電網波動引發晶閘管整流機組跳閘的分析與處理

姚建軍

(云南云鋁泓鑫鋁業有限公司，云南芒市678400)

電網波動引發晶閘管整流機組跳閘的分析與處理

姚建軍

(云南云鋁泓鑫鋁業有限公司，云南芒市678400)

對采用晶閘管整流的大型電解鋁廠，由于電網波動引發的整流機組跳閘故障進行分析研究，查找由于外部電網波動引起高壓開關誤動的原因，進而采取措施，從根本上解決由電網波動引發晶閘管整流機組跳閘的問題，確保鋁電解生產的持續穩定。

故障跳閘;電網波動;晶閘管整流器;工廠供電

0 引言

隨著電解鋁行業的快速發展，大功率整流機組和整流變壓器相繼應用于變電整流系統中[1]。晶閘管整流機組由于控制和反饋的技術特點，加之整流變壓器特殊的結構，給保護配置帶來一定困難，容易在電網波動時引發電量保護動作導致整流機組跳閘，不但造成電解系列電流大幅波動影響生產，同時也給電網安全運行帶來隱患[2]。

該文從某電解鋁廠多次由外電網波動引起的整流機組跳閘故障入手，通過對晶閘管整流機組控制系統進行深入分析，查找由于外部電網波動引起高壓開關誤動的原因，進而采取措施，從根本上解決由電網波動引發晶閘管整流機組跳閘的問題，確保鋁電解生產的持續穩定。

1 電網波動引發晶閘管整流機組跳閘的原因分析

1.1 晶閘管整流機組跳閘故障的統計情況

電解鋁廠由5臺220 kV變電整流機組供電，運行方式為4用1備。2010年3月以來，出現多次電量保護跳閘，見表1。

1.2 故障時的運行方式

跳閘故障發生時，I回進線供電帶220 kV的I段母線，I段母線通過母聯向220 kV的II段母線供電，5臺整流機組運行于220 kV的II段母線，I回進線與外網相連，其運行方式見圖1。

表1 某鋁廠220 kV整流機組跳閘故障統計表Tab.1 Statistic for 220 kV Rectifier Unit Tripping Fault of an Aluminum Factory

圖1 整流機組故障時的運行方式Fig.1 Operation Mode during Rectifier Unit Fault

1.3 故障起因

當外部電網出現電壓瞬間波動(如瞬間某相重合閘)，N臺整流機組同時甩負荷，給鋁電解生產帶來很大的影響，同時給電網安全穩定運行帶來極大隱患。從圖1可看出當外部電網電壓波動時，位于整流變壓器末端的整流機組并無故障發生。調壓變壓器單設保護裝置并配置保護定值，整流變壓器A和整流變壓器B單設保護裝置并配置保護定值，每次外部電網電壓波動均是整流變壓器A或整流變壓器B過流跳閘，沒有出現調壓變壓器保護動作。為此，準確分析查找多臺整流機組過流保護同時動作的原因成為處理故障、采取措施預防類似跳閘故障繼續發生的關鍵因素。

1.4 晶閘管整流機組跳閘故障的原因

通過對跳閘時交流錄波監測，發現進線電壓瞬間(某相)確有降低。直流錄波監測表明整流機組跳閘時電解無效應，整流機組沒有任何報警信號。因此從交直流兩側的錄波可以判斷是整流變壓器過流保護動作引起跳閘。從圖1可知，整流變壓器過流引發保護定值動作可能有兩種原因:一是整流變壓器內部短路;二是整流機組在電壓波動下瞬間有過負荷情況。一般而言變壓器內部短路必然伴隨瓦斯動作，而實際瓦斯卻從未動作。查看了上位機所有機組過流跳閘相關的報警和跳閘記錄，有3方面原因可以排除是DCS800同步報警引起的問題:①綜自系統上沒有出現過DCS800關于同步采樣的報警或跳閘信號，說明同步采樣一直正常;②如果是因同步問題引起過流跳閘，那么出現多次整流變壓器過流跳閘時，調壓變壓器過流保護不會一次都沒有出現;③8月份以后的整流機組跳閘記錄上，均為兩機組跳閘，但仍有兩臺整流機組正常運行，無任何報警信號出現。因此，整流變壓器保護動作的原因初步判斷為整流機組在外部電網電壓波動下瞬間有過負荷情況發生。

晶閘管整流的穩流控制，是依靠交流反饋和直流反饋在穩流控制器內通過PID控制完成的。因此，晶閘管整流機組輸出電流的大小只與交流反饋和直流反饋有關系。電解系列在穩定的工藝下其電壓基本穩定也決定了電流基本穩定，那么整流機組的過負荷就與交流反饋有關，而交流反饋受電網電壓影響。

為了準確分析和查找故障原因，我們模擬了類似跳閘故障發生時交流反饋情況。

(1)突然升降有載檔位模擬電網電壓波動得出錄波曲線

突然升降有載檔位模擬電網電壓波動濾波曲線見圖2，從圖2的曲線中可以看出機組直流電流瞬時超調值為12.2%時，響應時間為0.4 s。

(2)通過封鎖整流機組脈沖模擬運行中整流機組負荷突變

通過封鎖整流機組脈沖模擬運行中整流機組負荷突變示意圖見圖3，從圖3可以看出機組直流電流瞬時超調值為25.9%，響應時間為0.5 s。

圖2 突然升降有載檔位模擬電網電壓波動錄波曲線示意圖Fig.2 Sketch Map of Wave Record Curve for Suddenly Lifting On－load Position Stimulating Voltage Fluctuation

圖3 封鎖整流機組脈沖模擬運行中整流機組負荷突變示意圖Fig.3 Sketch Map for Blockade Rectifier Unit Pulse Stimulating Sudden Load Change in Rectifier Unit Operation

(3)通過階躍試驗模擬運行中整流機組突然人為給定電流

階躍測試是用來檢驗穩流暫態品質的方法，即瞬間改變整流器直流電流輸出值，記錄直流電流跟隨時的超調幅值和響應時間。超調幅值越小，響應時間越短，說明穩流暫態品質越好;反之，超調幅值越大，響應時間越長，說明穩流暫態品質越差。整流機組通過階躍試驗模擬運行中突然人為給定電流運行示意圖見圖4，從圖4可以看出，做幅值為負48%的階躍測試，單機組直流電流瞬時超調值為2%，響應時間0.6 s。

從試驗中不難看出，晶閘管整流機組在跟隨反饋調節輸出時是存在超調和具有一定時限的。經過核對整流變壓器保護定值發現過流動作時限為0.5 s，而試驗得出最大超調時限為0.6 s，所以當外部電網波動時保護時限過小無法躲過整流機組超調而跳閘。

圖4 整流機組通過階躍試驗模擬運行中突然人為給定電流運行示意圖Fig.4 Sketch Map for Rectifier Unit via Step Test Stimulating Sudden Man－given Electric Current Working in Operation

2 對整流變壓器、整流機組保護定值的整定建議

根據以上分析，我們對整流變壓器、整流機組的保護定值進行了梳理。該鋁廠整流機組的參數為900 V/2×38 kA，整流機組的直流電流的保護整定值見表2。

表2 整流機組的直流電流的保護整定值Tab.2 Protection Setting of Direct Current for Rectifier Unit

以第4行整定值為例進行說明:①正常運行機組單柜直流電流≥2.09×38 kA，3 s跳閘保護;②元件損壞1個，運行機組單柜直流電流≥1.65×38 kA，3 s跳閘保護。這兩個直流電流整定值折算到整流變壓器的網側分別為460.3 A和363.4 A，折算到調壓變壓器的二次分別為920.6 A和726.8 A。

為了避免在外部電網波動時出現因保護時限過小無法躲過整流機組超調而跳閘的情況，我們對整流變壓器的過流保護整定值進行了計算，此整定值計算出了整流變壓器的過載能力:

式中:220.7 A——為整流變壓器網側角接或星接的額定電流;300 A——為整流變壓器網側CT的電流比。

保護時間:

式中:α =1，β =13.5，k=0.1。

保護整定推薦值見表3。以第3列，I/I＞=1.5，t=2.7s為例進行說明:I/I＞為網側角接或星接過流倍數，當整流變壓器網側電流測量為1.5×220.7 A時，即CT測量網側折算二次電流為1.5×220.7/300= 1.10 A時，2.7s過流跳閘保護動作。

表3 推薦的整流機組保護定值Tab.3 Recommended Rectifier Unit Protection Setting

3 效果驗證

對該鋁廠的整流變壓器、整流機組的保護定值按照以上計算進行設置后，充分考慮了晶閘管整流機組控制跟隨時限，有效避免了保護誤動，由于外部電網波動引起的整流機組跳閘現象得到了改善。

通過對整流變壓器保護誤動進行深入分析并采取應對措施，避免了嚴重威脅生產安全和電網穩定運行的不良因素，同時為電解鋁企業類似問題提供了技術借鑒，為電網安全穩定運行起到積極作用。

4 結語

(1)通過對整流變壓器保護誤動進行深入分析并采取應對措施，避免了嚴重威脅生產安全和電網穩定運行的不良因素，同時為電解鋁企業類似問題提供了技術借鑒，為電網安全穩定運行起到積極作用。

(2)國內晶閘管整流器使用廠家，應在整流變壓器、調壓變壓器保護定值設計計算時，考慮晶閘管整流器穩流裝置超調時限與變壓器保護定值的配合，不斷總結運行經驗，以降低電解鋁生產企業非計劃性停電帶來的經濟效益損失和保證電網運行安全。

[1]張全元.變電運行現場技術問答[M].北京:中國電力出版社，2009.

Analysis and Treatment on Thyristor Rectifier Unit Tripping Caused by Power Fluctuation

YAO Jiang－jun
(Hongxin Aluminum Limited Company of Yunnan Aluminum Industry Co.Ltd，Mangshi，Yunnan 678400，China)

For large－scale electrolytic Aluminum factory of using thyristor rectifier，analytical investigation to rectifier unit tripping caused by power fluctuation was carried out.Through finding out the reason for misoperation of high voltage switch stirred up due to external power grid fluctuation and then taking measures，the problem of power grid fluctuation leading to thyristor rectifier unit tripping was fundamentally solved so as to ensure sustained and steady production.

fault tripping;power fluctuation;thyristor rectifier unit;plant power supply

TM13

A

1004－2660(2012)02－0034－04

2012－03－05.

姚建軍(1971－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:有色金屬冶煉.