黃貴平　馬波

摘要：鋁電解直流電源裝置是供電整流系統(tǒng)的核心元件，其能否正常運行直接關系到整個生產系列的安全。目前國內電解鋁行業(yè)系列產能在不斷擴大，部分廠家已試驗采用5吋芯片整流元件，以滿足系統(tǒng)額定負荷需要。文章綜述了目前國內大型電解鋁直流電源保護概念、保護配置、信號采集上傳及實際運行中存在的問題，并提出了改進理念。

關鍵詞：電解鋁；模擬量單元；模塊化；軟件開發(fā)

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）30-0024-02

鋁電解直流電源裝置是供電整流系統(tǒng)的核心元件，其能否正常運行直接關系到整個生產系列的安全。目前國內電解鋁行業(yè)系列產能在不斷擴大，部分廠家已試驗采用5吋芯片整流元件，以滿足系統(tǒng)額定負荷需要，其保護種類、功能仍采用過電壓保護、高倍過流保護、元件保護、溫度保護、主付水壓力保護、PLC失電保護、弧光保護、逆流保護及離極等多種保護功能。

1 現狀

鋁電解系統(tǒng)直流電源裝置設計方式普遍采用同相逆并聯(lián)整流和三相橋式整流兩種整流型式，其結構型式由傳統(tǒng)的殼式封閉結構逐漸轉向絕緣自支撐結構、裸柜或帶柜殼，柜殼采用鋁合金材料型式，保護采用過電壓保護、高倍過流保護、元件保護、溫度保護、主付水壓力保護、PLC失電保護、弧光保護、逆流保護及離極等多種保護功能，主保護一路通過硬接點直接出口跳閘，另一路通過PLC出口跳閘，同時上傳至后臺。

上傳的部分保護信號如元件損壞保護不能區(qū)分橋臂編號（整流柜分A、B柜，每柜12個臂），單臂不能區(qū)分并聯(lián)的元件管號，純水水質信號未采集上傳及未設置水質低保護，付水水溫水壓信號未采集上傳等。對于純水冷卻裝置的純水系統(tǒng)和付水系統(tǒng)都應采集壓力模擬量信號，因為純水壓力高于付水壓力太多，容易造成純水串到付水，使純水流失，需經常補充純水，付水壓力高于純水壓力太多，付水容易串到純水系統(tǒng)中，造成純水水質急劇下降，導致純水絕緣低而發(fā)生交直流短路現象，且需要不斷處理水質問題，正常運行要求純水壓力略高于付水0.01MPa為宜，后臺計算機監(jiān)控應采集到此路信號。純水冷卻裝置的進出口沒有采集溫度模擬量信號。這些信號的采集通過PLC+觸摸屏作為保護裝置主單元，PLC內部PID做系統(tǒng)控制，同時PLC還用作采集整流機組系統(tǒng)其他設備（包括調壓、整流變壓器、純水冷卻裝置、變壓器油風冷卻器及直流大電流開關）的開關量和模擬量信號，還用作控制直流大電流開關的分合、純水冷卻裝置水泵的啟停及變壓器油風冷卻裝置的投退等，PLC既要處理開關量信號和模擬量信號、又要處理2路PID控制，對運算速度有較大影響，傳輸速率相

對較慢。

目前機組需采集的模擬量信號超過24點，開關量輸入信號超過110點，開關量輸出信號超過30點，傳統(tǒng)的PLC（如西門子S7-200）單元由于擴展模塊數量的限制，已滿足不了發(fā)展的要求，若選用高一級別的PLC單元成本將大大增加。另外從技術角度出發(fā)，電解企業(yè)的技術力量和維護能力與設備制造企業(yè)相比存在較大差異，PLC+觸摸屏的編程組態(tài)、維護維修一般由設備制造企業(yè)完成，由于各種原因設備故障后不能及時處理，影響正常運行和信號的上傳。

2 保護配置及信號采集和控制理念改進

（1）在整流柜橋臂信號采集模塊設計橋臂區(qū)分單元，將每臺整流柜的12個橋臂溫度信號分別發(fā)送至整流柜PLC，整合橋臂溫度及水溫保護，經PLC編程區(qū)分送至后臺，運行人員可快速、準確判斷升溫源，及時調整設備的運行方式，退出缺陷設備進行有針對性的

檢修。

（2）將純水冷卻裝置的純水進出口水溫、水壓的模擬量信號、付水進出口水溫、水壓的模擬量信號采集上傳至后臺，并設計差壓和差溫報警。這樣運行人員才能及時掌握純水冷卻裝置的換熱效果和純付水壓力、流量，才能知道溫度交換板的結垢情況，才能將設備投產初期和后期運行參數做比較，及時通知相關人員對純水冷卻系統(tǒng)進行有效的檢修、維護和保養(yǎng)。同時設計采集純水水質信號上傳至后臺，在純水水質降低至設定值時及時發(fā)出報警信號。純水水質測試儀應設有水質電阻測量功能，該信號一并采集到后臺，運行人員可通過后臺計算機觀測到純水水質的變化（阻值下降），確定純水處理時間。

（3）建議設計安裝整流柜均流測試儀。該裝置采集了整流柜單只元件電流、橋臂電流、整流柜總電流信號，并將同臂元件電流均流系數、臂與臂間電流均流系數、A、B柜電流均流系數以及A、B柜差流值等相關信號均上傳至后臺，通過后臺將“元件損壞”保護與均流測試儀采集的相關信號通過軟件有效融合，同時設計元件通流上下報警限值，準確判斷“元件壞一”、“元件壞二”橋臂和元件損壞管號，可快速查找損壞元件。

（4）逆流與弧光保護在運行方式上進行有效配合，可采用單柜弧光保護動作跳本機組與逆流保護動作跳系列方式相結合。整流柜產生弧光由短路造成，而逆流保護裝置啟動必然是前置設備短路，兩套保護串接出口可有效避免保護裝置及控制回路故障導致系列誤停電的現象，也可將兩套保護裝置并行出口，在弧光保護誤動時僅跳本機組而不影響到系統(tǒng)?；蜩b于整流柜采用橋式結構、絕緣自支撐結構、裸柜等方式設計，可取消弧光保護的采用。

（5）整流柜高倍過流保護是整流機組過流、速斷保護的補充，高倍過流保護的設定值與機組過流、速斷保護有效結合，避免保護不匹配造成系統(tǒng)頻繁跳閘導致生產不穩(wěn)定。離極保護在實際生產過程中沒有實際意義，不采用可使信號采集和后臺顯示更加清晰或在變壓器一次與閥側、閥側與整流柜輸出端采用縱聯(lián)差動保護（該保護裝置的設計研究，寧夏電力工程院已設計完成，目前進入現場試運行階段）替代上述四種保護。因為鋁業(yè)整流變壓器組在1～48級因阻抗較大，上述四種保護的靈敏度不滿足要求，一般情況下在這一級段發(fā)生事故機組及時跳開的幾率很低。

（6）將機組附屬設備必須采集的各種信號另置PLC均采集到主控后臺，主要保護信號除接入信號采集單元外，另一路直接由信號采集單元的繼電器硬接點接通機組跳閘回路。

（7）機組附屬設備的部分保護設置無源開關量信號、運行模擬量信號（如溫度、壓力、流量、電流等）的采集及附屬設備的啟?？刂频龋捎弥悄荛_關量采集單元通過通訊網絡將信號送到主控室后臺計算機，由計算機后臺進行遠程操作。

（8）近幾年國內工控產業(yè)高速發(fā)展，智能模擬量采集單元以及智能開關量單元裝置性能穩(wěn)定，采用該裝置組成整流機組附屬設備信號采集及控制系統(tǒng)，接線簡單，檢修更換方便。智能模擬量采集單元無需信號變換和隔離、直接接入設備，全中文組態(tài)界面，能接入標準工控信號（如0～75mv、0～5V、1～5V、4～20mA、Pt100等），有數據存儲、追憶、曲線查詢、報警設置等功能，比傳統(tǒng)的PLC+觸摸屏組合方式更為簡單

適用。

（9）計算機監(jiān)控網絡應選擇光纖通訊，后臺計算機配置多串口卡，各機組的通訊端口分開，提高采樣

速率。

鋁電解直流電源裝置是供電系統(tǒng)核心元件，也是系統(tǒng)內薄弱環(huán)節(jié)和事故高發(fā)部位，完善保護、提高綜合自動化系統(tǒng)功能，及時發(fā)現并消除缺陷將使鋁電解生產更加安全穩(wěn)定。

參考文獻

[1] 姚延海.鋁電解整流機組綜合自動化及PI神經網絡控制器設計[D].中南大學，2004.

[2] 張秀嶺，王洪永，趙建民.鋁電解生產中延長電解槽壽命的新措施[J].輕金屬，2008，（12）.

作者簡介：黃貴平（1967-），男，寧夏海源人，中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)有限公司動力分公司工程師，研究方向：工業(yè)電氣技術；馬波（1975-），男（回族），寧夏吳忠人，中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)有限公司寧東分公司助理工程師，研究方向：鋁電解工業(yè)。