整流機組的綜合保護

1、中國氯堿China Chlor-Alkali第1期2010年1月No.1Jan.,2010整流機組的綜合保護李品芳(廣東江門廣悅電化有限公司,廣東江門529080摘要:介紹了大功率硅整流機組的保護功能及其原理,為整流機組配置完善的保護系統(tǒng)是安全生產(chǎn)的可靠保證。關鍵詞:大功率硅整流機組;純水冷卻系統(tǒng);整流機組交流側過流保護;整流變壓器;有載調(diào)壓器本體保護中圖分類號:TM461文獻標識碼:B文章編號:1009-1785(201001-0001-041大功率硅整流機組結構簡介廣州江門廣悅電化有限公司現(xiàn)有6套整流機組,選用硅整流二極管整流器,其結構如圖1所示。由于功率較大,輸出的直流電流和直流電壓也較

2、高,結構比較特別,整流器與整流變壓器通過采用“雙反星形帶平衡電抗器同相逆并聯(lián)”的結線方式來降低損耗。由于輸出直流電流大,其整流臂和整流二極管運行溫度較高,必須通過絕緣件(水套和運水管,依靠純水的循環(huán)降低溫度。2大功率硅整流機組的保護配置2.1整流器保護在整流元件換相瞬間,由于載流子積累效應產(chǎn)生過電壓,其最大值可以達到正常反向電壓的57倍。為防止硅整流二極管在承受換相電壓時產(chǎn)生過電壓而遭到損壞,必須在陽極與陰極之間并接電容保護。電容兩端電壓不會突變,因此能吸收浪涌電壓,為了防止電容與硅整流二極管組成的回路引起振蕩而產(chǎn)生瞬間劇增電流,需串入換相電阻。在大功率的整流器中,換相保護的電容一般采用油浸式

3、或金屬膜電容。雖然電解電容也可以作保護用,但因其電解液有可能干枯而導致開路或短路,為保證供電的可靠性,一般不選用電解電容。由電阻、電容組成的換相過電壓保護電路如圖2所示,圖2中只畫出一條整流臂的換相過電壓保護電路,其余整流臂相同。10kV123456圖1整流機組結構簡圖1高壓母線;2高壓斷路器;3有載調(diào)壓器;4整流變壓器;5硅整流器;6電解槽(離子膜式或隔膜式Comprehensvie protection of rectifying setLI Pin-fang(Guangdong Jiangmen Guangyue Electrochemical Co.,Ltd.,Jiangmen 529

4、080,ChinaAbstract:The protection and principles of high power silicon rectifying set were introduced.Perfect protection system of rectifying set was reliable for safe production.Key words:high power silicon rectifying set;cooling system;rectifying set alternating -current or over -current protection

5、;rectifying transformer;oltc transformer protection1中國氯堿2010年第1期以下3種情況在整流變壓器的閥側均會產(chǎn)生操作過電壓。(1當整流機組空載時,將有載調(diào)壓器一次側斷路器切斷,由于激磁磁通在鐵芯內(nèi)貯存的能量不能突變,只能向繞組的分布電容充電,引起幅值極高的振蕩,若不加保護,振蕩電壓的峰值可達工作電壓峰值的810倍,當帶有負載時,則電磁能量可以向負載釋放,一般不致產(chǎn)生異常過電壓。(2當整流變壓器變化大,且網(wǎng)側為高壓時,則網(wǎng)側在峰值時刻合閘,由于整流變壓器網(wǎng)側線圈之間有分布電容存在,因靜電感應,使閥側線圈瞬時感應出高電壓。(3當整流機組電源側高

6、壓斷路器接通空載整流變壓器時,由于系統(tǒng)、線路、整流變壓器漏感與變壓器分布電容等構成振蕩電路,在整流變壓器繞組上產(chǎn)生過電壓。這一過電壓的最大可能值為接通瞬間電源電壓瞬時值的2倍,因此,最大可能值為電源電壓峰值的2倍,即整流變壓器閥側可能感應出2倍峰值的過電壓。上述過電壓的產(chǎn)生,嚴重危及整流二極管,必須采用操作過電壓保護措施。一般情況下,操作過電壓采用壓敏電阻保護。壓敏電阻是一種氧化鋅非線性電阻,屬新穎的過電壓保護元件。在正常交流工作電壓下,晶體界面呈高電阻狀態(tài),有數(shù)百微安電流流過電阻體,在過電壓情況下(如承受浪涌電壓時,晶體的界面上電壓梯度很高,電阻率急劇增大(類似穩(wěn)壓二極管的齊納擊穿,并能轉(zhuǎn)化

7、為電阻體的發(fā)熱,即浪涌能量被壓敏電阻吸收,這就是壓敏電阻抑制過電壓的原理。由于壓敏電阻具有大的非線性系數(shù),沖擊通流容量大、無間隙、時間響應好、體積小和常態(tài)功耗低等優(yōu)點,從低電壓電子設備到超高壓電氣設備的過電壓保護都得到廣泛的應用。同時,為吸收靜電過電壓,一般也接入電容器作保護。操作過電壓與靜電過電壓保護接線如圖3所示?？焖偃蹟嗥饔脕砬袛鄡?nèi)部短路電流或內(nèi)、外部短路電流,使硅整流二極管得到保護?？焖偃蹟嗥骶哂刑厥獾男阅?且體積小、功耗小,并具有較大的斷路容量,在切斷短路電流過程中,具有快速限流的作用,并且不會發(fā)生具有危險性的過電壓。由于快速熔斷器的熔斷速度很快,同時具有限流作用,短路電流尚未上升到

8、最大值前,就可被它切斷。快速熔斷器的工作原理如圖4所示?？焖偃蹟嗥鞯慕尤敕浅：唵?將快速熔斷器直接串入每只整流二極管即可。整流機組在運行中,若整流元件反向擊穿,巨大的故障電流流過快速熔斷器,使其迅速熔斷,作為報警用的副熔絲也隨即熔斷,其熔斷指示桿彈出,推動微動開關常開觸點閉合,接通報警回路,提醒值班人員檢查處理?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo原理圖如圖5所示。圖中只畫出單只快速熔斷器與整流二極管的保護接線,在實際的大功率硅整流機組中,每條整流臂往往是由多只整流二極管并聯(lián)組成的,但每只整流二極管的保護接線相同。對于大功率整流機組而言,由于在整流臂各并聯(lián)支路內(nèi)串接快速熔斷器作為故障支路的隔離器件,當整流管過電流或

9、過電壓擊穿瞬間,快速熔斷器圖2換相過電壓保護原理圖1FUDCR1FU 快速熔斷器;D 硅整流二極管;C 電容器;R 電阻a1b1c1D01-2FU11FU12FU21FU22FU31FU3D1RY1RY2D2RY3D3+2C12C22C3圖3操作過電壓保護原理圖2FU12FU3熔斷器;1FU11FU3快速熔斷器;RYRY3壓敏電阻;D1D3整流二極管;2C12C3電容器t1熔化時間;t2燃燒時間;t 快速熔斷器熔斷時間圖4快速熔斷器工作原理圖It1t2t故障電流峰值2N412TAaTAcN411A411C4111LJA4122LJC4123LJ4LJ5LJ 圖8電流互感器與電流繼電器接線圖1F

10、UDxk1FU-快速溶斷器;D-硅整流二極管;xk-微動開關圖5快速熔斷器保護原理圖即熔斷,把故障電流切除,保護了其他支路整流元件的正常工作。快速熔斷器主要起短路保護作用,也可以作過載保護。由于快速熔斷器結構簡單,保護范圍廣,并且具有極為優(yōu)越的快速熔斷性等特點。對于大電流硅整流機組采用以快速熔斷器作為整流元件故障支路的隔離器件,以交流側斷路器作為唯一的保護器件,已在化工、冶煉等的整流設備中廣泛應用。2.2純水冷卻系統(tǒng)保護大功率硅整流器由于運行電流大,產(chǎn)生的熱量也較大,整流器的運行溫度也相應較高,必須借助純水冷卻系統(tǒng)來對整流器內(nèi)的橋臂和整流元件進行冷卻,純水冷卻系統(tǒng)是保證整流器安全運行的重要設施

11、。除了正確選擇純水冷卻設備外,還必須配備相應的保護措施,以便在純水冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,發(fā)出報警信號。目前,電化學用整流器幾乎都采用純水循環(huán)冷卻方式。衡量純水冷卻系統(tǒng)工作是否正常的主要指標有純水電阻率、壓力和溫度等。當純水的電阻率較低時,會使整流臂及整流元件的絕緣度降低,容易造成局部短路,影響機組的安全運行。所以,通常在純水冷卻系統(tǒng)中安裝純水電阻率表,隨時監(jiān)控純水的電阻率,按照純水循環(huán)冷卻設備廠家的使用要求,當純水的電阻率下降到<200k /cm 時,必須將純水進行置換。此外,對純水的進口壓力也有一定的要求。進口壓力過高,會使運水網(wǎng)紋管容易破裂,造成整流器漏水而產(chǎn)生短路。若水壓過低,則冷卻

12、效果不理想。所以,根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗,一般將純水的進水壓力設定在0.100.15MPa ,由電接點壓力表進行監(jiān)控,如壓力超過上、下限,會發(fā)出報警信號。同樣,對循環(huán)冷卻的純水溫度也需進行監(jiān)控。當出口的純水溫度較高時,有可能是由于水路堵塞而致,必須清理;或者由于運水量不足,這時應該將純水的進、出閥適當調(diào)大,增加運水量以相應地提高冷卻效果。純水溫度一般設置在50左右,由WTZ 288電接點壓力式溫度計進行監(jiān)控,純水循環(huán)冷卻系統(tǒng)監(jiān)控原理如圖6所示。2.3整流機組交流側過流保護由于大功率整流機組的整流變壓器閥側繞組較多(共有4個星形繞組且運行電流大,不能像一般動力變壓器那樣對其內(nèi)部故障實現(xiàn)差動保護,整流

13、機組的交、直流間產(chǎn)生各種短路故障時,可由過流保護迅速、可靠地將交流電源切斷。過流保護接線方式如圖7所示。該接線方式為兩相三繼電器接線方式(屬不完全星形接線,沒有兩相兩繼電器接線方式那些缺點,與三相三繼電器接線比較,可以節(jié)省1臺電流互感器,在小電流接地系統(tǒng)中,可靠性、靈敏度及反映各種短路故障等方面均不次于三相三繼電器系統(tǒng),因此得到廣泛應用。在實際使用中的過流保護可分為過流速斷和定時過流2種形式,其接線如圖8所示。圖中1LJ 和2LJ 為過流速斷保護的啟動元件,當故障電流達到速斷保護的整定值時,1LJ 或2LJ 馬上動作并不經(jīng)延時啟動高壓斷路器的跳閘回路,切斷交流電源;3LJ 、4LJ 和5LJ

14、為定時過流保護的啟動元件,當故障電流達到定時過流保護整定值時,3LJ 、4LJ 或5LJ 啟動,若故障電流的持續(xù)時間達到時間繼電器的整定值(0.5s 時,則時間繼電器會啟動高壓斷路器的跳閘回路,同樣把交流電源切斷。交流側過流保護原理見圖9。圖7交流側過流保護接線方式QFTAa TAc1LJ 2LJ3LJAC220VkM1HL1kM2HL2kM3HL3SA DLkM1kM2kM3kM1kM2kM3P1P2水壓降低水壓降低指示水壓升高水壓升高指示水溫升高水溫升高指示故障報警圖6純水冷卻系統(tǒng)保護原理圖第1期李品芳:整流機組的綜合保護3中國氯堿2010年第1期整變本體重瓦斯1WSJ 16XJ051QP

15、 3XJ33TBJ 37QFTQ +-4XJ2WSJ 072QP 5XJ6XJ3WSJ 093QP 7XJ8XJ4WSJ 0114QP 9XJ10XJ5WSJ 01511XJ6WSJ 01712XJ7WSJ 01913XJ8WSJ 02114XJ1WJ 02315XJ2WJ 025跳閘信號調(diào)變本體重瓦斯調(diào)變有載開關重瓦斯整變有載開關重瓦斯整變本體輕瓦斯信號調(diào)變本體輕瓦斯信號調(diào)變有載開關輕瓦斯信號整變有載開關輕瓦斯信號整變本體溫度信號調(diào)變本體溫度信號跳閘信號跳閘信號跳閘信號SJ+-SJ2XJ 2LP 33TBJ37QFTQBCJ BCJ 033LP1XJ1LPBCJI1LJ2LJ 3LJ 4LJ

16、 5LJRbcj 圖9整流機組交流側過流保護原理圖圖11交流側過流、調(diào)變和整體變本保護報警回路預告燈光及音響+XM 2SYM-XM 3FU5FU 4FU701KK 93KK 90QF 708HL1131917727702YBMSA1DD 6FU 1XJ 716HL216XJ729SA2DJ事故燈光及音響2.4調(diào)壓器、整流變壓器本體保護有載調(diào)壓器和整流變壓器也是整流機組中的重要組成部分,對電網(wǎng)的安全運行影響很大。因此,對有載調(diào)壓器及整流變壓器必須設置有效的保護。瓦斯繼電器作為有載調(diào)變和整流變壓器的基本保護是最簡單而又實用的方法,瓦斯繼電器能夠反映變壓器內(nèi)部的多種故障,如絕緣擊穿、線圈匝間或?qū)娱g短

17、路、相間短路、鐵芯或瓷管損壞、穿芯螺桿絕緣下降、有載開關故障或變壓器漏油使器身油面降低等,均能使瓦斯繼電器動作,動作時可以發(fā)報警信號(輕瓦斯或重瓦斯,或者直接使高壓開關柜斷路器跳閘(重瓦斯可選擇,以保證故障不會擴大。另外,變壓器在額定負荷下,其運行溫度較高,尤其在南方的夏季,變壓器上層油溫可能高達7080,如此高的溫度會影響變壓器油的質(zhì)量,使變壓器油的絕緣強度逐漸降低。因此,為保障變壓器的安全運行及變壓器油不會提前劣化,必須對有載調(diào)壓器及整流變壓器運行溫度進行監(jiān)測。通常的辦法是利用WTYK 802型變壓器溫度控制器進行監(jiān)測,將該控制器的感溫包插入變壓器頂部,用來測量有載調(diào)壓器和整流變壓器的上層

18、油溫,根據(jù)實際需要,一般將報警溫度設定為80。前面談及的瓦斯繼電器和溫度控制器作為有載調(diào)壓器和整流變壓器的本體保護是比較普遍的方法,并且具有一定的可靠性和實用性。其控制原理如圖10所示(圖中只畫出本體保護的相關部分,其余從略。部分整流變壓器本身帶有多檔位的有載開關,有載開關內(nèi)設有瓦斯繼電器,整流變壓器本體亦設有瓦斯繼電器,有載調(diào)壓器亦是如此。所以,從圖10可以看到,本體保護中共有4個輕瓦斯和4個重瓦斯保護,兩個溫度保護,4個重瓦斯的保護壓板可置于跳閘位置或信號位置,視實際需要而定。而輕瓦斯和溫度動作時均為報警。過流保護和本體保護動作時,均會啟動報警回路,從而發(fā)出聲光報警信號提醒值班人員注意。報

19、警回路見圖11。當過流保護(速斷或定時過流或者本體保護(重瓦斯動作時,由高壓開關柜二次控制回路控制高壓斷路器跳閘,報警回路中的電笛DD 發(fā)出聲響,相應的信號繼電器指示燈亮起,以報出相應的故障類別。同理,當輕瓦斯或溫度保護回路動作時,報警回路中的電鈴DJ 發(fā)出聲響,相應故障點的信號繼電器指示燈亮起,提示值班人員檢查處理。3保護系統(tǒng)的使用情況及注意事項上述系統(tǒng)的保護功能概括起來有交流側過流保護、有載調(diào)變器和整流變壓器本體保護、整流器操作過電壓、換相過電壓和靜電過電壓保護、整流二極管過流保護及純水冷卻保護等。該保護系統(tǒng)比較安全、可靠,并在實際運行中得到肯定。從該公司多年的使用情況來看,整流機組運行比

20、較穩(wěn)定,很少出現(xiàn)誤動作。但是,運行人員須加強責任心,定時對整流設備進行現(xiàn)場巡視并做好相關數(shù)據(jù)的記錄和分析,例如留意觀察有載調(diào)壓器、整流變壓器的運行溫度和油位,循環(huán)冷卻純水的水阻率及網(wǎng)紋管有無漏水或管口有無脫落等。需要注意的是,當整流機組停用一段圖10調(diào)壓器、整流變壓器本體保護原理圖4中國氯堿China Chlor-Alkali第1期2010年1月No.1Jan.,2010整流設備的可靠性設計許敬濤(廣州電器科學研究院,廣東廣州510300摘要:對整流設備的可靠性進行了探討,給出了分析整流設備可靠性的基本模型、可靠性指標以及指標分配的基本方法,簡述了提高設備可靠性的設計要點。關鍵詞:整流設備;可

21、靠性設計;可靠性模型;可靠性分配中圖分類號:TM461文獻標識碼:B文章編號:1009-1785(201001-0005-04國產(chǎn)整流設備在使用中因電氣元件損壞、印制板虛焊、接插件不牢靠等影響正常運行,產(chǎn)品故障維修率較高。由于設備本身設計或制造缺陷以及元部件質(zhì)量問題所導致的事故時有發(fā)生,設備的可靠性已成為影響整流裝置正常運行的主要因素。因此,開展整流設備可靠性設計,并在此基礎上評估可靠性以及分析各種影響可靠性的因素具有重要意義。可靠性設計是根據(jù)可靠性指標預計的結果,在設計過程中選用與系統(tǒng)可靠性匹配的器件及技術,以達到滿足產(chǎn)品可靠性的要求,同時使產(chǎn)品使用周期費用最低。常采用的可靠性設計技術包括簡化設計、降額設計、冗余設計、熱設計、電磁兼容設計、維修性設計、容錯設計與故障弱化設計等,有些還包括軟件的可靠性設計。研究表明,在產(chǎn)品設計的初期開展可靠性工作,費用支出最少1。世界知名的大公司非常重視產(chǎn)品設計階段的可靠性分析,他們把對可靠性的樸素的經(jīng)驗性認識提高到理論高度,其質(zhì)量手冊中有專門的可靠性分析章節(jié),要求對設計方案的每一環(huán)節(jié)都進行可靠性分析,并在此基礎上確定最終的技術路線。1整流設備可靠性模型1.1整機可靠性模型電控類設備一般為可修復系統(tǒng),單元壽命服從指數(shù)分布。整流設備一般可以簡單地分為控制系統(tǒng)和功率Reliability design of rect