整流机组的综合保护

1、中国氯碱China Chlor-Alkali第1期2010年1月No.1Jan.,2010整流机组的综合保护李品芳(广东江门广悦电化有限公司,广东江门529080摘要:介绍了大功率硅整流机组的保护功能及其原理,为整流机组配置完善的保护系统是安全生产的可靠保证。关键词:大功率硅整流机组;纯水冷却系统;整流机组交流侧过流保护;整流变压器;有载调压器本体保护中图分类号:TM461文献标识码:B文章编号:1009-1785(201001-0001-041大功率硅整流机组结构简介广州江门广悦电化有限公司现有6套整流机组,选用硅整流二极管整流器,其结构如图1所示。由于功率较大,输出的直流电流和直流电压也较

2、高,结构比较特别,整流器与整流变压器通过采用“双反星形带平衡电抗器同相逆并联”的结线方式来降低损耗。由于输出直流电流大,其整流臂和整流二极管运行温度较高,必须通过绝缘件(水套和运水管,依靠纯水的循环降低温度。2大功率硅整流机组的保护配置2.1整流器保护在整流元件换相瞬间,由于载流子积累效应产生过电压,其最大值可以达到正常反向电压的57倍。为防止硅整流二极管在承受换相电压时产生过电压而遭到损坏,必须在阳极与阴极之间并接电容保护。电容两端电压不会突变,因此能吸收浪涌电压,为了防止电容与硅整流二极管组成的回路引起振荡而产生瞬间剧增电流,需串入换相电阻。在大功率的整流器中,换相保护的电容一般采用油浸式

3、或金属膜电容。虽然电解电容也可以作保护用,但因其电解液有可能干枯而导致开路或短路,为保证供电的可靠性,一般不选用电解电容。由电阻、电容组成的换相过电压保护电路如图2所示,图2中只画出一条整流臂的换相过电压保护电路,其余整流臂相同。10kV123456图1整流机组结构简图1高压母线;2高压断路器;3有载调压器;4整流变压器;5硅整流器;6电解槽(离子膜式或隔膜式Comprehensvie protection of rectifying setLI Pin-fang(Guangdong Jiangmen Guangyue Electrochemical Co.,Ltd.,Jiangmen 529

4、080,ChinaAbstract:The protection and principles of high power silicon rectifying set were introduced.Perfect protection system of rectifying set was reliable for safe production.Key words:high power silicon rectifying set;cooling system;rectifying set alternating -current or over -current protection

5、;rectifying transformer;oltc transformer protection1中国氯碱2010年第1期以下3种情况在整流变压器的阀侧均会产生操作过电压。(1当整流机组空载时,将有载调压器一次侧断路器切断,由于激磁磁通在铁芯内贮存的能量不能突变,只能向绕组的分布电容充电,引起幅值极高的振荡,若不加保护,振荡电压的峰值可达工作电压峰值的810倍,当带有负载时,则电磁能量可以向负载释放,一般不致产生异常过电压。(2当整流变压器变化大,且网侧为高压时,则网侧在峰值时刻合闸,由于整流变压器网侧线圈之间有分布电容存在,因静电感应,使阀侧线圈瞬时感应出高电压。(3当整流机组电源侧高

6、压断路器接通空载整流变压器时,由于系统、线路、整流变压器漏感与变压器分布电容等构成振荡电路,在整流变压器绕组上产生过电压。这一过电压的最大可能值为接通瞬间电源电压瞬时值的2倍,因此,最大可能值为电源电压峰值的2倍,即整流变压器阀侧可能感应出2倍峰值的过电压。上述过电压的产生,严重危及整流二极管,必须采用操作过电压保护措施。一般情况下,操作过电压采用压敏电阻保护。压敏电阻是一种氧化锌非线性电阻,属新颖的过电压保护元件。在正常交流工作电压下,晶体界面呈高电阻状态,有数百微安电流流过电阻体,在过电压情况下(如承受浪涌电压时,晶体的界面上电压梯度很高,电阻率急剧增大(类似稳压二极管的齐纳击穿,并能转化

7、为电阻体的发热,即浪涌能量被压敏电阻吸收,这就是压敏电阻抑制过电压的原理。由于压敏电阻具有大的非线性系数,冲击通流容量大、无间隙、时间响应好、体积小和常态功耗低等优点,从低电压电子设备到超高压电气设备的过电压保护都得到广泛的应用。同时,为吸收静电过电压,一般也接入电容器作保护。操作过电压与静电过电压保护接线如图3所示。快速熔断器用来切断内部短路电流或内、外部短路电流,使硅整流二极管得到保护。快速熔断器具有特殊的性能,且体积小、功耗小,并具有较大的断路容量,在切断短路电流过程中,具有快速限流的作用,并且不会发生具有危险性的过电压。由于快速熔断器的熔断速度很快,同时具有限流作用,短路电流尚未上升到

8、最大值前,就可被它切断。快速熔断器的工作原理如图4所示。快速熔断器的接入非常简单,将快速熔断器直接串入每只整流二极管即可。整流机组在运行中,若整流元件反向击穿,巨大的故障电流流过快速熔断器,使其迅速熔断,作为报警用的副熔丝也随即熔断,其熔断指示杆弹出,推动微动开关常开触点闭合,接通报警回路,提醒值班人员检查处理。快速熔断器保护原理图如图5所示。图中只画出单只快速熔断器与整流二极管的保护接线,在实际的大功率硅整流机组中,每条整流臂往往是由多只整流二极管并联组成的,但每只整流二极管的保护接线相同。对于大功率整流机组而言,由于在整流臂各并联支路内串接快速熔断器作为故障支路的隔离器件,当整流管过电流或

9、过电压击穿瞬间,快速熔断器图2换相过电压保护原理图1FUDCR1FU 快速熔断器;D 硅整流二极管;C 电容器;R 电阻a1b1c1D01-2FU11FU12FU21FU22FU31FU3D1RY1RY2D2RY3D3+2C12C22C3图3操作过电压保护原理图2FU12FU3熔断器;1FU11FU3快速熔断器;RYRY3压敏电阻;D1D3整流二极管;2C12C3电容器t1熔化时间;t2燃烧时间;t 快速熔断器熔断时间图4快速熔断器工作原理图It1t2t故障电流峰值2N412TAaTAcN411A411C4111LJA4122LJC4123LJ4LJ5LJ 图8电流互感器与电流继电器接线图1F

10、UDxk1FU-快速溶断器;D-硅整流二极管;xk-微动开关图5快速熔断器保护原理图即熔断,把故障电流切除,保护了其他支路整流元件的正常工作。快速熔断器主要起短路保护作用,也可以作过载保护。由于快速熔断器结构简单,保护范围广,并且具有极为优越的快速熔断性等特点。对于大电流硅整流机组采用以快速熔断器作为整流元件故障支路的隔离器件,以交流侧断路器作为唯一的保护器件,已在化工、冶炼等的整流设备中广泛应用。2.2纯水冷却系统保护大功率硅整流器由于运行电流大,产生的热量也较大,整流器的运行温度也相应较高,必须借助纯水冷却系统来对整流器内的桥臂和整流元件进行冷却,纯水冷却系统是保证整流器安全运行的重要设施

11、。除了正确选择纯水冷却设备外,还必须配备相应的保护措施,以便在纯水冷却系统出现故障时,发出报警信号。目前,电化学用整流器几乎都采用纯水循环冷却方式。衡量纯水冷却系统工作是否正常的主要指标有纯水电阻率、压力和温度等。当纯水的电阻率较低时,会使整流臂及整流元件的绝缘度降低,容易造成局部短路,影响机组的安全运行。所以,通常在纯水冷却系统中安装纯水电阻率表,随时监控纯水的电阻率,按照纯水循环冷却设备厂家的使用要求,当纯水的电阻率下降到<200k /cm 时,必须将纯水进行置换。此外,对纯水的进口压力也有一定的要求。进口压力过高,会使运水网纹管容易破裂,造成整流器漏水而产生短路。若水压过低,则冷却

12、效果不理想。所以,根据多年的实践经验,一般将纯水的进水压力设定在0.100.15MPa ,由电接点压力表进行监控,如压力超过上、下限,会发出报警信号。同样,对循环冷却的纯水温度也需进行监控。当出口的纯水温度较高时,有可能是由于水路堵塞而致,必须清理;或者由于运水量不足,这时应该将纯水的进、出阀适当调大,增加运水量以相应地提高冷却效果。纯水温度一般设置在50左右,由WTZ 288电接点压力式温度计进行监控,纯水循环冷却系统监控原理如图6所示。2.3整流机组交流侧过流保护由于大功率整流机组的整流变压器阀侧绕组较多(共有4个星形绕组且运行电流大,不能像一般动力变压器那样对其内部故障实现差动保护,整流

13、机组的交、直流间产生各种短路故障时,可由过流保护迅速、可靠地将交流电源切断。过流保护接线方式如图7所示。该接线方式为两相三继电器接线方式(属不完全星形接线,没有两相两继电器接线方式那些缺点,与三相三继电器接线比较,可以节省1台电流互感器,在小电流接地系统中,可靠性、灵敏度及反映各种短路故障等方面均不次于三相三继电器系统,因此得到广泛应用。在实际使用中的过流保护可分为过流速断和定时过流2种形式,其接线如图8所示。图中1LJ 和2LJ 为过流速断保护的启动元件,当故障电流达到速断保护的整定值时,1LJ 或2LJ 马上动作并不经延时启动高压断路器的跳闸回路,切断交流电源;3LJ 、4LJ 和5LJ

14、为定时过流保护的启动元件,当故障电流达到定时过流保护整定值时,3LJ 、4LJ 或5LJ 启动,若故障电流的持续时间达到时间继电器的整定值(0.5s 时,则时间继电器会启动高压断路器的跳闸回路,同样把交流电源切断。交流侧过流保护原理见图9。图7交流侧过流保护接线方式QFTAa TAc1LJ 2LJ3LJAC220VkM1HL1kM2HL2kM3HL3SA DLkM1kM2kM3kM1kM2kM3P1P2水压降低水压降低指示水压升高水压升高指示水温升高水温升高指示故障报警图6纯水冷却系统保护原理图第1期李品芳:整流机组的综合保护3中国氯碱2010年第1期整变本体重瓦斯1WSJ 16XJ051QP

15、 3XJ33TBJ 37QFTQ +-4XJ2WSJ 072QP 5XJ6XJ3WSJ 093QP 7XJ8XJ4WSJ 0114QP 9XJ10XJ5WSJ 01511XJ6WSJ 01712XJ7WSJ 01913XJ8WSJ 02114XJ1WJ 02315XJ2WJ 025跳闸信号调变本体重瓦斯调变有载开关重瓦斯整变有载开关重瓦斯整变本体轻瓦斯信号调变本体轻瓦斯信号调变有载开关轻瓦斯信号整变有载开关轻瓦斯信号整变本体温度信号调变本体温度信号跳闸信号跳闸信号跳闸信号SJ+-SJ2XJ 2LP 33TBJ37QFTQBCJ BCJ 033LP1XJ1LPBCJI1LJ2LJ 3LJ 4LJ

16、 5LJRbcj 图9整流机组交流侧过流保护原理图图11交流侧过流、调变和整体变本保护报警回路预告灯光及音响+XM 2SYM-XM 3FU5FU 4FU701KK 93KK 90QF 708HL1131917727702YBMSA1DD 6FU 1XJ 716HL216XJ729SA2DJ事故灯光及音响2.4调压器、整流变压器本体保护有载调压器和整流变压器也是整流机组中的重要组成部分,对电网的安全运行影响很大。因此,对有载调压器及整流变压器必须设置有效的保护。瓦斯继电器作为有载调变和整流变压器的基本保护是最简单而又实用的方法,瓦斯继电器能够反映变压器内部的多种故障,如绝缘击穿、线圈匝间或层间短

17、路、相间短路、铁芯或瓷管损坏、穿芯螺杆绝缘下降、有载开关故障或变压器漏油使器身油面降低等,均能使瓦斯继电器动作,动作时可以发报警信号(轻瓦斯或重瓦斯,或者直接使高压开关柜断路器跳闸(重瓦斯可选择,以保证故障不会扩大。另外,变压器在额定负荷下,其运行温度较高,尤其在南方的夏季,变压器上层油温可能高达7080,如此高的温度会影响变压器油的质量,使变压器油的绝缘强度逐渐降低。因此,为保障变压器的安全运行及变压器油不会提前劣化,必须对有载调压器及整流变压器运行温度进行监测。通常的办法是利用WTYK 802型变压器温度控制器进行监测,将该控制器的感温包插入变压器顶部,用来测量有载调压器和整流变压器的上层

18、油温,根据实际需要,一般将报警温度设定为80。前面谈及的瓦斯继电器和温度控制器作为有载调压器和整流变压器的本体保护是比较普遍的方法,并且具有一定的可靠性和实用性。其控制原理如图10所示(图中只画出本体保护的相关部分,其余从略。部分整流变压器本身带有多档位的有载开关,有载开关内设有瓦斯继电器,整流变压器本体亦设有瓦斯继电器,有载调压器亦是如此。所以,从图10可以看到,本体保护中共有4个轻瓦斯和4个重瓦斯保护,两个温度保护,4个重瓦斯的保护压板可置于跳闸位置或信号位置,视实际需要而定。而轻瓦斯和温度动作时均为报警。过流保护和本体保护动作时,均会启动报警回路,从而发出声光报警信号提醒值班人员注意。报

19、警回路见图11。当过流保护(速断或定时过流或者本体保护(重瓦斯动作时,由高压开关柜二次控制回路控制高压断路器跳闸,报警回路中的电笛DD 发出声响,相应的信号继电器指示灯亮起,以报出相应的故障类别。同理,当轻瓦斯或温度保护回路动作时,报警回路中的电铃DJ 发出声响,相应故障点的信号继电器指示灯亮起,提示值班人员检查处理。3保护系统的使用情况及注意事项上述系统的保护功能概括起来有交流侧过流保护、有载调变器和整流变压器本体保护、整流器操作过电压、换相过电压和静电过电压保护、整流二极管过流保护及纯水冷却保护等。该保护系统比较安全、可靠,并在实际运行中得到肯定。从该公司多年的使用情况来看,整流机组运行比

20、较稳定,很少出现误动作。但是,运行人员须加强责任心,定时对整流设备进行现场巡视并做好相关数据的记录和分析,例如留意观察有载调压器、整流变压器的运行温度和油位,循环冷却纯水的水阻率及网纹管有无漏水或管口有无脱落等。需要注意的是,当整流机组停用一段图10调压器、整流变压器本体保护原理图4中国氯碱China Chlor-Alkali第1期2010年1月No.1Jan.,2010整流设备的可靠性设计许敬涛(广州电器科学研究院,广东广州510300摘要:对整流设备的可靠性进行了探讨,给出了分析整流设备可靠性的基本模型、可靠性指标以及指标分配的基本方法,简述了提高设备可靠性的设计要点。关键词:整流设备;可

21、靠性设计;可靠性模型;可靠性分配中图分类号:TM461文献标识码:B文章编号:1009-1785(201001-0005-04国产整流设备在使用中因电气元件损坏、印制板虚焊、接插件不牢靠等影响正常运行,产品故障维修率较高。由于设备本身设计或制造缺陷以及元部件质量问题所导致的事故时有发生,设备的可靠性已成为影响整流装置正常运行的主要因素。因此,开展整流设备可靠性设计,并在此基础上评估可靠性以及分析各种影响可靠性的因素具有重要意义。可靠性设计是根据可靠性指标预计的结果,在设计过程中选用与系统可靠性匹配的器件及技术,以达到满足产品可靠性的要求,同时使产品使用周期费用最低。常采用的可靠性设计技术包括简化设计、降额设计、冗余设计、热设计、电磁兼容设计、维修性设计、容错设计与故障弱化设计等,有些还包括软件的可靠性设计。研究表明,在产品设计的初期开展可靠性工作,费用支出最少1。世界知名的大公司非常重视产品设计阶段的可靠性分析,他们把对可靠性的朴素的经验性认识提高到理论高度,其质量手册中有专门的可靠性分析章节,要求对设计方案的每一环节都进行可靠性分析,并在此基础上确定最终的技术路线。1整流设备可靠性模型1.1整机可靠性模型电控类设备一般为可修复系统,单元寿命服从指数分布。整流设备一般可以简单地分为控制系统和功率Reliability design of rect