铝电解整流装置保护配置及信号采集和控制理念改进

黄贵平　马波

摘要：铝电解直流电源装置是供电整流系统的核心元件，其能否正常运行直接关系到整个生产系列的安全。目前国内电解铝行业系列产能在不断扩大，部分厂家已试验采用5吋芯片整流元件，以满足系统额定负荷需要。文章综述了目前国内大型电解铝直流电源保护概念、保护配置、信号采集上传及实际运行中存在的问题，并提出了改进理念。

关键词：电解铝；模拟量单元；模块化；软件开发

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）30-0024-02

铝电解直流电源装置是供电整流系统的核心元件，其能否正常运行直接关系到整个生产系列的安全。目前国内电解铝行业系列产能在不断扩大，部分厂家已试验采用5吋芯片整流元件，以满足系统额定负荷需要，其保护种类、功能仍采用过电压保护、高倍过流保护、元件保护、温度保护、主付水压力保护、PLC失电保护、弧光保护、逆流保护及离极等多种保护功能。

1 现状

铝电解系统直流电源装置设计方式普遍采用同相逆并联整流和三相桥式整流两种整流型式，其结构型式由传统的壳式封闭结构逐渐转向绝缘自支撑结构、裸柜或带柜壳，柜壳采用铝合金材料型式，保护采用过电压保护、高倍过流保护、元件保护、温度保护、主付水压力保护、PLC失电保护、弧光保护、逆流保护及离极等多种保护功能，主保护一路通过硬接点直接出口跳闸，另一路通过PLC出口跳闸，同时上传至后台。

上传的部分保护信号如元件损坏保护不能区分桥臂编号（整流柜分A、B柜，每柜12个臂），单臂不能区分并联的元件管号，纯水水质信号未采集上传及未设置水质低保护，付水水温水压信号未采集上传等。对于纯水冷却装置的纯水系统和付水系统都应采集压力模拟量信号，因为纯水压力高于付水压力太多，容易造成纯水串到付水，使纯水流失，需经常补充纯水，付水压力高于纯水压力太多，付水容易串到纯水系统中，造成纯水水质急剧下降，导致纯水绝缘低而发生交直流短路现象，且需要不断处理水质问题，正常运行要求纯水压力略高于付水0.01MPa为宜，后台计算机监控应采集到此路信号。纯水冷却装置的进出口没有采集温度模拟量信号。这些信号的采集通过PLC+触摸屏作为保护装置主单元，PLC内部PID做系统控制，同时PLC还用作采集整流机组系统其他设备（包括调压、整流变压器、纯水冷却装置、变压器油风冷却器及直流大电流开关）的开关量和模拟量信号，还用作控制直流大电流开关的分合、纯水冷却装置水泵的启停及变压器油风冷却装置的投退等，PLC既要处理开关量信号和模拟量信号、又要处理2路PID控制，对运算速度有较大影响，传输速率相

对较慢。

目前机组需采集的模拟量信号超过24点，开关量输入信号超过110点，开关量输出信号超过30点，传统的PLC（如西门子S7-200）单元由于扩展模块数量的限制，已满足不了发展的要求，若选用高一级别的PLC单元成本将大大增加。另外从技术角度出发，电解企业的技术力量和维护能力与设备制造企业相比存在较大差异，PLC+触摸屏的编程组态、维护维修一般由设备制造企业完成，由于各种原因设备故障后不能及时处理，影响正常运行和信号的上传。

2 保护配置及信号采集和控制理念改进

（1）在整流柜桥臂信号采集模块设计桥臂区分单元，将每台整流柜的12个桥臂温度信号分别发送至整流柜PLC，整合桥臂温度及水温保护，经PLC编程区分送至后台，运行人员可快速、准确判断升温源，及时调整设备的运行方式，退出缺陷设备进行有针对性的

检修。

（2）将纯水冷却装置的纯水进出口水温、水压的模拟量信号、付水进出口水温、水压的模拟量信号采集上传至后台，并设计差压和差温报警。这样运行人员才能及时掌握纯水冷却装置的换热效果和纯付水压力、流量，才能知道温度交换板的结垢情况，才能将设备投产初期和后期运行参数做比较，及时通知相关人员对纯水冷却系统进行有效的检修、维护和保养。同时设计采集纯水水质信号上传至后台，在纯水水质降低至设定值时及时发出报警信号。纯水水质测试仪应设有水质电阻测量功能，该信号一并采集到后台，运行人员可通过后台计算机观测到纯水水质的变化（阻值下降），确定纯水处理时间。

（3）建议设计安装整流柜均流测试仪。该装置采集了整流柜单只元件电流、桥臂电流、整流柜总电流信号，并将同臂元件电流均流系数、臂与臂间电流均流系数、A、B柜电流均流系数以及A、B柜差流值等相关信号均上传至后台，通过后台将“元件损坏”保护与均流测试仪采集的相关信号通过软件有效融合，同时设计元件通流上下报警限值，准确判断“元件坏一”、“元件坏二”桥臂和元件损坏管号，可快速查找损坏元件。

（4）逆流与弧光保护在运行方式上进行有效配合，可采用单柜弧光保护动作跳本机组与逆流保护动作跳系列方式相结合。整流柜产生弧光由短路造成，而逆流保护装置启动必然是前置设备短路，两套保护串接出口可有效避免保护装置及控制回路故障导致系列误停电的现象，也可将两套保护装置并行出口，在弧光保护误动时仅跳本机组而不影响到系统。或鉴于整流柜采用桥式结构、绝缘自支撑结构、裸柜等方式设计，可取消弧光保护的采用。

（5）整流柜高倍过流保护是整流机组过流、速断保护的补充，高倍过流保护的设定值与机组过流、速断保护有效结合，避免保护不匹配造成系统频繁跳闸导致生产不稳定。离极保护在实际生产过程中没有实际意义，不采用可使信号采集和后台显示更加清晰或在变压器一次与阀侧、阀侧与整流柜输出端采用纵联差动保护（该保护装置的设计研究，宁夏电力工程院已设计完成，目前进入现场试运行阶段）替代上述四种保护。因为铝业整流变压器组在1～48级因阻抗较大，上述四种保护的灵敏度不满足要求，一般情况下在这一级段发生事故机组及时跳开的几率很低。

（6）将机组附属设备必须采集的各种信号另置PLC均采集到主控后台，主要保护信号除接入信号采集单元外，另一路直接由信号采集单元的继电器硬接点接通机组跳闸回路。

（7）机组附属设备的部分保护设置无源开关量信号、运行模拟量信号（如温度、压力、流量、电流等）的采集及附属设备的启停控制等，采用智能开关量采集单元通过通讯网络将信号送到主控室后台计算机，由计算机后台进行远程操作。

（8）近几年国内工控产业高速发展，智能模拟量采集单元以及智能开关量单元装置性能稳定，采用该装置组成整流机组附属设备信号采集及控制系统，接线简单，检修更换方便。智能模拟量采集单元无需信号变换和隔离、直接接入设备，全中文组态界面，能接入标准工控信号（如0～75mv、0～5V、1～5V、4～20mA、Pt100等），有数据存储、追忆、曲线查询、报警设置等功能，比传统的PLC+触摸屏组合方式更为简单

适用。

（9）计算机监控网络应选择光纤通讯，后台计算机配置多串口卡，各机组的通讯端口分开，提高采样

速率。

铝电解直流电源装置是供电系统核心元件，也是系统内薄弱环节和事故高发部位，完善保护、提高综合自动化系统功能，及时发现并消除缺陷将使铝电解生产更加安全稳定。

参考文献

[1] 姚延海.铝电解整流机组综合自动化及PI神经网络控制器设计[D].中南大学，2004.

[2] 张秀岭，王洪永，赵建民.铝电解生产中延长电解槽寿命的新措施[J].轻金属，2008，（12）.

作者简介：黄贵平（1967-），男，宁夏海源人，中电投宁夏青铜峡能源铝业有限公司动力分公司工程师，研究方向：工业电气技术；马波（1975-），男（回族），宁夏吴忠人，中电投宁夏青铜峡能源铝业有限公司宁东分公司助理工程师，研究方向：铝电解工业。