电解铝整流机组隐患防治

2021-08-21刘胜祥

新型工业化 2021年5期

刘胜祥

（兰州铝业有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

近年来，随着电解铝产业提级改造，国内大部分电解铝企业的产能不断增加，槽型越来越大，对电解整流机组的容量需求也在不断提高。新的技术理论、设备材料不断投入生产应用[1]。然而，新技术从尝试推广到普遍成熟应用，需要一个较长的积累过程，早期总会存在许多技术问题和设备隐患，无法通过既有经验来解决。由于技术的应用推广是个渐进的过程，很多部件特别是大功率整流元件、高效水冷却系统、新的稳流技术路线还未得到充分的实践验证，应用经验还不够成熟，设备运行的稳定性和可靠性也不是很高，存在很多成因未知的安全隐患。近几年投入使用的高压大容量整流机组，见于文献的设备事故较多。特别是近两年来，全国高电压等级的大容量整流机组发生元件大面积损毁、整流柜爆炸事故的频率相对较高，给电解铝供电系统安全运行带来了巨大压力。

由于电解铝生产的不间断性，使得整流机组的事故往往影响巨大。轻微故障会造成机组跳闸停电，电解供电中断，严重的故障可能会造成整流柜爆炸和损毁。在事故比较严重时，电解供电可能长时间都无法恢复，且难度极大，损失惨重，其后果不堪设想[2]。因此分析整流机组运行中事故的成因，并采取相应的预防措施，是减少同类事故发生，提高整流机组运行可靠性，保证电解企业平稳安全生产的重要课题。

1 电解铝整流机组常见事故及原因分析

目前国内大容量电解整流机组通常采用N+1多机并联冗余的结线方式，单台机组一般由调压变压器、主变（整流变压器）及整流柜组成，任一台整流机组均具备独立的稳流控制和调节功能。由于单台机组往往难以满足大型电解铝的供电需求和安全性，故一般设计为多台整流机组并联，所有机组的直流输出端汇接在一起。任一台整流柜直流母线或整流柜内部因元件故障等出现短路、接地故障时，总汇流母线便会向该故障点提供电流，此时的电能由正常机组流向故障整流柜，也即逆流。整流机组的直流电压一般在1000V以上，在故障时往往还有数倍甚至更高的过电压产生，使得逆流急剧增大，故障范围迅速扩大，往往会导致故障整流柜爆炸或烧毁。这种事故下，整流柜基本完全损毁，很难在短时间内恢复电解供电，给电解铝企业造成巨大的经济损失。

近年来电解铝行业的迅猛发展，对大容量整流设备有巨大的需求，也催生了大量新的技术和新产品。采用高电压等级的大容量整流机组开始在电解行业得到大量实际应用。但这些产品所依据的基础理论、设计理念、技术原理并没有本质的改变，其结构设计也没有根本性和颠覆性的变化。单纯的电压、容量、功率增加，反而会使其安全性和可靠性有所降低。部分电解铝企业发生的整流柜爆炸事故，都具有高度的相似性。这集中反应了采用此种结构和设计思路的整流柜自身还不够完善。尤其是这种结构的整流柜臂间、相间电压高，运行中震动大，直流母线框架发热，整流柜内绝缘材质少、绝缘强度小，水电系统并行、隔离薄弱，多元件均流因难，这些因素均使得这种整流机组存在着极大的事故隐患[3]。

图1 整流机组系统图

1.1 稳流失控造成单机跳闸或系列停电

大容量整流机组一般采用多台机组并联的模式，也都采用了单机独立调节构成小闭环、整个系列多台机组又总体调控构成大开环的稳流控制系统。为了适应电解生产阳极效应等造成负荷波动，同时调整电流方便，在正常运行时一般都投入总调模式，在单台机组检修或停电时，为避免电流波动，就需要退出总调，或将需停电的机组调整为分调状态，逐步减小待停电机组的电流给定，增大其余机组的电流给定，保持总电流输出基本不变。

机组在总调模式下的失控一般表现为：供给饱和电抗器的控制电流突然增大，一般都抵近上限；单台整流柜实际输出的电流急剧减小；由于各机组的调节速率并不完全一致，个别机组负荷突增，直流或交流过流跳闸等。

可能原因：运行人员操作出现失误，电流给定设置出错；在分调模式下停运单个机组时调整过快；雷雨天气时易受大气过电压影响；自用电波动或失电，导致PLC控制器失电或稳流功率回路失电，调节失灵等情况。

1.2 整流元件冷却水系统故障造成停机

大功率整流机组通常采用水冷系统，循环的纯水通过水管连接，流经紧压在元件上的水盒，带走整流元件工作时产生的热量，并通过冷却塔散发，达到降温的目的。一旦水冷系统系统故障，整流元件无法正常散热，桥臂过热、水温过高、水压过低等保护动作，造成机组跳闸。如果保护灵敏度不高或拒动，整流元件温度急剧升高，将会造成元件永久性损坏甚至爆炸，造成严重短路事故。

可能原因：水冷循环泵失电、故障且备用水泵不启动，造成冷却循环水失压或断流；水盒、水管、水嘴爆裂或阻塞造成循环水泄压或断流；冷却塔填料结垢散热不畅合并高温天气等。

1.3 冷却水系统渗漏或喷溅造成元件短路

由于整流元件采用水冷系统，在整流柜中水电并行布置。一旦水流通路出现渗漏或喷溅情况，就会造成元件与外壳、元件与元件或交流与直流短路，造成单机组跳闸甚至全系列停电[4]。

可能原因：水盒、水嘴存在气孔、缩松、砂眼、暗裂等制造缺陷，在运行一段时间后出现缺陷扩大或破损；水管接头松动；水管老化失去弹性，密封不严等。

1.4 均流劣化导致元件损坏和爆炸

整流器的均流度是表征整流设备技术水平的一个重要参数。均流不好，如果不是非常严重，可能并不会使元件烧毁，但长期的负载不均容易导致个别整流元件电压击穿或因长时间过载运行使快熔熔断和整流元件过热烧损，有可能发生元件崩裂或者整流柜爆炸等设备事故。

可能原因：元件、快熔压紧力度不均，造成各个桥臂的总接触电阻偏差过大；元件、快熔参数不一致或偏移，使各个桥臂的内阻和压降偏差过大；检修时元件排序错乱或更换新元件造成原均流调试失效。

1.5 过电压造成柜内电弧放电和击穿

同相逆并联是大功率高电压整流机组普遍采用的一种结构，采用这种连接方式，可以有效避免大容量整流柜体磁场过于集中而产生很大的涡流，产生的电磁力和热效应会造成整流柜的桥臂和元件松动、扭曲，甚至短路、柜体结构受热变形、绝缘老化等。但是采用这种结构的整流柜也有明显缺陷，如运行中震动大，相邻桥臂间、相间电压高，这也是这种结构的整流柜容易产生电弧闪络和放电击穿的主要原因[5]。

可能原因：绝缘材料老化；震动造成铜排变形、元件松动偏移；环境相对湿度较大或空气污秽等。

2 电解铝整流系统事故的预防

在分析事故原因的基础上，可以针对性地采取相应防范措施，加大对整流系统供电事故的超前预防，以降低事故频率，减小事故影响范围和经济损失。

2.1 提高稳流系统稳定性

（1）通过操作界面优化，运行操作监护，减少人为原因出现置数出错；

（2）在停运单个机组的操作时，应对系列电流进行整体测算和全局考虑，防止电流调整过快和抢负荷现象；

（3）雷雨天气时减少和避免操作，同时对防雷接地系统进行定期试验，确保其完好；

（4）提高自用电的可靠性，采用不同来源的双回路电源供电，稳流控制、PLC、工控机等应采用直流供电或设置UPS不间断电源装置。

2.2 提高冷却水系统的可靠性

（1）加强对水冷系统循环水泵的计划维修，加强日常巡检，并定期进行切换试验，防止水泵故障、失修及切换失灵；

（2）对水盒、水管、水嘴、接头、卡箍等进行定期检查，及时发现缺陷并进行更换，有条件的可采取周期性整体更换；

（3）加强备件采购管理，对水盒、水管、水嘴、接头、卡箍等备件的品质严格把关，杜绝劣质、缺陷产品上线；

（4）将二极管母排和纯水间接头由塑料材质改为不锈钢接头，杜绝渗漏现象；

（5）加强对水温、水压表等接头的检查和维护；

（6）对冷却塔系统进行定期检修、冲洗，对失效填料及时更换；

（7）在高温季节和极端高温天气时，加强对水温的监测，必要时采取辅助制冷措施。

2.3 优化整流柜均流性能

（1）在进行机组检修时，重点检查元件、快熔的紧固情况，防止因震动等造成松动、偏移和虚接；

（2）进行机组检修和元件时，应在拆卸前对元件的编号和位置进行详细记录和标记，安装时仍保持原有顺序和位置。压紧螺栓的紧固应参考原有标记，并用力矩扳手进行调校，确保压紧力度一致；

（3）应用智能均流测试仪等手段，实现均流的不停电检测，为均流调试提供更为精准的科学依据和量化参考，保证整流系统长期均流运行；

（4）可以采用硅元件参数测试仪，对整流柜内硅元件的反向泄露电流和通态峰值压降进行定量测试，逐元件建立其身份信息档案，更换新元件时，也应对元件内阻进行检测，参考原元件的参数进行匹配。有了实测数值，就可以有针对性地采取以下措施：①对通态峰值压降多次测试结果或与其它元件偏差较大的硅元件，应及时更换或弃用；②测试反向泄露电流瞬间增大的元件进行更换，防止过压击穿；③可以根据元件实测参数，对硅元件的安装位置重新排列，尽可能将通态峰值压降接近的硅元件排列在同一桥臂上，这样的调整和匹配，可以使整个桥臂的均流系数有所改善。

2.4 对整流设备优化改造

（1）在整流柜内同相逆并联桥臂的相间加装高分子复合玻璃布板材质的隔弧绝缘板，提高了相间绝缘性能；

（2）可将操作过电压吸收回路（装置）移装至整流柜外，或安装在独立的箱体内，固定于墙壁或其它构件上，避免振动引起的松动和失效问题；

（3）同上，也可将换相过电压装置移至整流柜外安装，与整流柜间可采用耐压800V以上、耐高温的阻燃电缆引出，为尽可能减小回路的电感，应尽量就近安装，缩短导线的长度，；

（4）吸收装置内的电容可更换为干式自愈式电容，提高吸收装置的性能；

（5）目前弧光探测技术已较为成熟，已有相应的保护装置问世。应用这种装置，可以在整流柜内出现微弱的弧光时，便可灵敏地检测判别，并可通过稳流系统或变压器、开关保护回路，快速切除整流机组并联切所有运行机组，减小事故影响范围内，最大程度减少损失。

2.5 重视保护装置的作用

（1）多台大容量整流机组并联的电解供电系统中，通常都设有逆流保护，通过灵敏的逆电流检测传感器和电流继电器，在整流柜出现逆流故障时，准确、灵敏、可靠地切除故障机组，防止逆电流进一步发展为恶性爆炸事故。因此应保证逆流保护装置及其回路始终可靠有效，并且正确投入，在整流机组出现逆流故障时，由逆流保护装置迅速动作，出口跳开机组高压侧断路器，将故障机组切除，使故障电流不会影响同系列的基它整流机组，防止事件进一步发展和扩大。

（2）通常采取各种预想、预防措施是减少各类事故，确保整流机组安全运行的重要手段，但为了进一步提高整流系统的稳定性，应充分利用和重视新的保护技术和原理的实际应用，如弧光探测保护装置、逆电流保护等的后备保护能力。提高保护的投入率和正确率，能有效保护电气设备，防止事故的发生及事故扩大化。近年来，国内有条件的电解铝企业已充分认识到保护的重要性，通过技术改造升级，不断完善整流机组的保护功能，为电解整流系统的平稳供电提供了强大的安全防线。