整流柜弧光保護系統(tǒng)技術方案

1、整流柜弧光保護系統(tǒng)技術方案結合其設備結構和工藝使用特點，加裝芬蘭UTU公司電弧光在線檢測保 護系統(tǒng)的方案如下：方案一：根據(jù)弧光保護單判據(jù)原理應用1. 在此方案條件下選用的裝置包括：兩個電解系列共有8套整流機組，保護系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SOurCe Of POWer)8 臺、主單元(UTU-Falcon)8臺、弧光輔助單元(FalCOn-ARC)8臺、弧光傳感 器(FiItered Light Sensor)192 個、光帶(ZOnal FiItered CabIe)及特制光纜 (Photoelectric CabIe) 4000米、數(shù)據(jù)電纜(Data TranSmiSSiOn CabIe)10米

2、、控制箱 8套及其他附件。2. 每臺機組配置相應的一套弧光保護系統(tǒng)。2.1當單一整流元件(可控硅/二極管)出現(xiàn)故障并產(chǎn)生弧光，弧光保護系統(tǒng) 高速反應，依據(jù)弧光單判據(jù)原理只對該故障元件所在的整流機組進行跳閘，而 不對同一電解系列的其他三臺機組進行跳閘。2.2弧光保護系統(tǒng)的跳閘信號線纜與調(diào)變進線開關的跳閘回路并聯(lián)連接。主 單元與弧光輔助單元對12對橋臂同時進行弧光監(jiān)測。2.3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡圖如下：弧光弧光弧光弧光- 1- 1- 1- 1Nl-卜之-卜1#機組2#機組3#機組4#機組3.方案一系統(tǒng)原理布置圖如附圖一。4方案一沒有選用過流檢測，保護系統(tǒng)的靈敏性，速動性，選擇性，安全性,可依賴

3、性等都無大變化。適用于當單一整流元件發(fā)生故障時，擊穿引起的電流 變化過小這一情況。5. 弧光探測靈敏度設置到較低(40KIUX),大大的減少了干擾光源對保護系統(tǒng) 的影響，但方案一仍然 無法全面的防止 由于偶然強光(如：電閃雷鳴、照明電 器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強光反射)照射到弧光探頭與光帶引起的 誤跳閘動作。6. 方案一應用的弧光在線監(jiān)測系統(tǒng)配置最簡單，成本最低。方案二：根據(jù)弧光+電流雙判據(jù)原理應用1. 在此方案條件下選用的裝置包括：兩個電解系列共有8套整流機組，保護系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SOurCe Of POWer)8 臺、主單元(UTU-FalCOn)8臺、弧光輔助單元(FalCOn

4、-ARC)8臺、電流輔助 單元(Falcon-ARC)8 臺、弧光傳感器(FiItered Light Sensor)192個、光帶(ZOnal FiItered CabIe)與特制光纜(Photoelectric CabIe) 4000 米、數(shù)據(jù)電纜(Data TranSmiSSiOn CabIe)10米、控制箱8套及其他附件。2. 每臺機組配置相應的一套弧光保護系統(tǒng)。2.1某一整流元件(可控硅/二極管)被擊穿，經(jīng)過電流互感器的電流發(fā)生變 化，同時產(chǎn)生弧光，弧光保護系統(tǒng)高速反應，依據(jù) 弧光+電流雙判據(jù)原理 只對 該故障元件所在的整流機組進行跳閘，而不對同一電解系列的其他三臺機組進行跳閘。2.

5、2弧光保護系統(tǒng)的跳閘信號線纜與調(diào)變進線開關的跳閘回路并聯(lián)連接，電流信號取自調(diào)變側電流互感器，主單元與弧光輔助單元對 12對橋臂同時進行弧 光監(jiān)測。1. 3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡圖如下：弧光 過流 弧光 過流 弧光 過流 弧光 過流3. 方案二系統(tǒng)原理布置圖如附圖UTU-FaIco n4.增設電流輔助單元的依據(jù)：（適用于方案二和方案三）4.1二極管的單向導電特性：整流二極管是利用PN結的單向導電特性，經(jīng)過 特殊加工制作的，根據(jù)理論分析，PN結的電流和電壓的關系可用下時表示：I= ls（e V"-） = Is （e qV/（kT） -1）式中I-PN結的電流（A）; IS-反向飽和電流

6、（A）; V-外加電壓（V）;VT-溫度的電壓當量；e-自然對數(shù)的底；q-電子電荷量；k-玻耳茲曼常數(shù)；T-絕 對溫度。由上式 以看出,當PN結為正向偏置時，電壓V為正,只要V遠大于Vt（常溫下 =0.026V）,式中e WVT遠大于1,因此PN結中的電流IF隨正偏電壓V的增加 按指數(shù)規(guī)律上升。而當PN結為反向偏置時，電壓V為負，隨著電壓V的絕對 值的增加，指數(shù)項很快趨近于零，于是I約等于-Is,即反向飽和電流是一常數(shù)， 不隨外加電壓變化。4.2二極管的擊穿：二極管的擊穿一般分為三種，雪崩擊穿、齊納擊穿和熱 擊穿。雪崩擊穿是二極管施加反向電壓時，使空間電荷區(qū)的高能量、高速度的載流 子不斷地與晶

7、體原子相碰撞，形成碰撞電離，載流子在強電場中不斷的碰撞電 離，導致載流子迅速的成倍的增加，形成雪崩倍增現(xiàn)象，載流子濃度將急劇增 加，使反向電流急劇增大，從而導致二極管擊穿。齊納擊穿是在高摻雜濃度的PN結中，P區(qū)與N區(qū)之間能帶的間距較窄，再 加上反偏電壓使電場強度增加，進一步使該間距減小，P區(qū)中的某些電子則可能穿通空間電荷區(qū)（隧道效應）進入 N區(qū),變?yōu)樽杂呻娮?，并形成反向電流?即發(fā)生齊納擊穿。雪崩擊穿和齊納擊穿的擊穿過程都是可逆的，只要在外電路中采取適當措 施,把反向電流限制在一定范圍內(nèi)，保證反向電流和反向電壓的乘積不超過 PN 結容許的耗散功率，那么當反向電壓降低后 PN結仍可恢復原來的狀態(tài)

8、。如果 超過了容許的耗散功率，就會因熱量散發(fā)不出去而導致PN結溫度上升，直至過熱而燒毀，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。熱擊穿是一種過程擊穿，需要時間的累積。4.3。4.3由于PN結漏電流與溫度有關，隨溫度升高而升高，所以二極管正向特性 也與溫度有關，當溫度升高時，二極管的正向特性向左平移。見圖I I Il溫 高度升方向LLljI）丿200500.52.0圖4.3二極管正向特性與溫度的關系150IF(A)1001.01.5VF(V)一 TT圖4.4三相橋式全控電路的構成叩'1'UTU-FaICo n4.4二極管的爆炸損毀過程：現(xiàn)在的大電流硅整流電路，一般采用三相橋式 全控整流電路，典型圖如

9、 4.4。當一個整流元件運行中，由于各種原因（過電壓或過熱），使得整流元件PN結溫度不斷上升，上升到超過允許的溫度時就會造成擊穿，即整流元件反 向電阻和正向電阻都趨于零，造成交流相間短路，這個短路電流是很大的，只 與交流系統(tǒng)的等值阻抗有關，Is=Un/Zs，這個系統(tǒng)的理論計算電流能達到額定 電流的5倍以上，從整流元件擊穿到爆炸，需要經(jīng)過溫度升高、體積膨脹、導 流體氣化，內(nèi)部壓力升高最后發(fā)生爆炸，這個過程需要50200ms°4.5從二極管擊穿開始，交流短路電流陡然增大，由于變壓器的電感阻尼作 用，使得電流不會立即反映到變壓器一次側，經(jīng)過實際測試（變壓器在做突發(fā) 短路試驗時可以測出來），

10、這個過渡時間在1/4工頻交流周波，即5ms以內(nèi) 對比性示意圖如下：鑒于以上分析，我們認為：從二極管擊穿開始到變壓器一次側發(fā)現(xiàn)短路電流， 需要5ms以內(nèi)；二極管擊穿開始到爆炸發(fā)生電弧光現(xiàn)象，需要50ms以上，所以電流總是越前于弧光被檢測到，短路電流是一個連續(xù)的參數(shù)量，電流檢測輔 助單元監(jiān)測到這個連續(xù)電流后會發(fā)出過流信號給主單元，當弧光傳感器檢測到弧光信號后，也發(fā)出弧光信號給主單元，當兩個信號同時作用到主單元上時， 主單元發(fā)出跳閘信號。電解鋁大電流整流柜加裝電弧光保護系統(tǒng)時，增設電流 判據(jù)是合理的，與弧光判據(jù)同時使用可以有效防止由于偶然強光（如：電閃雷 鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強

11、光反射）照射到弧光探頭引 起的誤跳閘動作，確保供電安全。5.方案二增加了保護系統(tǒng)的安全可靠性，增加的過流檢測還能夠提供可靠的預警功能（非跳閘功能），有利于整流供電的安全穩(wěn)定運行?；」馓綔y靈敏度設 置到30KIuX。電流值整定1.11 n。5.1當單一整流元件擊穿，同一電解系列的四臺整流機組向短路點供電，反 應到每臺機組的電流比實際系統(tǒng)理論計算的短路電流要小。5.2從包頭鋁業(yè)、希望鋁業(yè)發(fā)生短路事故的示波圖來看，交流側短路電流I過流為額定電流In的1.31.5倍，即：I過流= 1.31.5*1 n。5.3所以電流檢測的整定值設定在1.1*ln ,保護是有效的。方案二:根據(jù)弧光保護單判據(jù)以及弧光+電

12、流雙判據(jù)兩種原理 同時應用1.在此方案條件下選用的裝置包括：兩個電解系列共有8套整流機組，保護系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SOurCe Of POWer)8 臺、主單元(UTU-FalCOn)8臺、弧光輔助單元(FalCOn-ARC)8臺、電流輔助 單元(Falcon-ARC)8 臺、弧光傳感器(FiItered Light Sensor)192個、光帶(ZOnal FiItered CabIe)與特制光纜(Photoelectric CabIe) 4000 米、數(shù)據(jù)電纜(Data TranSmiSSiOn CabIe)10米、控制箱8套及其他附件。2.每臺機組配置相應的一套弧光保護系統(tǒng)3. 工作原理及

13、過程3.1當某一元件如保護電容由于反向電壓引起爆炸或部件由于毛刺引起放電 故障等原因，產(chǎn)生火花弧光，這些情況不一定會引起電流立即突變，但危害到 整流柜的正常運行，依據(jù)弧光單判據(jù)原理 對該故障元件所在的整流機組進行跳 閘。發(fā)生這些情況時整流元件(可控硅/二極管)并無損害，不影響同一電解系 列的其他三臺整流機組的正常運行。這時不能排除偶然強光(如：電閃雷鳴、 照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強光反射)照射到弧光探頭引起的 誤跳閘動這一外界因數(shù)對保護系統(tǒng)的影響。3.2當單一整流元件(可控硅/二極管)被擊穿(產(chǎn)生弧光)，或者上述所提及 保護電容爆炸、部件毛刺放電故障(產(chǎn)生火花或弧光)的同時，經(jīng)過

14、電流互感 器的電流發(fā)生變化，依據(jù) 弧光+電流雙判據(jù)原理 對該故障元件所在的整流機組 進行跳閘，同時對同一電解系列的其他三臺機組進行跳閘。這時排除了偶然強 光照射到弧光探頭引起的誤跳閘動。3.3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡圖如下:4. 方案三增加了保護系統(tǒng)的安全可靠性，增加的過流檢測還能夠提供可靠的 預警功能（非跳閘功能），有利于整流供電的安全穩(wěn)定運行。電流值整定在1.25*ln，充分考慮了短路點的燃弧能量已足夠達到迅速摧毀 整個系列的程度，應該快速將整個系列切除?；」馓綔y靈敏度設置到40KIUX。最大程度的把干擾光源（電閃雷鳴、照明電 器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強光反射 ）排除于影響保護系統(tǒng)之外；這并 不影響保護系統(tǒng)對弧光的探測。5. 方案三既考慮到除了整流元件（可控硅/二極管）過電壓、過熱之外等其他 元器件故障因素，又把偶然強光（如：電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車 大燈及太陽光等強光反射）這一外界因數(shù)對保護系統(tǒng)的影響降到最低程度。6.