整流柜弧光保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)方案

整流柜弧光保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)合其設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝使用特點(diǎn)，加裝芬蘭UTU公司電弧光在線檢測保護(hù)系統(tǒng)的方案如下：方案一：根據(jù)弧光保護(hù)單判據(jù)原理應(yīng)用.在此方案條件下選用的裝置包括：兩個(gè)電解系列共有8套整流機(jī)組，保護(hù)系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SourceofPower)8臺、主單元(UTU-Falcon)8臺、弧光輔助單元(Falcon-ARC)8臺、弧光傳感器(FilteredLightSensor)192個(gè)、光帶(ZonalFilteredCable)及特制光纜(PhotoelectricCable)4000米、數(shù)據(jù)電纜(DataTransmissionCable)10米、控制箱8套及其他附件。.每臺機(jī)組配置相應(yīng)的一套弧光保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)單一整流元件(可控硅/二極管)出現(xiàn)故障并產(chǎn)生弧光，弧光保護(hù)系統(tǒng)高速反應(yīng)，依據(jù)弧光單判據(jù)原理只對該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳閘，而不對同一電解系列的其他三臺機(jī)組進(jìn)行跳閘。弧光保護(hù)系統(tǒng)的跳閘信號線纜與調(diào)變進(jìn)線開關(guān)的跳閘回路并聯(lián)連接。主單元與弧光輔助單元對12對橋臂同時(shí)進(jìn)行弧光監(jiān)測。系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡圖如下：.方案一系統(tǒng)原理布置圖如附圖一。.方案一沒有選用過流檢測，保護(hù)系統(tǒng)的靈敏性，速動性，選擇性，安全性，可依賴性等都無大變化。適用于當(dāng)單一整流元件發(fā)生故障時(shí)，擊穿引起的電流變化過小這一情況。.弧光探測靈敏度設(shè)置到較低(40Klux),大大的減少了干擾光源對保護(hù)系統(tǒng)的影響，但方案一仍然無法全面的防止由于偶然強(qiáng)光(如：電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強(qiáng)光反射)照射到弧光探頭與光帶引起的誤跳閘動作。UTU-Falcon.方案一應(yīng)用的弧光在線監(jiān)測系統(tǒng)配置最簡單，成本最低。方案二：根據(jù)弧光+電流雙判據(jù)原理應(yīng)用.在此方案條件下選用的裝置包括：兩個(gè)電解系列共有8套整流機(jī)組，保護(hù)系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SourceofPower)8臺、主單元(UTU-Falcon)8臺、弧光輔助單元(Falcon-ARC)8臺、電流輔助單元(Falcon-ARC)8臺、弧光傳感器(FilteredLightSensor)192個(gè)、光帶(ZonalFilteredCable)與特制光纜(PhotoelectricCable)4000米、數(shù)據(jù)電纜(DataTransmissionCable)10米、控制箱8套及其他附件。.每臺機(jī)組配置相應(yīng)的一套弧光保護(hù)系統(tǒng)。某一整流元件(可控硅/二極管)被擊穿，經(jīng)過電流互感器的電流發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生弧光，弧光保護(hù)系統(tǒng)高速反應(yīng)，依據(jù)弧光+電流雙判據(jù)原理只對該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳閘，而不對同一電解系列的其他三臺機(jī)組進(jìn)行跳閘。弧光保護(hù)系統(tǒng)的跳閘信號線纜與調(diào)變進(jìn)線開關(guān)的跳閘回路并聯(lián)連接，電流信號取自調(diào)變側(cè)電流互感器，主單元與弧光輔助單元對12對橋臂同時(shí)進(jìn)行弧光監(jiān)測。3系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡圖如下：.方案二系統(tǒng)原理布置圖如附圖二。UTU-Falcon

.增設(shè)電流輔助單元的依據(jù)：（適用于方案二和方案三）I=1s(ev/vt-1)=I(eqV/(kT)-1)二極管的單向?qū)щ娞匦裕赫鞫O管是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?，?jīng)過特殊加工制作的，根據(jù)理論分析，PN結(jié)的電流和電壓的關(guān)系可用下時(shí)表示：式中I-PN結(jié)的電流（A）；Is-反向飽和電流（AI=1s(ev/vt-1)=I(eqV/(kT)-1)由上式以看出，當(dāng)PN結(jié)為正向偏置時(shí)，電壓V為正，只要V遠(yuǎn)大于VT（常溫下=0.026V），式中ev/vt遠(yuǎn)大于1，因此PN結(jié)中的電流IF隨正偏電壓V的增加按指數(shù)規(guī)律上升。而當(dāng)PN結(jié)為反向偏置時(shí)，電壓V為負(fù)，隨著電壓V的絕對值的增加，指數(shù)項(xiàng)很快趨近于零，于是I約等于-IS，即反向飽和電流是一常數(shù),不隨外加電壓變化。二極管的擊穿：二極管的擊穿一般分為三種，雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿。雪崩擊穿是二極管施加反向電壓時(shí)，使空間電荷區(qū)的高能量、高速度的載流子不斷地與晶體原子相碰撞，形成碰撞電離，載流子在強(qiáng)電場中不斷的碰撞電離，導(dǎo)致載流子迅速的成倍的增加，形成雪崩倍增現(xiàn)象，載流子濃度將急劇增加，使反向電流急劇增大，從而導(dǎo)致二極管擊穿。齊納擊穿是在高摻雜濃度的PN結(jié)中，P區(qū)與N區(qū)之間能帶的間距較窄，再加上反偏電壓使電場強(qiáng)度增加，進(jìn)一步使該間距減小，P區(qū)中的某些電子則可能穿通空間電荷區(qū)（隧道效應(yīng)）進(jìn)入N區(qū)，變?yōu)樽杂呻娮?，并形成反向電流。即發(fā)生齊納擊穿。雪崩擊穿和齊納擊穿的擊穿過程都是可逆的，只要在外電路中采取適當(dāng)措施，把反向電流限制在一定范圍內(nèi)，保證反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率，那么當(dāng)反向電壓降低后PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。如果超過了容許的耗散功率，就會因熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)溫度上升，直至過熱而燒毀，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。熱擊穿是一種過程擊穿，需要時(shí)間的累積。由于PN結(jié)漏電流與溫度有關(guān)，隨溫度升高而升高，所以二極管正向特性也與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向特性向左平移。見圖4.3。Vf（v）圖Vf（v）圖4.3二極管正向特性與溫度的關(guān)系圖4.4三相橋式全控電路的構(gòu)成二極管的爆炸損毀過程：現(xiàn)在的大電流硅整流電路，一般采用三相橋式全控整流電路，典型圖如4.4。UTU-Falcon當(dāng)一個(gè)整流元件運(yùn)行中，由于各種原因（過電壓或過熱），使得整流元件PN結(jié)溫度不斷上升，上升到超過允許的溫度時(shí)就會造成擊穿，即整流元件反向電阻和正向電阻都趨于零，造成交流相間短路，這個(gè)短路電流是很大的，只與交流系統(tǒng)的等值阻抗有關(guān)，is=un/zs，這個(gè)系統(tǒng)的理論計(jì)算電流能達(dá)到額定電流的5倍以上，從整流元件擊穿到爆炸，需要經(jīng)過溫度升高、體積膨脹、導(dǎo)流體氣化，內(nèi)部壓力升高最后發(fā)生爆炸，這個(gè)過程需要50?200ms。從二極管擊穿開始，交流短路電流陡然增大，由于變壓器的電感阻尼作用，使得電流不會立即反映到變壓器一次側(cè)，經(jīng)過實(shí)際測試（變壓器在做突發(fā)短路試驗(yàn)時(shí)可以測出來），這個(gè)過渡時(shí)間在1/4工頻交流周波，即5ms以內(nèi)。對比性示意圖如下：鑒于以上分析，我們認(rèn)為：從二極管擊穿開始到變壓器一次側(cè)發(fā)現(xiàn)短路電流，需要5ms以內(nèi)；二極管擊穿開始到爆炸發(fā)生電弧光現(xiàn)象，需要50ms以上，所以電流總是越前于弧光被檢測到，短路電流是一個(gè)連續(xù)的參數(shù)量，電流檢測輔助單元監(jiān)測到這個(gè)連續(xù)電流后會發(fā)出過流信號給主單元，當(dāng)弧光傳感器檢測到弧光信號后，也發(fā)出弧光信號給主單元，當(dāng)兩個(gè)信號同時(shí)作用到主單元上時(shí)，主單元發(fā)出跳閘信號。電解鋁大電流整流柜加裝電弧光保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，增設(shè)電流判據(jù)是合理的，與弧光判據(jù)同時(shí)使用可以有效防止由于偶然強(qiáng)光（如：電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強(qiáng)光反射）照射到弧光探頭引起的誤跳閘動作，確保供電安全。.方案二增加了保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性，增加的過流檢測還能夠提供可靠的預(yù)警功能（非跳閘功能），有利于整流供電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。弧光探測靈敏度設(shè)置到30Klux。電流值整定1.1In。當(dāng)單一整流元件擊穿，同一電解系列的四臺整流機(jī)組向短路點(diǎn)供電，反應(yīng)到每臺機(jī)組的電流比實(shí)際系統(tǒng)理論計(jì)算的短路電流要小。從包頭鋁業(yè)、希望鋁業(yè)發(fā)生短路事故的示波圖來看，交流側(cè)短路電流1過流為額定電流1n的L3?L5倍，即：1過流=L3?L^n。所以電流檢測的整定值設(shè)定在1.1*In,保護(hù)是有效的。UTU-Falcon方案三:根據(jù)弧光保護(hù)單判據(jù)以及弧光+電流雙判據(jù)兩種原理同時(shí)應(yīng)用.在此方案條件下選用的裝置包括：兩個(gè)電解系列共有8套整流機(jī)組，保護(hù)系統(tǒng)共用系統(tǒng)電源(SourceofPower)8臺、主單元(UTU-Falcon)8臺、弧光輔助單元(Falcon-ARC)8臺、電流輔助單元(Falcon-ARC)8臺、弧光傳感器(FilteredLightSensor)192個(gè)、光帶(ZonalFilteredCable)與特制光纜(PhotoelectricCable)4000米、數(shù)據(jù)電纜(DataTransmissionCable)10米、控制箱8套及其他附件。.每臺機(jī)組配置相應(yīng)的一套弧光保護(hù)系統(tǒng)。.工作原理及過程當(dāng)某一元件如保護(hù)電容由于反向電壓引起爆炸或部件由于毛刺引起放電故障等原因，產(chǎn)生火花弧光，這些情況不一定會引起電流立即突變，但危害到整流柜的正常運(yùn)行，依據(jù)弧光單判據(jù)原理對該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳閘。發(fā)生這些情況時(shí)整流元件(可控硅/二極管)并無損害，不影響同一電解系列的其他三臺整流機(jī)組的正常運(yùn)行。這時(shí)不能排除偶然強(qiáng)光(如：電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強(qiáng)光反射)照射到弧光探頭引起的誤跳閘動這一外界因數(shù)對保護(hù)系統(tǒng)的影響。當(dāng)單一整流元件(可控磁二極管)被擊穿(產(chǎn)生弧光)，或者上述所提及保護(hù)電容爆炸、部件毛刺放電故障(產(chǎn)生火花或弧光)的同時(shí)，經(jīng)過電流互感器的電流發(fā)生變化，依據(jù)弧光+電流雙判據(jù)原理對該故障元件所在的整流機(jī)組進(jìn)行跳閘，同時(shí)對同一電解系列的其他三臺機(jī)組進(jìn)行跳閘。這時(shí)排除了偶然強(qiáng)光照射到弧光探頭引起的誤跳閘動。系統(tǒng)主單元跳閘輸出控制簡圖如下：UTU-Falcon.方案三增加了保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性，增加的過流檢測還能夠提供可靠的預(yù)警功能（非跳閘功能），有利于整流供電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電流值整定在1.25*In，充分考慮了短路點(diǎn)的燃弧能量已足夠達(dá)到迅速摧毀整個(gè)系列的程度，應(yīng)該快速將整個(gè)系列切除?；」馓綔y靈敏度設(shè)置到40Klux。最大程度的把干擾光源（電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強(qiáng)光反射）排除于影響保護(hù)系統(tǒng)之外;這并不影響保護(hù)系統(tǒng)對弧光的探測。.方案三既考慮到除了整流元件（可控硅/二極管）過電壓、過熱之外等其他元器件故障因素，又把偶然強(qiáng)光（如：電閃雷鳴、照明電器燒毀的瞬間、汽車大燈及太陽光等強(qiáng)光反射）這一外界因數(shù)對保護(hù)系統(tǒng)的影響降到最低程度。.方案三系統(tǒng)原理布置圖