整流柜弧光保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)方案

1、整流柜弧光保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)合其設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝使用特點(diǎn)，加裝芬蘭UTU公司電弧光在線檢測(cè)保 護(hù)系統(tǒng)的方案如下：方案一：根據(jù)弧光保護(hù)單判據(jù)原理應(yīng)用1. 在此方案條件下選用的裝置包括：兩個(gè)電解系列共有8套整流機(jī)組，保護(hù)系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SOurCe Of POWer)8 臺(tái)、主單元(UTU-Falcon)8臺(tái)、弧光輔助單元(FalCOn-ARC)8臺(tái)、弧光傳感 器(FiItered Light Sensor)192 個(gè)、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(tái)機(jī)組配置相應(yīng)的一套弧光保護(hù)系統(tǒng)。2.1當(dāng)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(hù)系統(tǒng) 高速反應(yīng)，依據(jù)弧光單判據(jù)原理只對(duì)該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳閘，而 不對(duì)同一電解系列的其他三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行跳閘。2.2弧光保護(hù)系統(tǒng)的跳閘信號(hào)線纜與調(diào)變進(jìn)線開關(guān)的跳閘回路并聯(lián)連接。主 單元與弧光輔助單元對(duì)12對(duì)橋臂同時(shí)進(jìn)行弧光監(jiān)測(cè)。2.3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡(jiǎn)圖如下：弧光弧光弧光弧光- 1- 1- 1- 1Nl-卜之-卜1#機(jī)組2#機(jī)組3#機(jī)組4#機(jī)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(guò)流檢測(cè)，保護(hù)系統(tǒng)的靈敏性，速動(dòng)性，選擇性，安全性,可依賴

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

4、-ARC)8臺(tái)、電流輔助 單元(Falcon-ARC)8 臺(tái)、弧光傳感器(FiItered Light Sensor)192個(gè)、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(tái)機(jī)組配置相應(yīng)的一套弧光保護(hù)系統(tǒng)。2.1某一整流元件(可控硅/二極管)被擊穿，經(jīng)過(guò)電流互感器的電流發(fā)生變 化，同時(shí)產(chǎn)生弧光，弧光保護(hù)系統(tǒng)高速反應(yīng)，依據(jù) 弧光+電流雙判據(jù)原理 只對(duì) 該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳閘，而不對(duì)同一電解系列的其他三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行跳閘。2.

5、2弧光保護(hù)系統(tǒng)的跳閘信號(hào)線纜與調(diào)變進(jìn)線開關(guān)的跳閘回路并聯(lián)連接，電流信號(hào)取自調(diào)變側(cè)電流互感器，主單元與弧光輔助單元對(duì) 12對(duì)橋臂同時(shí)進(jìn)行弧 光監(jiān)測(cè)。1. 3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡(jiǎn)圖如下：弧光 過(guò)流 弧光 過(guò)流 弧光 過(guò)流 弧光 過(guò)流3. 方案二系統(tǒng)原理布置圖如附圖UTU-FaIco n4.增設(shè)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?qū)щ娞匦裕赫鞫O管是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?jīng)過(guò) 特殊加工制作的，根據(jù)理論分析，PN結(jié)的電流和電壓的關(guān)系可用下時(shí)表示：I= ls（e V"-） = Is （e qV/（kT） -1）式中I-PN結(jié)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(dāng)量；e-自然對(duì)數(shù)的底；q-電子電荷量；k-玻耳茲曼常數(shù)；T-絕 對(duì)溫度。由上式 以看出,當(dāng)PN結(jié)為正向偏置時(shí)，電壓V為正,只要V遠(yuǎn)大于Vt（常溫下 =0.026V）,式中e WVT遠(yuǎn)大于1,因此PN結(jié)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(dāng)PN結(jié)為反向偏置時(shí)，電壓V為負(fù)，隨著電壓V的絕對(duì) 值的增加，指數(shù)項(xiàng)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(shí)，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(qiáng)電場(chǎng)中不斷的碰撞電 離，導(dǎo)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(dǎo)致二極管擊穿。齊納擊穿是在高摻雜濃度的PN結(jié)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(chǎng)強(qiáng)度增加，進(jìn)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(yīng)）進(jìn)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(guò)程都是可逆的，只要在外電路中采取適當(dāng)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(guò) PN 結(jié)容許的耗散功率，那么當(dāng)反向電壓降低后 PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)

8、。如果 超過(guò)了容許的耗散功率，就會(huì)因熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)溫度上升，直至過(guò)熱而燒毀，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。熱擊穿是一種過(guò)程擊穿，需要時(shí)間的累積。4.3。4.3由于PN結(jié)漏電流與溫度有關(guān)，隨溫度升高而升高，所以二極管正向特性 也與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，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(guān)系150IF(A)1001.01.5VF(V)一 TT圖4.4三相橋式全控電路的構(gòu)成叩'1'UTU-FaICo n4.4二極管的爆炸損毀過(guò)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(dāng)一個(gè)整流元件運(yùn)行中，由于各種原因（過(guò)電壓或過(guò)熱），使得整流元件PN結(jié)溫度不斷上升，上升到超過(guò)允許的溫度時(shí)就會(huì)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(gè)短路電流是很大的，只 與交流系統(tǒng)的等值阻抗有關(guān)，Is=Un/Zs，這個(gè)系統(tǒng)的理論計(jì)算電流能達(dá)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(guò)溫度升高、體積膨脹、導(dǎo) 流體氣化，內(nèi)部壓力升高最后發(fā)生爆炸，這個(gè)過(guò)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(huì)立即反映到變壓器一次側(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試（變壓器在做突發(fā) 短路試驗(yàn)時(shí)可以測(cè)出來(lái)），

10、這個(gè)過(guò)渡時(shí)間在1/4工頻交流周波，即5ms以內(nèi) 對(duì)比性示意圖如下：鑒于以上分析，我們認(rèn)為：從二極管擊穿開始到變壓器一次側(cè)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(cè)到，短路電流是一個(gè)連續(xù)的參數(shù)量，電流檢測(cè)輔 助單元監(jiān)測(cè)到這個(gè)連續(xù)電流后會(huì)發(fā)出過(guò)流信號(hào)給主單元，當(dāng)弧光傳感器檢測(cè)到弧光信號(hào)后，也發(fā)出弧光信號(hào)給主單元，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)作用到主單元上時(shí)， 主單元發(fā)出跳閘信號(hào)。電解鋁大電流整流柜加裝電弧光保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，增設(shè)電流 判據(jù)是合理的，與弧光判據(jù)同時(shí)使用可以有效防止由于偶然強(qiáng)光（如：電閃雷 鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽(yáng)光等強(qiáng)

11、光反射）照射到弧光探頭引 起的誤跳閘動(dòng)作，確保供電安全。5.方案二增加了保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性，增加的過(guò)流檢測(cè)還能夠提供可靠的預(yù)警功能（非跳閘功能），有利于整流供電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。弧光探測(cè)靈敏度設(shè) 置到30KIuX。電流值整定1.11 n。5.1當(dāng)單一整流元件擊穿，同一電解系列的四臺(tái)整流機(jī)組向短路點(diǎn)供電，反 應(yīng)到每臺(tái)機(jī)組的電流比實(shí)際系統(tǒng)理論計(jì)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(lái)看，交流側(cè)短路電流I過(guò)流為額定電流In的1.31.5倍，即：I過(guò)流= 1.31.5*1 n。5.3所以電流檢測(cè)的整定值設(shè)定在1.1*ln ,保護(hù)是有效的。方案二:根據(jù)弧光保護(hù)單判據(jù)以及弧光+電

12、流雙判據(jù)兩種原理 同時(shí)應(yīng)用1.在此方案條件下選用的裝置包括：兩個(gè)電解系列共有8套整流機(jī)組，保護(hù)系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SOurCe Of POWer)8 臺(tái)、主單元(UTU-FalCOn)8臺(tái)、弧光輔助單元(FalCOn-ARC)8臺(tái)、電流輔助 單元(Falcon-ARC)8 臺(tái)、弧光傳感器(FiItered Light Sensor)192個(gè)、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(tái)機(jī)組配置相應(yīng)的一套弧光保護(hù)系統(tǒng)3. 工作原理及

13、過(guò)程3.1當(dāng)某一元件如保護(hù)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(huì)引起電流立即突變，但危害到 整流柜的正常運(yùn)行，依據(jù)弧光單判據(jù)原理 對(duì)該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳 閘。發(fā)生這些情況時(shí)整流元件(可控硅/二極管)并無(wú)損害，不影響同一電解系 列的其他三臺(tái)整流機(jī)組的正常運(yùn)行。這時(shí)不能排除偶然強(qiáng)光(如：電閃雷鳴、 照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽(yáng)光等強(qiáng)光反射)照射到弧光探頭引起的 誤跳閘動(dòng)這一外界因數(shù)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響。3.2當(dāng)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(hù)電容爆炸、部件毛刺放電故障(產(chǎn)生火花或弧光)的同時(shí)，經(jīng)過(guò)

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(duì)該故障元件所在的整流機(jī)組 進(jìn)行跳閘，同時(shí)對(duì)同一電解系列的其他三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行跳閘。這時(shí)排除了偶然強(qiáng) 光照射到弧光探頭引起的誤跳閘動(dòng)。3.3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡(jiǎn)圖如下:4. 方案三增加了保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性，增加的過(guò)流檢測(cè)還能夠提供可靠的 預(yù)警功能（非跳閘功能），有利于整流供電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電流值整定在1.25*ln，充分考慮了短路點(diǎn)的燃弧能量已足夠達(dá)到迅速摧毀 整個(gè)系列的程度，應(yīng)該快速將整個(gè)系列切除?；」馓綔y(cè)靈敏度設(shè)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(yáng)光等強(qiáng)光反射 ）排除于影響保護(hù)系統(tǒng)之外；這并 不影響保護(hù)系統(tǒng)對(duì)弧光的探測(cè)。5. 方案三既考慮到除了整流元件（可控硅/二極管）過(guò)電壓、過(guò)熱之外等其他 元器件故障因素，又把偶然強(qiáng)光（如：電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車 大燈及太陽(yáng)光等強(qiáng)光反射）這一外界因數(shù)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響降到最低程度。6.