電解鋁供電整流中的電弧光保護

黃 林

（內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 霍林郭勒 029200）

在我國金屬鋁是最重要的基礎金屬之一，其用途廣泛，如鋁合金是飛機、汽車的結構材料，純鋁可以制造超高壓的電纜等。基于鋁有這么多的用途，電解鋁行業發展的規模日益增大。電解鋁中的供電方式為整流供電，整流柜是主要的設備。隨著電解鋁的規模化程度增大，所需要的整流柜的臺數增加，這樣很容易產生電弧光，對設備及工作人員的人身安全造成危害，因此在供電整流程序中需要有電弧光保護系統。

1 電弧光概述

1.1 電弧光產生的原因

供電系統中兩電極之間的電壓升高時，空氣中的正負離子會被加速，尤其是電極附近的空氣與其他空氣分子碰撞時會產生新的離子，該種離子數量增加即為電離現象。在電離的過程中溫度會急劇地升高，升高到一定程度會產生電弧，這就是電弧光產生的原因。電弧放電過程是大電流低電壓。電弧放電產生的主要因素:電流大且間隙小。另外還有其他因素，如產品絕緣的損壞、元件因長時間使用而老化、元件被污染或被腐蝕、整流柜柜體設計的結構不合理、設備的維護不及時不到位、人為的失誤等客觀因素均可導致電弧光的產生。電弧光一旦產生，如果供電系統不斷電，電弧光便會一直存在。因此要想減少弧光的產生，降低危害，需要有一定的電弧光保護。

1.2 電弧光的危害

電弧光產生時會放出大量的氣體，氣體產生的壓力波可導致整流柜柜體結構變形，嚴重時甚至破碎；電弧光可以使兩個電極附近的空氣因高溫而體積膨脹（壓力超100kPa）；當電弧光嚴重時引起的爆炸會造成銅排氣化的劇烈震動，從而使固定的元件變松而脫落。溫度過高時可造成供電系統的供電電纜瞬間燃燒、所有絕緣材料也會在很短的時間內燃燒，銅排被燃燒并氣化。在該過程中產生的氣體是有毒的，從而使供電整流的設備表面遭受嚴重污染，進而絕緣電阻降低甚至為零。另外還會使發生電弧的變壓器的上一級由于距離較近而造成短路，產生一定的沖擊。電弧光造成的故障電流的電動力可能會造成變壓器繞組的變形引起短路。由于種種故障產生的弧光以300m／s的速度爆發而產生很強的沖擊波，該沖擊波的強度大到足夠摧毀供電系統附近的任何物質，更為嚴重的是若影響到直流系統將會導致全系統的直流失電；如果在場的工作人員吸入有毒氣體會有生命危險；高溫會使人體皮膚灼傷，強光會損傷眼睛；同時爆破音會損傷人體耳膜。

2 電弧光保護特點和組成

2.1 電弧光的保護

電弧光保護系統是依據弧光檢測和過流原理，根據35kV及以下開關柜發生故障時的特征而開發的。它的特點是操作簡單、動作及時、補救快速，對于變電站的要求無特殊性，適應于任何一種運行方式并且在任何運行方式下無需切換等。它可以很好地用于變電站的低壓開關柜的保護。簡而言之，解決電弧光問題最有效的方法是快速切斷故障電源。具體操作是在整流柜內加裝保護裝置，當整流柜內產生微弱小電弧光時，快速將運轉的整流柜機組切斷，或者是使該機組的斷路器跳閘，使故障范圍縮小，損失降到最低。

電弧光保護用于低壓開關柜時，可以通過以下三種不同的設計原理來保護現場工作人員和設備的安全:（1）現行的設備還不足以承受電弧，因此要改善設備的機械結構；（2）可以安裝限制電弧放電的裝置，這屬于主觀因素方面的保護；（3）可以在設備上安裝限制電流的斷路器。這三種方案可以單獨使用，也可以聯合起來使用，并且已成熟用于工業領域。

主觀因素方面的保護，也稱為主動保護，它主要是應用機電／電子裝置，設備結構比較復雜，可以防止設備內部產生電弧放電現象。其用于實踐中的兩種方法是:（1）將壓力傳感器作為檢測電弧光的單元；（2）將弧光傳感器作為檢測電弧光的單元。第一種方法主要是針對設備內的弧光而言，是將壓力波作為檢測效應之一。壓力波一般比電弧的出現晚10s左右，因此利用壓力波的這一特性可以采用壓力傳感器的形式來檢測電弧光。設定一定的壓力值，當設備內壓力超過該值時，壓力傳感器會發出信號，這些信號可以設計成是控制一定動作的指令，以控制開關的動作。但是有一點要明確，當壓力值設定后要想確定超過該值的范圍很難。第二種方法:弧光監測器的運行原理是:借助于電弧光發出的光輻射，將其作為監測器捕捉的信號，整流柜內的電弧故障被檢測到時，弧光傳感器緊接著會發出指令給斷路器。該種傳感器的反應時間很短很迅速。

2.2 電弧光保護系統的特點

（1）電弧光保護系統既監測電弧光又監測過壓，其發出的信號準確，動作指令可靠。

（2）電弧光監測元件的電磁屏蔽能力強，不受其他信號影響。

（3）該保護系統會依據信號發出跳閘指令，過程反應時間很短，小于1ms。

（4）系統能夠指出電弧故障的明確位置，處理故障會更迅速。

2.3 電弧光保護系統的組成

（1）主控單元

主控單元起控制管理的作用，主要負責監測過電壓和電弧光信號。它的主要任務是接收故障發生時的信息，并進行處理，及時發出解決故障的指令。由于系統是依據雙原理運行的，因此系統要同步接收到過電壓和電弧光信號后，才能準確發出動作指示。當只接收到過電流信號或電弧光信號時，系統不會發出跳閘指示，但是會發出報警信號。主控單元能夠按照編輯好的程序對接收的信號進行處理，根據處理后的信號，能夠確定電弧光發生的位置。

（2）弧光單元

弧光單元的主體是弧光傳感器，它的原理是信號之間的轉換。具體為接收電弧光信號后立即轉換為電信號，之后再傳輸至主控單元。弧光傳感器具有電磁屏蔽功能，即不會因為收到其他信號的影響而發出錯誤的指令。

（3）電流單元

系統保護的依據是過電壓原理，即過電流保護。因此有必要對電流進行檢測，檢測后將電流轉換為信號傳至主控單元，所以電流信號完全可以成為檢測故障的方向之一。

3 電弧光保護系統的應用

3.1 電弧光保護系統在國內外的應用情況

目前世界上的金屬鋁都是通過電解法得到的，因此電弧光系統在國內外廣泛應用于電解鋁行業。除此之外，電弧光保護系統在國外還用于發電廠、變電站等，已經成為供電系統等的重要防止電弧光的手段，如在整流柜、低壓開關柜等應用。電弧光保護的目標是盡可能減少設備損傷，防止現場工作人員的人身安全受到傷害。國內在最近幾年將該保護系統用于變電站和發電廠，同時用于電解鋁行業中的整流柜中。

3.2 電弧光保護裝置在鋁電解整流柜中應用的意義

在電解鋁整流柜中安裝電弧光保護的意義重大，一方面設備不會受到損傷，另一方面人員不會受到傷害，電解鋁行業的正常運轉得以保證。長期以來電解鋁行業中一直存在電弧光故障發生后難以解決的問題，當安裝保護系統后該問題得到解決，而且整個反應過程時間很短，據統計不會超過80ms。同時，該系統還可以明確電弧故障發生的位置，即有一定的定位功能。一旦定位便能迅速解決故障，斷電后及時恢復供電，這樣讓企業的損失減到最小，并且恢復工作的時間短。目前電解鋁行業的迅速發展要求完善電弧光保護系統，有更多的保護系統逐步用于整流柜中，而且隨著整流機組的電壓越來越高，保護系統的投用更有意義。目前的保護系統僅停留在低壓小電流的等級上。

4 結束語

電弧光保護系統在電解鋁的供電整流中作用是顯而易見且是必不可少的。它能很好地解決電弧光所帶來的危害，將危害降到最低限度。其作為一種繼電器保護，原理簡單、動作準確、信息靈敏，為電解鋁行業提供了安全保障。

［1］劉萬順.電力系統故障分析［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］楊奇遜.變電站綜合自動化技術發展趨勢［J］.電力系統自動化，1995，（10）:7－9.

［3］劉懺斌.馮公偉.硅整流所電力設計［M］.北京:冶金工業出版社，2008.

［4］金文龍，陳建華，李光范，等.全國110kV及以上等級電力變壓器短路損壞事故統計分析［J］.電網技術，1999，23（6）:70－74.

［5］張 博.電弧光保護系統在中低壓母線保護中的應用［J］.電工技術，2008，（5）:12－13.

［6］曾偉忠.縮短變電站10kV母線短路故障切除時間措施初探［J］.繼電器，2007，35（16）:61－63.