带有饱和电抗器的整流机组失电过流仿真分析

闭冠钦+覃泽纯

摘 要：铝电解生产中需要有低电压大电流且具有恒流性的直流电，现阶段通常使用的为多相二极管整流装置，为了获取恒流电流，饱和电抗器作为重要设备整合至整流机组中。该文以宁东电解铝一期为例，利用Simulink建立了整流机组电力系统仿真模型，通过仿真不同调节深度下的饱和电抗器在若干台整流机组发生跳闸故障的情况下，其他机组是否会出现过流现象。结果表明，饱和电抗器调节深度越大即电抗值越高，整流机组部分跳闸时剩余机组所产生的过流现象越明显，研究成果在实际工程实践中具有显著参考价值。

关键词：电解铝 整流机组 饱和电抗器 失电过流

中图分类号：TM40 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0046-03

電能是电解铝产业的主要能源，由于电解铝的主要设备电解槽为直流供电，所以，就需要为电解铝厂设置整流机组某实现交流电的整流。国内大型整流设备基本上均采用多相二极管整流方式，这种方式整流得到的电网电压波动幅度较大，一定程度上影响电解铝槽的稳定运行，使能耗明显增加[1]。为了降低电压波动的副作用，同时增加电解铝侧负荷的调节性能，采用有载调压与自饱和电抗器结合的恒流控制策略应运而生，实际应用证明了其恒流效果十分显著[2]。

当整流机组配套的发电机组因自身原因突然出现停机或线路跳闸等故障时，将直接导致其配套的整流机组全部失电，目前已有学者对于整流供配电系统典型故障进行了分析并提出了应对策略[3-6]，但是并没有针对局域电网/公网联合运行下的特点进行分析，由于区域电网运行稳定性较差，易发生跳闸故障引起整流机组失电。根据整流机组的设备特点分析，失电整流机组的饱和电抗器在失电后的一段时间内会提供逐渐下降的电动势，导致其余正常运行机组的电压不能得到有效下降，从而引起其他正常运行整流机组的电流相比无饱和电抗器时更大，甚至有可能引起电网内运行的整流机组触发过流保护跳闸，导致整个电解铝系统的非正常停运。该文针对局域网整流机组发生跳闸故障失电时公网正常运行机组运行特性进行分析。

1 电解铝及机组配置简介

1.1 基本情况介绍

某电解铝厂400 kA电解系列直流供电由6组整流设备组成等效72脉冲整流机组，目前直流电压1 140 V，电流377 kA，总交流负荷约440 MW。整流机组负荷调节包括有载开关粗调与稳流系统细调两部分组成，稳流系统根据单机组电流给定值，采集直流输出电流，通过对饱和电抗器饱和度的调节实现主回路压降的闭环调整，每组饱和电抗器电压调节范围为0～70 V。

与铝厂配套的为某局域电网和某省大电网，局域电网带动4台整流机组，剩余2台机组由大电网带动，利用局域网/公网联合运行实现电解铝厂的稳定运行。这样同时会带来问题，由于区域电网运行较公网不稳定，1台火电机组出现故障时极有可能引起供电侧与用电侧的负荷不匹配，导致网内频率失步，可能会引发一系列的级组解列故障，根据上述关于饱和电抗器的分析，区域电网侧整流机组可能偶发失电现象。

1.2 仿真模型搭建

结合局域网内火电机组、省内大公网及某电解铝厂现场实际情况与调研得到的相关设备参数，在Simulink中建立了局域电网/公网以及整流机组相关设备的整体电力系统模型。

首先根据电解铝负载侧的相关设计要求对可调节饱和电抗器相关参数进行选取，在选择饱和电抗器的规格时，需综合考虑饱和电抗器的调压范围、饱和电抗器的加工水平、负载侧的功率因数等诸多因素。电解铝厂运行要求饱和电抗器满足0～70 V的调压范围，根据前期仿真结果选取最大电抗值为10的可控饱和电抗器，它的调压范围约为0～82 V。在增大饱和电抗器容量时，负载侧的无功量将会发生明显的增大，在增大至10时，负载侧的功率因数约为0.929，基本满足功率因数0.93的要求，同时根据谐波分析得到当每台整流机组移相角相差5度时网内谐波含量最小[7]。

根据电解铝厂系列参数、局域电网/公网参数，结合上述选取参数建立的带有饱和电抗器的整流机组模型进行仿真，用以分析饱和电抗器在不同调压深度下不同台数局域网运行机组跳闸，正常运行整流机组过流倍数大小，是否会出现过流保护跳闸现象。

2 整流跳闸故障仿真分析

针对不同饱和电抗器调节深度，分析局域电网下不同台数整流机组发生跳闸故障的仿真。饱和电抗器调压范围0～70 V，对应可控饱和电抗器电抗值约为0～10 μh，整流机组各支路的额定电流为2×44 kA，以2×44 kA作为基准值，整流机组的过流保护倍数为1.05～1.10之间，根据仿真得到的机组电流数据即可判断机组在跳闸故障情况下是否会触发过流保护，下面为各电抗器电抗值下典型工况仿真分析结果。

2.1 工况一仿真结果

电抗器电抗值为5，一台孤网机组发生跳闸的仿真结果如图1所示。在整流机组未发生跳闸的情况下，机组输出直流电流为66.5 kA，在跳闸发生后，未跳闸机组输出的直流电流为78.5 kA，过流倍数为1.05～1.10之间，故可得出结论当1台机组发生跳闸时，其他机组不会发生过流保护。

2.2 工况二仿真结果

电抗器电抗值为5，2台孤网机组发生跳闸的仿真结果如图2所示。在整流机组未发生跳闸的情况下，机组输出直流电流为66.5 kA，在跳闸发生后，未跳闸机组输出的直流电流为95.4 kA。过流倍数与上限1.10非常接近，故可得出结论当2台机组发生跳闸时，其他机组可能会发生过流保护。

2.3 工况三仿真结果

电抗器电抗值为5，4台孤网机组发生跳闸的仿真结果如图3所示。在整流机组未发生跳闸的情况下，机组输出直流电流为66.5 kA，在跳闸发生后，未跳闸机组输出的直流电流为171.6 kA，过流倍数大于1.10，故当四台机组发生跳闸时，其他机组会发生过流保护。

2.4 工况四仿真结果

电抗器电抗值为10，4台孤网机组发生跳闸如图4所示。在整流机组未发生跳闸的情况下，机组输出直流电流为64.1 kA，在跳闸发生后，未跳闸机组输出的直流电流为158.8 kA，过流倍数大于1.10，故可得出结论当4台机组发生跳闸时，其他机组会发生过流保护。

上述各仿真结果与部分未详细列出的仿真分析结果综合如下表1所示。

3 结语

该文以某电解铝厂一期电解系列为案例建立了带有饱和电抗器的整流机组Simulink模型，利用模型进行仿真计算后得出以下结论。

可调节饱和电抗器电抗值越大时负载侧电压调节深度越大，整流机组出现跳闸故障时剩余正常运行机组所产生的过流现象越明显。饱和电抗器未设置调节深度时，无调节电压能力，即使出现跳闸故障下正常运行整流机组不出现过流现象；饱和电抗器处于中间调节深度即电抗值为5 μh时，2台整流机组跳闸，剩余4台接近过流保护跳闸极限；若4台整流机组跳闸，无论饱和电抗器调节深度多少，运行在公网的2台整流机组一定出发过流保护同时跳闸。

上述仿真成果在实际工程实践中具有显著参考价值。

参考文献

[1] 杨作苍，魏刚刚.饱和电抗器在铝电解整流供电中的应用[J].甘肃科技，2012（1）：67-69.

[2] 阎辉.浅谈铝电解稳流控制与自饱和电抗器节能降耗[J].有色冶金节能，2009（1）：54-58.

[3] 毕永强，夏仲平.整流装置谐波引起保安电源开关跳闸原因分析和处理[J].西北电力技术，2005（4）：33-34，37.

[4] 陈海峰.大型整流设备过负荷跳闸原因及防范措施[J]. 青海科技，2004（2）：42.

[5] 刘增春.电网波动引起整流跳闸的原因分析及整改措施[J].中国氯碱，2003（8）：4.

[6] 黄克勤，杜光辉，田占伟.400kA整流供配电系统典型事故及应对措施[J].科技资讯，2016（1）：33，35.

[7] 马国林.局域网、公网联合运行下移相角分配方式对谐波的影响[J].世界有色金属，2016（18）：33-35.