帶有飽和電抗器的整流機組失電過流仿真分析

閉冠欽+覃澤純

摘 要：鋁電解生產中需要有低電壓大電流且具有恒流性的直流電，現階段通常使用的為多相二極管整流裝置，為了獲取恒流電流，飽和電抗器作為重要設備整合至整流機組中。該文以寧東電解鋁一期為例，利用Simulink建立了整流機組電力系統仿真模型，通過仿真不同調節深度下的飽和電抗器在若干臺整流機組發生跳閘故障的情況下，其他機組是否會出現過流現象。結果表明，飽和電抗器調節深度越大即電抗值越高，整流機組部分跳閘時剩余機組所產生的過流現象越明顯，研究成果在實際工程實踐中具有顯著參考價值。

關鍵詞：電解鋁 整流機組 飽和電抗器 失電過流

中圖分類號：TM40 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0046-03

電能是電解鋁產業的主要能源，由于電解鋁的主要設備電解槽為直流供電，所以，就需要為電解鋁廠設置整流機組某實現交流電的整流。國內大型整流設備基本上均采用多相二極管整流方式，這種方式整流得到的電網電壓波動幅度較大，一定程度上影響電解鋁槽的穩定運行，使能耗明顯增加[1]。為了降低電壓波動的副作用，同時增加電解鋁側負荷的調節性能，采用有載調壓與自飽和電抗器結合的恒流控制策略應運而生，實際應用證明了其恒流效果十分顯著[2]。

當整流機組配套的發電機組因自身原因突然出現停機或線路跳閘等故障時，將直接導致其配套的整流機組全部失電，目前已有學者對于整流供配電系統典型故障進行了分析并提出了應對策略[3-6]，但是并沒有針對局域電網/公網聯合運行下的特點進行分析，由于區域電網運行穩定性較差，易發生跳閘故障引起整流機組失電。根據整流機組的設備特點分析，失電整流機組的飽和電抗器在失電后的一段時間內會提供逐漸下降的電動勢，導致其余正常運行機組的電壓不能得到有效下降，從而引起其他正常運行整流機組的電流相比無飽和電抗器時更大，甚至有可能引起電網內運行的整流機組觸發過流保護跳閘，導致整個電解鋁系統的非正常停運。該文針對局域網整流機組發生跳閘故障失電時公網正常運行機組運行特性進行分析。

1 電解鋁及機組配置簡介

1.1 基本情況介紹

某電解鋁廠400 kA電解系列直流供電由6組整流設備組成等效72脈沖整流機組，目前直流電壓1 140 V，電流377 kA，總交流負荷約440 MW。整流機組負荷調節包括有載開關粗調與穩流系統細調兩部分組成，穩流系統根據單機組電流給定值，采集直流輸出電流，通過對飽和電抗器飽和度的調節實現主回路壓降的閉環調整，每組飽和電抗器電壓調節范圍為0～70 V。

與鋁廠配套的為某局域電網和某省大電網，局域電網帶動4臺整流機組，剩余2臺機組由大電網帶動，利用局域網/公網聯合運行實現電解鋁廠的穩定運行。這樣同時會帶來問題，由于區域電網運行較公網不穩定，1臺火電機組出現故障時極有可能引起供電側與用電側的負荷不匹配，導致網內頻率失步，可能會引發一系列的級組解列故障，根據上述關于飽和電抗器的分析，區域電網側整流機組可能偶發失電現象。

1.2 仿真模型搭建

結合局域網內火電機組、省內大公網及某電解鋁廠現場實際情況與調研得到的相關設備參數，在Simulink中建立了局域電網/公網以及整流機組相關設備的整體電力系統模型。

首先根據電解鋁負載側的相關設計要求對可調節飽和電抗器相關參數進行選取，在選擇飽和電抗器的規格時，需綜合考慮飽和電抗器的調壓范圍、飽和電抗器的加工水平、負載側的功率因數等諸多因素。電解鋁廠運行要求飽和電抗器滿足0～70 V的調壓范圍，根據前期仿真結果選取最大電抗值為10的可控飽和電抗器，它的調壓范圍約為0～82 V。在增大飽和電抗器容量時，負載側的無功量將會發生明顯的增大，在增大至10時，負載側的功率因數約為0.929，基本滿足功率因數0.93的要求，同時根據諧波分析得到當每臺整流機組移相角相差5度時網內諧波含量最小[7]。

根據電解鋁廠系列參數、局域電網/公網參數，結合上述選取參數建立的帶有飽和電抗器的整流機組模型進行仿真，用以分析飽和電抗器在不同調壓深度下不同臺數局域網運行機組跳閘，正常運行整流機組過流倍數大小，是否會出現過流保護跳閘現象。

2 整流跳閘故障仿真分析

針對不同飽和電抗器調節深度，分析局域電網下不同臺數整流機組發生跳閘故障的仿真。飽和電抗器調壓范圍0～70 V，對應可控飽和電抗器電抗值約為0～10 μh，整流機組各支路的額定電流為2×44 kA，以2×44 kA作為基準值，整流機組的過流保護倍數為1.05～1.10之間，根據仿真得到的機組電流數據即可判斷機組在跳閘故障情況下是否會觸發過流保護，下面為各電抗器電抗值下典型工況仿真分析結果。

2.1 工況一仿真結果

電抗器電抗值為5，一臺孤網機組發生跳閘的仿真結果如圖1所示。在整流機組未發生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發生后，未跳閘機組輸出的直流電流為78.5 kA，過流倍數為1.05～1.10之間，故可得出結論當1臺機組發生跳閘時，其他機組不會發生過流保護。

2.2 工況二仿真結果

電抗器電抗值為5，2臺孤網機組發生跳閘的仿真結果如圖2所示。在整流機組未發生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發生后，未跳閘機組輸出的直流電流為95.4 kA。過流倍數與上限1.10非常接近，故可得出結論當2臺機組發生跳閘時，其他機組可能會發生過流保護。

2.3 工況三仿真結果

電抗器電抗值為5，4臺孤網機組發生跳閘的仿真結果如圖3所示。在整流機組未發生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發生后，未跳閘機組輸出的直流電流為171.6 kA，過流倍數大于1.10，故當四臺機組發生跳閘時，其他機組會發生過流保護。

2.4 工況四仿真結果

電抗器電抗值為10，4臺孤網機組發生跳閘如圖4所示。在整流機組未發生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為64.1 kA，在跳閘發生后，未跳閘機組輸出的直流電流為158.8 kA，過流倍數大于1.10，故可得出結論當4臺機組發生跳閘時，其他機組會發生過流保護。

上述各仿真結果與部分未詳細列出的仿真分析結果綜合如下表1所示。

3 結語

該文以某電解鋁廠一期電解系列為案例建立了帶有飽和電抗器的整流機組Simulink模型，利用模型進行仿真計算后得出以下結論。

可調節飽和電抗器電抗值越大時負載側電壓調節深度越大，整流機組出現跳閘故障時剩余正常運行機組所產生的過流現象越明顯。飽和電抗器未設置調節深度時，無調節電壓能力，即使出現跳閘故障下正常運行整流機組不出現過流現象；飽和電抗器處于中間調節深度即電抗值為5 μh時，2臺整流機組跳閘，剩余4臺接近過流保護跳閘極限；若4臺整流機組跳閘，無論飽和電抗器調節深度多少，運行在公網的2臺整流機組一定出發過流保護同時跳閘。

上述仿真成果在實際工程實踐中具有顯著參考價值。

參考文獻

[1] 楊作蒼，魏剛剛.飽和電抗器在鋁電解整流供電中的應用[J].甘肅科技，2012（1）：67-69.

[2] 閻輝.淺談鋁電解穩流控制與自飽和電抗器節能降耗[J].有色冶金節能，2009（1）：54-58.

[3] 畢永強，夏仲平.整流裝置諧波引起保安電源開關跳閘原因分析和處理[J].西北電力技術，2005（4）：33-34，37.

[4] 陳海峰.大型整流設備過負荷跳閘原因及防范措施[J]. 青海科技，2004（2）：42.

[5] 劉增春.電網波動引起整流跳閘的原因分析及整改措施[J].中國氯堿，2003（8）：4.

[6] 黃克勤，杜光輝，田占偉.400kA整流供配電系統典型事故及應對措施[J].科技資訊，2016（1）：33，35.

[7] 馬國林.局域網、公網聯合運行下移相角分配方式對諧波的影響[J].世界有色金屬，2016（18）：33-35.