电解铝整流机组故障分析及防护研究

电解铝整流机组故障分析及防护研究

刘剑飞1,李建成2

云南宏合新型材料有限公司云南省红河市652400

摘要：随着我国电解铝产业提级改造，国内大部分电解铝企业的产能不断增加，槽型越来越大，对电解整流机组的容量需求也在不断提高。新的技术理论、设备材料不断投入生产应用。然而，新技术从尝试推广到普遍成熟应用，需要一个较长的积累过程，由于技术的应用推广是个渐进的过程，很多部件特别是大功率整流元件、高效水冷却系统、新的稳流技术路线还未得到充分的实践验证，应用经验还不够成熟，设备运行的稳定性和可靠性也不是很高，存在很多成因未知的安全隐患。本文分析整流机组运行中事故的成因，并采取相应的预防措施，减少同类事故发生，提高整流机组运行可靠性，保证电解企业平稳安全生产。

关键词：电解铝；整流机组；故障分析

1电解铝整流机组常见事故及原因

近年来电解铝行业的迅猛发展，对大容量整流设备有巨大的需求，也催生了大量新的技术和新产品。采用高电压等级的大容量整流机组开始在电解行业得到大量实际应用。但这些产品所依据的基础理论、设计理念、技术原理并没有本质的改变，其结构设计也没有根本性和颠覆性的变化。单纯的电压、容量、功率增加，反而会使其安全性和可靠性有所降低。部分电解铝企业发生的整流柜爆炸事故，都具有高度的相似性。这集中反应了采用此种结构和设计思路的整流柜自身还不够完善。尤其是这种结构的整流柜臂间、相间电压高，运行中震动大，直流母线框架发热，整流柜内绝缘材质少、绝缘强度小，水电系统并行、隔离薄弱，多元件均流因难，这些因素均使得这种整流机组存在着极大的事故隐患。

目前国内大容量电解整流机组已采用N+2多机并联冗余的结线方式，单台机组一般由调压变压器、整流变压器及整流柜组成，任一台整流机组均具备独立的稳流控制和调节功能。由于单台机组往往难以满足大型电解铝的供电需求和安全性，故一般设计为多台整流机组并联，所有机组的直流输出端汇接在一起。任一台整流柜直流母线或整流柜内部因元件故障等出现短路、接地故障时，总汇流母线便会向该故障点提供电流，此时的电能由正常机组流向故障整流柜，也即逆流。整流机组的直流电压一般在1000V以上，在故障时往往还有数倍甚至更高的过电压产生，使得逆流急剧增大，故障范围迅速扩大，往往会导致故障整流柜爆炸或烧毁。这种事故下，整流柜基本完全损毁，很难在短时间内恢复电解供电，给电解铝企业造成巨大的经济损失。

大功率整流机组通常采用水冷系统，循环的纯水通过水管连接，流经紧压在元件上的水盒，带走整流元件工作时产生的热量，并通过冷却塔散发，达到降温的目的。一旦水冷系统系统故障，整流元件无法正常散热，桥臂过热、水温过高、水压过低等保护动作，造成机组跳闸。如果保护灵敏度不高或拒动，整流元件温度急剧升高，将会造成元件永久性损坏甚至爆炸，造成严重短路事故。原因可能是，水冷循环泵失电、故障且备用水泵不启动，造成冷却循环水失压或断流；水盒、水管、水嘴爆裂或阻塞造成循环水泄压或断流；冷却塔填料结垢散热不畅合并高温天气等。

大容量整流机组一般采用多台机组并联的模式，也都采用了单机独立调节构成小闭环、整个系列多台机组又总体调控构成大开环的稳流控制系统。为了适应电解生产阳极效应等造成负荷波动，同时调整电流方便，在正常运行时一般都投入总调模式，在单台机组检修或停电时，为避免电流波动，就需要退出总调，或将需停电的机组调整为分调状态，逐步减小待停电机组的电流给定，增大其余机组的电流给定，保持总电流输出基本不变。机组在总调模式下的失控一般表现为：供给饱和电抗器的控制电流突然增大，一般都抵近上限；单台整流柜实际输出的电流急剧减小；由于各机组的调节速率并不完全一致，个别机组负荷突增，直流或交流过流跳闸等。出现此类故障可能是运行人员操作出现失误，电流给定设置出错；在分调模式下停运单个机组时调整过快；雷雨天气时易受大气过电压影响；自用电波动或失电，导致PLC控制器失电或稳流功率回路失电，调节失灵等情况。

2电解铝整流系统事故的预防策略

2.1加强冷却水系统稳定性

加强对水冷系统循环水泵的计划维修，加强日常巡检，并定期进行切换试验，防止水泵故障、失修及切换失灵、对水盒、水管、水嘴、接头、卡箍等进行定期检查，及时发现缺陷并进行更换，有条件的可采取周期性整体更换。加强备件采购管理，对水盒、水管、水嘴、接头、卡箍等备件的品质严格把关，杜绝劣质、缺陷产品上线。将二极管母排和纯水间接头由塑料材质改为不锈钢接头，杜绝渗漏现象，加强对水温、水压表等接头的检查和维护，对冷却塔系统进行定期检修、冲洗，对失效填料及时更换；在高温季节和极端高温天气时，加强对水温的监测，必要时采取辅助制冷措施。

2.2提高稳流系统可靠性

通过操作界面优化，运行操作监护，减少人为原因出现置数出错，在停运单个机组的操作时，应对系列电流进行整体测算和全局考虑，防止电流调整过快和抢负荷现象。雷雨天气时减少和避免操作，同时对防雷接地系统进行定期试验，确保其完好，提高自用电的可靠性，采用不同来源的双回路电源供电，稳流控制、PLC、工控机等应采用直流供电或设置UPS不间断电源装置。

2.3整流设备优化改进

在整流柜内同相逆并联桥臂的相间加装高分子复合玻璃布板材质的隔弧绝缘板，提高了相间绝缘性能。可将操作过电压吸收回路（装置）移装至整流柜外，或安装在独立的箱体内，固定于墙壁或其它构件上，避免振动引起的松动和失效问题，也可将换相过电压装置移至整流柜外安装，与整流柜间可采用耐压800V以上、耐高温的阻燃电缆引出，为尽可能减小回路的电感，应尽量就近安装，缩短导线的长度，吸收装置内的电容可更换为干式自愈式电容，

提高吸收装置的性能。

2.4增强保护装置作用

多台大容量整流机组并联的电解供电系统中，通常都设有逆流保护，通过灵敏的逆电流检测传感器和电流继电器，在整流柜出现逆流故障时，准确、灵敏、可靠地切除故障机组，防止逆电流进一步发展为恶性爆炸事故。因此应保证逆流保护装置及其回路始终可靠有效，并且正确投入，在整流机组出现逆流故障时，由逆流保护装置迅速动作，出口跳开机组高压侧断路器，将故障机组切除，使故障电流不会影响同系列的基它整流机组，防止事件进一步发展和扩大。

结束语

综上所述，整流机组是电解铝业日常生产过程中比较重要的组成部分，其具有非常强大的系统功能，能够为电解铝各个环节提供所需要的变电、配及发电工作。在电解铝业中，需要根据实际情况做好整流机组电气设备的安装及调试工作，这样不仅可以确保电气设备的正常运行，而且还可以提高电解铝业的生产效率和经济效益。

参考文献:

[1]电解铝业整流机组电气设备安装及调试分析[J].张兴.企业技术开发.2015(29)

[2]冶金电气设备安装工程安装调试要点[J].李子魁,张博陆.通讯世界.2015(06)

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