方式Fig.1 Operation Mode during Rectifier Unit Fault

1.3 故障起因

当外部电网出现电压瞬间波动(如瞬间某相重合闸)，N台整流机组同时甩负荷，给铝电解生产带来很大的影响，同时给电网安全稳定运行带来极大隐患。从图1可看出当外部电网电压波动时，位于整流变压器末端的整流机组并无故障发生。调压变压器单设保护装置并配置保护定值，整流变压器A和整流变压器B单设保护装置并配置保护定值，每次外部电网电压波动均是整流变压器A或整流变压器B过流跳闸，没有出现调压变压器保护动作。为此，准确分析查找多台整流机组过流保护同时动作的原因成为处理故障、采取措施预防类似跳闸故障继续发生的关键因素。

1.4 晶闸管整流机组跳闸故障的原因

通过对跳闸时交流录波监测，发现进线电压瞬间(某相)确有降低。直流录波监测表明整流机组跳闸时电解无效应，整流机组没有任何报警信号。因此从交直流两侧的录波可以判断是整流变压器过流保护动作引起跳闸。从图1可知，整流变压器过流引发保护定值动作可能有两种原因:一是整流变压器内部短路;二是整流机组在电压波动下瞬间有过负荷情况。一般而言变压器内部短路必然伴随瓦斯动作，而实际瓦斯却从未动作。查看了上位机所有机组过流跳闸相关的报警和跳闸记录，有3方面原因可以排除是DCS800同步报警引起的问题:①综自系统上没有出现过DCS800关于同步采样的报警或跳闸信号，说明同步采样一直正常;②如果是因同步问题引起过流跳闸，那么出现多次整流变压器过流跳闸时，调压变压器过流保护不会一次都没有出现;③8月份以后的整流机组跳闸记录上，均为两机组跳闸，但仍有两台整流机组正常运行，无任何报警信号出现。因此，整流变压器保护动作的原因初步判断为整流机组在外部电网电压波动下瞬间有过负荷情况发生。

晶闸管整流的稳流控制，是依靠交流反馈和直流反馈在稳流控制器内通过PID控制完成的。因此，晶闸管整流机组输出电流的大小只与交流反馈和直流反馈有关系。电解系列在稳定的工艺下其电压基本稳定也决定了电流基本稳定，那么整流机组的过负荷就与交流反馈有关，而交流反馈受电网电压影响。

为了准确分析和查找故障原因，我们模拟了类似跳闸故障发生时交流反馈情况。

(1)突然升降有载档位模拟电网电压波动得出录波曲线

突然升降有载档位模拟电网电压波动滤波曲线见图2，从图2的曲线中可以看出机组直流电流瞬时超调值为12.2%时，响应时间为0.4 s。

(2)通过封锁整流机组脉冲模拟运行中整流机组负荷突变

通过封锁整流机组脉冲模拟运行中整流机组负荷突变示意图见图3，从图3可以看出机组直流电流瞬时超调值为25.9%，响应时间为0.5 s。

图2 突然升降有载档位模拟电网电压波动录波曲线示意图Fig.2 Sketch Map of Wave Record Curve for Suddenly Lifting On－load Position Stimulating Voltage Fluctuation

图3 封锁整流机组脉冲模拟运行中整流机组负荷突变示意图Fig.3 Sketch Map for Blockade Rectifier Unit Pulse Stimulating Sudden Load Change in Rectifier Unit Operation

(3)通过阶跃试验模拟运行中整流机组突然人为给定电流

阶跃测试是用来检验稳流暂态品质的方法，即瞬间改变整流器直流电流输出值，记录直流电流跟随时的超调幅值和响应时间。超调幅值越小，响应时间越短，说明稳流暂态品质越好;反之，超调幅值越大，响应时间越长，说明稳流暂态品质越差。整流机组通过阶跃试验模拟运行中突然人为给定电流运行示意图见图4，从图4可以看出，做幅值为负48%的阶跃测试，单机组直流电流瞬时超调值为2%，响应时间0.6 s。

从试验中不难看出，晶闸管整流机组在跟随反馈调节输出时是存在超调和具有一定时限的。经过核对整流变压器保护定值发现过流动作时限为0.5 s，而试验得出最大超调时限为0.6 s，所以当外部电网波动时保护时限过小无法躲过整流机组超调而跳闸。

图4 整流机组通过阶跃试验模拟运行中突然人为给定电流运行示意图Fig.4 Sketch Map for Rectifier Unit via Step Test Stimulating Sudden Man－given Electric Current Working in Operation

2 对整流变压器、整流机组保护定值的整定建议

根据以上分析，我们对整流变压器、整流机组的保护定值进行了梳理。该铝厂整流机组的参数为900 V/2×38 kA，整流机组的直流电流的保护整定值见表2。

表2 整流机组的直流电流的保护整定值Tab.2 Protection Setting of Direct Current for Rectifier Unit

以第4行整定值为例进行说明:①正常运行机组单柜直流电流≥2.09×38 kA，3 s跳闸保护;②元件损坏1个，运行机组单柜直流电流≥1.65×38 kA，3 s跳闸保护。这两个直流电流整定值折算到整流变压器的网侧分别为460.3 A和363.4 A，折算到调压变压器的二次分别为920.6 A和726.8 A。

为了避免在外部电网波动时出现因保护时限过小无法躲过整流机组超调而跳闸的情况，我们对整流变压器的过流保护整定值进行了计算，此整定值计算出了整流变压器的过载能力:

式中:220.7 A——为整流变压器网侧角接或星接的额定电流;300 A——为整流变压器网侧CT的电流比。

保护时间:

式中:α =1，β =13.5，k=0.1。

保护整定推荐值见表3。以第3列，I/I＞=1.5，t=2.7s为例进行说明:I/I＞为网侧角接或星接过流倍数，当整流变压器网侧电流测量为1.5×220.7 A时，即CT测量网侧折算二次电流为1.5×220.7/300= 1.10 A时，2.7s过流跳闸保护动作。

表3 推荐的整流机组保护定值Tab.3 Recommended Rectifier Unit Protection Setting

3 效果验证

对该铝厂的整流变压器、整流机组的保护定值按照以上计算进行设置后，充分考虑了晶闸管整流机组控制跟随时限，有效避免了保护误动，由于外部电网波动引起的整流机组跳闸现象得到了改善。

通过对整流变压器保护误动进行深入分析并采取应对措施，避免了严重威胁生产安全和电网稳定运行的不良因素，同时为电解铝企业类似问题提供了技术借鉴，为电网安全稳定运行起到积极作用。

4 结语

(1)通过对整流变压器保护误动进行深入分析并采取应对措施，避免了严重威胁生产安全和电网稳定运行的不良因素，同时为电解铝企业类似问题提供了技术借鉴，为电网安全稳定运行起到积极作用。

(2)国内晶闸管整流器使用厂家，应在整流变压器、调压变压器保护定值设计计算时，考虑晶闸管整流器稳流装置超调时限与变压器保护定值的配合，不断总结运行经验，以降低电解铝生产企业非计划性停电带来的经济效益损失和保证电网运行安全。

[1]张全元.变电运行现场技术问答[M].北京:中国电力出版社，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.

姚建军(1971－)，男，云南人，工程师.主要研究方向:有色金属冶炼.