整流機組無信號跳閘原因分析*

王 敏，師華峰，吳俊杰，孔凡成，李愿飛，陳飛飛，李 兵

（云南云鋁涌鑫鋁業有限公司，云南 建水 654300）

中國是世界電解鋁工業大國，隨著電解鋁冶煉技術的不斷進步，鋁電解槽的系列電流強度增加到了500 kA、600 kA，對鋁電解的硅整流裝置在可靠性和容量方面提出了更高的要求。目前，國內大部分鋁電解整流器的制造技術源于20世紀80年代初引進日本FUJI公司的產品[1]，當時的整流參數為單柜30 kA、750 V，其優點就是通過整流相間的同向逆并聯，相互抵消磁通，減少能耗。國內同行通過近20多年的努力，鋁電解整流器已經實現國產化，可以支撐600 kA、660 kA超大型鋁電解槽技術發展[2]。

整流機組是一種大功率的整流設備，由整流變壓器、整流器、控制柜等設備組成[3]，主要用于電解、電鍍和電泳時充當電源設備，為盡量降低設備故障帶來的損失，除整流變壓器配備相應的電量和非電量跳閘保護設施外，整流器也必須配置相應的電量和非電量保護，在整流變壓器或者整流器硬件發生相應異常或故障時，及時報警和跳閘，盡快隔離故障設備，防止引發二次事故而給企業帶來更大的經濟損失。

1 一般整流機組保護跳閘信號配置

整流變壓器方面：電量保護一般配置定時限過流保護、速斷保護和間隙保護等，非電量保護一般配置瓦斯保護、油溫保護、壓力保護等[4]。

整流器方面：電量保護一般配置定時限過流保護、過電壓保護、換向保護等[3]。非電量保護一般配置母線溫度保護、冷卻水流量保護、水溫保護、水質保護、元件壞二等[6]。

以上保護動作后，正常情況下，相應的保護跳閘信號必須在現場保護裝置或者后臺操作界面得到體現。以整流器保護跳閘為例，當直流側電量參數發生異常時，熔斷器熔斷將會促使直流保護微動開關動作，微動開關觸點F6.1或者F6.2立即斷開，直流保護繼電器K612失電動作，原理如圖1所示。交流保護、換向保護等動作原理與直流保護動作原理類似。

圖1 直流保護（整流器保護之一）微動開關觸點Fig.1 Touch spot of micro switch for DC protection (one of rectifier protection)

直流保護繼電器K612動作后，其輔助觸點動作信號輸入PLC的DI模塊A528，從而使現場操作屏和上位機上發出直流保護報警信號，同時使整流器硬件跳閘繼電器K690動作信號輸入PLC的DI模塊A531，現場操作屏和上位機發硬件跳閘信號，如圖2所示。

圖2 直流保護、硬件跳閘保護等DI信號Fig.2 DI signal of DC protection,hardware trip protection

整流器硬件跳閘繼電器K690動作后，其輔助觸點使時間繼電器K850丟失觸發電壓信號，延時后使時間繼電器K850動作，聯鎖驅動繼電器K830動作，最終使跳閘繼電器TJ動作，原理如圖3所示，完成一次直流保護動作跳閘。

圖3 聯鎖跳閘觸點動作原理圖Fig.3 Action schematic diagram of touch point for interlock tripping

2 跳閘過程分析及處理

2.1 第一次跳閘分析處理

某企業220 kV開關站一臺整流機組在運行過程中，突然發生跳閘事故，主控室上位機無任何故障報警信號，經現場檢查，通訊系統完好，就地控制LCP柜操作屏上無任何故障報警信號，整流變壓器保護裝置未發出任何故障報警信號，整流設備也無異常現象，跳閘繼電器TJ仍然處在動作狀態，檢查整流變壓器保護裝置并未開出跳閘信號，隨即開始檢查整流器跳閘回路，發現驅動跳閘繼電器動作的上級繼電器K830動作，K830作為驅動繼電器，以下四種情況中的任何一種都可以導致K830動作：①就地控制LCP柜發出急停跳閘命令；②主控MCP柜發出急停跳閘命令；③PLC開關量輸出量模塊發出跳閘命令；④整流器發生過壓、快熔損壞等故障。前三種命令都是直接使K830動作；而第四種情況當整流器發生過壓、快熔損壞等故障時，延時1 s后會使時間繼電器K850斷電延時動作，從而聯鎖K830驅動跳閘繼電器TJ動作，最終使整流機組跳閘，對時間繼電器K850檢查后發現K850處于動作狀態未復位，測量時間繼電器的24 V電源接點A1、A2正常，斷電延時觸發信號Y接點電壓正常，而整流器過壓、快熔損壞等中間繼電器均未動作，根據以上現象，判斷導致跳閘的原因為時間繼電器K850損壞，更換時間繼電器K850后，驅動繼電器K830復位，跳閘繼電器TJ復位，對該整流機組嘗試送電，升至正常負荷運行正常。

2.2 第2次跳閘分析處理

該整流機組運行一天后，再次發生跳閘，此次跳閘現象和第一次跳閘完全一致，考慮更換的時間繼電器K850可能有缺陷，再次更換新的時間繼電器后，送電運行正常。

2.3 第3次跳閘分析處理

運行數天后，該整流機組第三次發生跳閘，現場檢查跳閘繼電器TJ和其他中間繼電器都已復位，所有設備處于正常狀態，無任何故障報警信號。綜合前兩次各個繼電器動作情況，能肯定的是時間繼電器K850動作過了，能使時間繼電器K850動作的條件有以下兩種：①電源丟失；②斷電延時觸發信號丟失超過1 s。根據第一個條件檢查并更換了時間繼電器K850的24 V開關電源和電源線路，根據第二個條件整流器硬件跳閘繼電器K690動作直接使斷電延時觸發信號丟失，所以更換了K690繼電器和斷電延時觸發信號線路，加裝監測繼電器用于監測K690繼電器是否發生動作，并手動測試了與整流器硬件跳閘繼電器關聯的快熔微動開關和溫度異常信號，全部信號能正常報出，整流機組再次送電運行正常。

2.4 第4次跳閘分析處理

運行一天后，該整流機組第四次發生跳閘，現場檢查跳閘繼電器TJ和時間繼電器K850動作未復位，加裝的監測繼電器動作，這足以證明整流器硬件跳閘繼電器K690動作過，說明導致跳閘的原因一定是整流器硬件跳閘繼電器K690關聯的保護動作，再一次對相關保護的微動開關和溫度保護進行檢查，發現直流保護微動開關F6.1接線松動，在靜態下接觸點是良好的，且接觸點在絕緣套下難以發現，但是整流機組帶負荷運行時，整流橋臂和直流母線在電磁力作用下會產生震動，很可能使觸點發生閃動，從而導致直流保護繼電器K612和整流器硬件跳閘繼電器K690動作，斷電延時繼電器K850因K690動作超過1 s丟失觸發電壓信號而動作，K850動作使跳閘驅動繼電器K830動作，最終跳閘繼電器TJ動作使整流機組發生跳閘。

但是，此處有兩點疑點：①快熔損壞、交直流保護、換向保護、溫度保護和快熔監測板電源保護中的任何一個保護動作時，相應繼電器動作都會將信號輸入PLC的DI模塊，上位機會有相應的故障報警信號，整流器硬件跳閘繼電器K690也將發信號至PLC，后臺報整流器硬件跳閘信號，但是以上信號全部沒有；②四次跳閘，三次時間繼電器斷電延時觸發信號恢復后未復位，只有一次正常復位，新的時間繼電器多次測試正常后才進行更換，并且換下的時間繼電器也進行了多次測試，測試結果正常，斷電延時觸發信號恢復后為什么不能復位呢？

根據疑點一，推斷PLC開關量輸入模塊DI在收到信號后，會有一個超過1 s的延時，目的是避免誤報。使用信號發生器將信號直接輸入DI模塊直流保護通道和硬件跳閘通道，計時2 s，就地控制LCP柜控制屏上報出直流保護信號和硬件跳閘信號，上位機也報出相應信號，嘗試輸入交流保護、溫度保護等硬件跳閘信號，依然有2 s的延時。然而硬件跳閘時間繼電器K850僅延時1 s直接開出跳閘信號，所以，當直流保護等硬件跳閘微動開關動作1 s后立即復位時，可以使時間繼電器K850動作，最終跳閘繼電器TJ動作，而后臺報警信號因為延時不到2 s，無法報出故障信號。

根據疑點二，推斷斷電延時時間繼電器K850在強電磁場環境下，觸發信號丟失1 s后立即重新加上，有一定概率出現無法復位現象。在較強電磁場環境下，使用信號發生器給時間繼電器加載一個周期為1.5 s的觸發脈沖信號，經過10 min的測試，時間繼電器出現了無法復位的現象，重新上電后恢復正常。

3 跳閘原因總結

以上分析和試驗證明了導致整流機組發生四次跳閘的原因，就是直流保護微動開關F6.1接線松動，整流機組在運行過程中產生振動使松動的接線反復斷開和接觸，但是斷開時間僅有1 s左右，觸點斷開后使直流保護繼電器K612動作，聯鎖整流器硬件跳閘繼電器K690動作，使斷電延時繼電器K850失去觸發電壓信號而動作，從而聯鎖跳閘驅動繼電器K830動作，最終聯鎖跳閘繼電器TJ動作使整流機組發生跳閘事件。而整流機組就地控制柜操作屏和上位機均未發出報警信號的原因是由于PLC的DI信號延時設置不合理。如圖4所示。

圖4 整流機組直流保護跳閘過程Fig.4 Tripping process of DC protection of rectifier units

4 預防及措施

4.1 設計方面

電力電子電路通常以電力電子器件為核心，通過對不同電路拓撲的不同控制方式來實現對電能的轉換和控制[7]，為防止類似跳閘事件發生時被電子器件的信號影響判斷，提升設備運行可靠性，在電氣專業項目中進行設計選型時，特殊環境下需考慮設備的抗干擾能力，避免各類設備、裝置發生誤動或者拒動。特別是強磁場環境下選用到電子類設備時，電子產品工作時其內部和外部通常會存在多種電磁干擾。為防止此類干擾影響到設備的正常工作，通常采取以下方案和措施：①盡可能選擇本身具備較強抗干擾能力的設備，在不具備選型條件時，采取抑制電磁干擾的措施，削弱磁耦合現象，采用導磁率高的鐵磁性材料作為屏蔽物，并將屏蔽物進行良好接地，利用屏蔽物對干擾電磁波的反射和吸收作用，衰減干擾電磁場的能量；②強電信號和弱電信號應該分開布置，禁止強電信號和弱電信號采用同一根電纜，重要的信號電纜應采用屏蔽電纜，并將電纜屏蔽層一端接地，長距離的通信線路盡量選擇光纖傳輸方式。將干擾因素降至最低[8]。

4.2 改造方面

合理設置PLC信號延時時間，既要考慮避開誤動跳閘信號，又要在動作時能夠做出正確反映，在發生類似觸點閃動事件時，跳閘同時也能正確報出故障信號，對各個關鍵部件和控制環節完善監測報警信號，避免監測盲區，方便查找故障。

4.3 運維方面

對于各類整流設備，其控制系統的電源必須保證純潔性、穩定性和可靠性[9]。常態化監測各個連接點的溫度變化趨勢，一、二次設備的聲音異常情況，現場信號反饋情況，及后臺通信情況等。同時要定期進行維護管理，維護時包含外觀灰塵清理、冷卻系統維護、監測系統和控制系統維護，部分電氣設備雖然在各類試驗規程里沒有做硬性要求，但是對于一些關鍵性設備和部件，應該按照試驗要求，舉一反三，定期檢查設備絕緣情況、觸點通斷情況，同時，要定期檢查各類設備金屬外殼、箱體的接地情況，及時消除隱患。備品備件方面，對于一些采購周期較長的配件，必須提前謀劃，準備足量的關鍵性部件，在設備發生異常時，能夠及時更換處理，避免長時間停機。

5 應用情況及效果

本次整流機組故障處理，選擇了穩定性更高的時間繼電器進行替代，增加了監測繼電器對二次回路盲區進行監測，同時優化了時間繼電器動作時間和PLC程序，經過在該整流機組多次試驗，保護微動開關觸點在發生震動時，觸點斷開后立即閉合不會促使跳閘繼電器動作，有效避免了因震動引起的誤跳閘，同時信號也能在現場控制屏和上位機正確反映出來。

6 結語

1）應用多種方法找到了導致整流機組無信號跳閘的根本原因就是直流保護微動開關工作狀態接線松動；

2）元件的不穩定性、二次回路存在監測盲區和PLC程序的設計缺陷共同作用，誤導了檢修人員對故障原因的分析和判斷；

3）從設計、改造和運維方面給出了改善建議和措施，為類似故障的分析和預防提供了參考方向，對于提高電解鋁行業系列直流電流輸送的可靠性具有積極促進作用。