整流机组无信号跳闸原因分析*

2022-03-09师华峰吴俊杰孔凡成李愿飞陈飞飞

云南冶金 2022年1期

王敏，师华峰，吴俊杰，孔凡成，李愿飞，陈飞飞，李兵

（云南云铝涌鑫铝业有限公司，云南建水 654300）

中国是世界电解铝工业大国，随着电解铝冶炼技术的不断进步，铝电解槽的系列电流强度增加到了500 kA、600 kA，对铝电解的硅整流装置在可靠性和容量方面提出了更高的要求。目前，国内大部分铝电解整流器的制造技术源于20世纪80年代初引进日本FUJI公司的产品[1]，当时的整流参数为单柜30 kA、750 V，其优点就是通过整流相间的同向逆并联，相互抵消磁通，减少能耗。国内同行通过近20多年的努力，铝电解整流器已经实现国产化，可以支撑600 kA、660 kA超大型铝电解槽技术发展[2]。

整流机组是一种大功率的整流设备，由整流变压器、整流器、控制柜等设备组成[3]，主要用于电解、电镀和电泳时充当电源设备，为尽量降低设备故障带来的损失，除整流变压器配备相应的电量和非电量跳闸保护设施外，整流器也必须配置相应的电量和非电量保护，在整流变压器或者整流器硬件发生相应异常或故障时，及时报警和跳闸，尽快隔离故障设备，防止引发二次事故而给企业带来更大的经济损失。

1 一般整流机组保护跳闸信号配置

整流变压器方面：电量保护一般配置定时限过流保护、速断保护和间隙保护等，非电量保护一般配置瓦斯保护、油温保护、压力保护等[4]。

整流器方面：电量保护一般配置定时限过流保护、过电压保护、换向保护等[3]。非电量保护一般配置母线温度保护、冷却水流量保护、水温保护、水质保护、元件坏二等[6]。

以上保护动作后，正常情况下，相应的保护跳闸信号必须在现场保护装置或者后台操作界面得到体现。以整流器保护跳闸为例，当直流侧电量参数发生异常时，熔断器熔断将会促使直流保护微动开关动作，微动开关触点F6.1或者F6.2立即断开，直流保护继电器K612失电动作，原理如图1所示。交流保护、换向保护等动作原理与直流保护动作原理类似。

图1 直流保护（整流器保护之一）微动开关触点Fig.1 Touch spot of micro switch for DC protection (one of rectifier protection)

直流保护继电器K612动作后，其辅助触点动作信号输入PLC的DI模块A528，从而使现场操作屏和上位机上发出直流保护报警信号，同时使整流器硬件跳闸继电器K690动作信号输入PLC的DI模块A531，现场操作屏和上位机发硬件跳闸信号，如图2所示。

图2 直流保护、硬件跳闸保护等DI信号Fig.2 DI signal of DC protection,hardware trip protection

整流器硬件跳闸继电器K690动作后，其辅助触点使时间继电器K850丢失触发电压信号，延时后使时间继电器K850动作，联锁驱动继电器K830动作，最终使跳闸继电器TJ动作，原理如图3所示，完成一次直流保护动作跳闸。

图3 联锁跳闸触点动作原理图Fig.3 Action schematic diagram of touch point for interlock tripping

2 跳闸过程分析及处理

2.1 第一次跳闸分析处理

某企业220 kV开关站一台整流机组在运行过程中，突然发生跳闸事故，主控室上位机无任何故障报警信号，经现场检查，通讯系统完好，就地控制LCP柜操作屏上无任何故障报警信号，整流变压器保护装置未发出任何故障报警信号，整流设备也无异常现象，跳闸继电器TJ仍然处在动作状态，检查整流变压器保护装置并未开出跳闸信号，随即开始检查整流器跳闸回路，发现驱动跳闸继电器动作的上级继电器K830动作，K830作为驱动继电器，以下四种情况中的任何一种都可以导致K830动作：①就地控制LCP柜发出急停跳闸命令；②主控MCP柜发出急停跳闸命令；③PLC开关量输出量模块发出跳闸命令；④整流器发生过压、快熔损坏等故障。前三种命令都是直接使K830动作；而第四种情况当整流器发生过压、快熔损坏等故障时，延时1 s后会使时间继电器K850断电延时动作，从而联锁K830驱动跳闸继电器TJ动作，最终使整流机组跳闸，对时间继电器K850检查后发现K850处于动作状态未复位，测量时间继电器的24 V电源接点A1、A2正常，断电延时触发信号Y接点电压正常，而整流器过压、快熔损坏等中间继电器均未动作，根据以上现象，判断导致跳闸的原因为时间继电器K850损坏，更换时间继电器K850后，驱动继电器K830复位，跳闸继电器TJ复位，对该整流机组尝试送电，升至正常负荷运行正常。

2.2 第2次跳闸分析处理

该整流机组运行一天后，再次发生跳闸，此次跳闸现象和第一次跳闸完全一致，考虑更换的时间继电器K850可能有缺陷，再次更换新的时间继电器后，送电运行正常。

2.3 第3次跳闸分析处理

运行数天后，该整流机组第三次发生跳闸，现场检查跳闸继电器TJ和其他中间继电器都已复位，所有设备处于正常状态，无任何故障报警信号。综合前两次各个继电器动作情况，能肯定的是时间继电器K850动作过了，能使时间继电器K850动作的条件有以下两种：①电源丢失；②断电延时触发信号丢失超过1 s。根据第一个条件检查并更换了时间继电器K850的24 V开关电源和电源线路，根据第二个条件整流器硬件跳闸继电器K690动作直接使断电延时触发信号丢失，所以更换了K690继电器和断电延时触发信号线路，加装监测继电器用于监测K690继电器是否发生动作，并手动测试了与整流器硬件跳闸继电器关联的快熔微动开关和温度异常信号，全部信号能正常报出，整流机组再次送电运行正常。

2.4 第4次跳闸分析处理

运行一天后，该整流机组第四次发生跳闸，现场检查跳闸继电器TJ和时间继电器K850动作未复位，加装的监测继电器动作，这足以证明整流器硬件跳闸继电器K690动作过，说明导致跳闸的原因一定是整流器硬件跳闸继电器K690关联的保护动作，再一次对相关保护的微动开关和温度保护进行检查，发现直流保护微动开关F6.1接线松动，在静态下接触点是良好的，且接触点在绝缘套下难以发现，但是整流机组带负荷运行时，整流桥臂和直流母线在电磁力作用下会产生震动，很可能使触点发生闪动，从而导致直流保护继电器K612和整流器硬件跳闸继电器K690动作，断电延时继电器K850因K690动作超过1 s丢失触发电压信号而动作，K850动作使跳闸驱动继电器K830动作，最终跳闸继电器TJ动作使整流机组发生跳闸。

但是，此处有两点疑点：①快熔损坏、交直流保护、换向保护、温度保护和快熔监测板电源保护中的任何一个保护动作时，相应继电器动作都会将信号输入PLC的DI模块，上位机会有相应的故障报警信号，整流器硬件跳闸继电器K690也将发信号至PLC，后台报整流器硬件跳闸信号，但是以上信号全部没有；②四次跳闸，三次时间继电器断电延时触发信号恢复后未复位，只有一次正常复位，新的时间继电器多次测试正常后才进行更换，并且换下的时间继电器也进行了多次测试，测试结果正常，断电延时触发信号恢复后为什么不能复位呢？

根据疑点一，推断PLC开关量输入模块DI在收到信号后，会有一个超过1 s的延时，目的是避免误报。使用信号发生器将信号直接输入DI模块直流保护通道和硬件跳闸通道，计时2 s，就地控制LCP柜控制屏上报出直流保护信号和硬件跳闸信号，上位机也报出相应信号，尝试输入交流保护、温度保护等硬件跳闸信号，依然有2 s的延时。然而硬件跳闸时间继电器K850仅延时1 s直接开出跳闸信号，所以，当直流保护等硬件跳闸微动开关动作1 s后立即复位时，可以使时间继电器K850动作，最终跳闸继电器TJ动作，而后台报警信号因为延时不到2 s，无法报出故障信号。

根据疑点二，推断断电延时时间继电器K850在强电磁场环境下，触发信号丢失1 s后立即重新加上，有一定概率出现无法复位现象。在较强电磁场环境下，使用信号发生器给时间继电器加载一个周期为1.5 s的触发脉冲信号，经过10 min的测试，时间继电器出现了无法复位的现象，重新上电后恢复正常。

3 跳闸原因总结

以上分析和试验证明了导致整流机组发生四次跳闸的原因，就是直流保护微动开关F6.1接线松动，整流机组在运行过程中产生振动使松动的接线反复断开和接触，但是断开时间仅有1 s左右，触点断开后使直流保护继电器K612动作，联锁整流器硬件跳闸继电器K690动作，使断电延时继电器K850失去触发电压信号而动作，从而联锁跳闸驱动继电器K830动作，最终联锁跳闸继电器TJ动作使整流机组发生跳闸事件。而整流机组就地控制柜操作屏和上位机均未发出报警信号的原因是由于PLC的DI信号延时设置不合理。如图4所示。

图4 整流机组直流保护跳闸过程Fig.4 Tripping process of DC protection of rectifier units

4 预防及措施

4.1 设计方面

电力电子电路通常以电力电子器件为核心，通过对不同电路拓扑的不同控制方式来实现对电能的转换和控制[7]，为防止类似跳闸事件发生时被电子器件的信号影响判断，提升设备运行可靠性，在电气专业项目中进行设计选型时，特殊环境下需考虑设备的抗干扰能力，避免各类设备、装置发生误动或者拒动。特别是强磁场环境下选用到电子类设备时，电子产品工作时其内部和外部通常会存在多种电磁干扰。为防止此类干扰影响到设备的正常工作，通常采取以下方案和措施：①尽可能选择本身具备较强抗干扰能力的设备，在不具备选型条件时，采取抑制电磁干扰的措施，削弱磁耦合现象，采用导磁率高的铁磁性材料作为屏蔽物，并将屏蔽物进行良好接地，利用屏蔽物对干扰电磁波的反射和吸收作用，衰减干扰电磁场的能量；②强电信号和弱电信号应该分开布置，禁止强电信号和弱电信号采用同一根电缆，重要的信号电缆应采用屏蔽电缆，并将电缆屏蔽层一端接地，长距离的通信线路尽量选择光纤传输方式。将干扰因素降至最低[8]。

4.2 改造方面

合理设置PLC信号延时时间，既要考虑避开误动跳闸信号，又要在动作时能够做出正确反映，在发生类似触点闪动事件时，跳闸同时也能正确报出故障信号，对各个关键部件和控制环节完善监测报警信号，避免监测盲区，方便查找故障。

4.3 运维方面

对于各类整流设备，其控制系统的电源必须保证纯洁性、稳定性和可靠性[9]。常态化监测各个连接点的温度变化趋势，一、二次设备的声音异常情况，现场信号反馈情况，及后台通信情况等。同时要定期进行维护管理，维护时包含外观灰尘清理、冷却系统维护、监测系统和控制系统维护，部分电气设备虽然在各类试验规程里没有做硬性要求，但是对于一些关键性设备和部件，应该按照试验要求，举一反三，定期检查设备绝缘情况、触点通断情况，同时，要定期检查各类设备金属外壳、箱体的接地情况，及时消除隐患。备品备件方面，对于一些采购周期较长的配件，必须提前谋划，准备足量的关键性部件，在设备发生异常时，能够及时更换处理，避免长时间停机。

5 应用情况及效果

本次整流机组故障处理，选择了稳定性更高的时间继电器进行替代，增加了监测继电器对二次回路盲区进行监测，同时优化了时间继电器动作时间和PLC程序，经过在该整流机组多次试验，保护微动开关触点在发生震动时，触点断开后立即闭合不会促使跳闸继电器动作，有效避免了因震动引起的误跳闸，同时信号也能在现场控制屏和上位机正确反映出来。