徐建林

(新疆五鑫銅業(yè)有限責(zé)任公司 阜康 831500)

KES大容量整流裝置在電解中的應(yīng)用

徐建林

(新疆五鑫銅業(yè)有限責(zé)任公司 阜康 831500)

新疆五鑫銅業(yè)有限公司銅電解車間電解整流系統(tǒng)使用的是力源KES大功率整流設(shè)備，安裝后進(jìn)入試運(yùn)行階段。在運(yùn)行中通常存在一些問題。本文介紹了力源整流設(shè)備的特點(diǎn)及在運(yùn)行中發(fā)生問題后的一些想法建議，便于在今后的同行業(yè)投資建設(shè)中有建設(shè)性引導(dǎo)作用。

整流系統(tǒng) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 控制 應(yīng)用

1 概述

新疆五鑫銅業(yè)有限公司在進(jìn)行電解設(shè)備選型的過程中，經(jīng)過多家冶金生產(chǎn)線考察，了解了系統(tǒng)的設(shè)備特點(diǎn)，經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的分析研究，以及設(shè)備的性價(jià)比的對照，選用了九江歷源整流設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KES大功率整流設(shè)備。

2 KES大功率整流設(shè)備的特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)

KES整流控制柜是針對電解、電化學(xué)等行業(yè)大容量整流裝置的使用特點(diǎn)而研發(fā)可控硅觸發(fā)和穩(wěn)流控制的新一代控制系統(tǒng)。以高性能的機(jī)組PLC及觸摸屏人機(jī)界面為自動化監(jiān)控核心，采用完全獨(dú)立的全數(shù)字化雙通道穩(wěn)流觸發(fā)控制器-數(shù)控器LY-KD6，構(gòu)成雙機(jī)冗余熱備用系統(tǒng)，穩(wěn)流精度高、可靠性好。可完成可控硅整流裝置的操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控，集控制、保護(hù)、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)記錄、外擴(kuò)遠(yuǎn)程終端功能于一體，實(shí)現(xiàn)整流裝置和DCS系統(tǒng)的綜合自動化。

2.2 系統(tǒng)的軟件特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以工業(yè)PC機(jī)及操作系統(tǒng)為平臺，加載DCS系統(tǒng)軟件、可編程控制器(PLC)以及通過現(xiàn)場總線連接各種現(xiàn)場設(shè)備，組成基于現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)。

支持 Profibus、MPI、DH485、DH+、DeviveNet、Modbus、Ethernet及光纖通信等。

支持系統(tǒng)自診斷、數(shù)字化參數(shù)在線修改、在線更換數(shù)控器、遠(yuǎn)程下載程序和修改系統(tǒng)參數(shù)、遠(yuǎn)程診斷維護(hù)等功能。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

柜體采用全密封式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加熱及散熱自動控制，抗電磁干擾設(shè)計(jì)，極大地提高了設(shè)備的安全運(yùn)行水平。

2.4 整流變壓器特點(diǎn)

整流變壓器采用銅導(dǎo)線，繞組分為移相繞組、網(wǎng)側(cè)高壓繞組、調(diào)壓繞組、整變高壓繞組、低壓繞組、帶補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償繞組，內(nèi)附裝置還有平衡電抗器和電抗器繞組。鐵芯采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片。箱體由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，閥側(cè)出線采用半鐘罩式側(cè)面出線減少渦流損耗。調(diào)壓器采用無勵(lì)磁調(diào)壓開關(guān)。冷卻方式采用油、風(fēng)冷形式，強(qiáng)制循環(huán)冷卻。

3 電解車間KES大功率整流設(shè)備系統(tǒng)配置

3.1 電源配置

主電源：整流變壓器網(wǎng)側(cè)額定電壓10 kV，閥側(cè)額定電壓180 V,額定直流電壓185 V。

控制電源：雙電源供電，一路AC 380 V 5%，3PH，50Hz5%、一路AC 220 VUPS電源。當(dāng)發(fā)生故障或停電時(shí)，另一路AC 220 VUPS電源可以繼續(xù)為PLC等控制回路提供電源，保證停電后PLC的數(shù)據(jù)保存。

同步電源信號：來自網(wǎng)側(cè)PT，三相AC 100V。

交流電流信號：來自整變一次側(cè)電流互感器，三相0～200 A/0～5A。

直流電流信號:來自直流傳感器,0～35 kA/0～5 V。

3.2 控制系統(tǒng)硬件配置

3.2.1 穩(wěn)流控制系統(tǒng)

由2套可控硅數(shù)控器LY-KD構(gòu)成完全獨(dú)立的全數(shù)字化的雙通道冗余熱備用穩(wěn)流控制觸發(fā)系統(tǒng)，每套穩(wěn)流控制觸發(fā)系統(tǒng)主要由2個(gè)數(shù)控器LY-KD（1塊主控制器、1塊備控制器構(gòu)成雙機(jī)熱備用）、1個(gè)脈沖功放單元、1個(gè)交流反饋單元組成。

3.2.2 PLC監(jiān)控系統(tǒng)

選用國際知名品牌德國SIEMENS的S7-200系列的PLC。由PLC CPU主單元模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，人機(jī)界面選用臺灣WEINVIEW的觸摸屏MT6100iV2。實(shí)現(xiàn)對單機(jī)組的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和自動化操作監(jiān)控功能。

3.3 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

重要回路冗余，穩(wěn)流精度高，易于使用、便于維修。

3.4 操作監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件組成：操作監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由后臺微機(jī)、整流機(jī)組PLC、整流控制柜的POD、可控硅數(shù)控器LY-KD組成。

通訊方式：后臺微機(jī)與整流機(jī)組PLC之間采用Profibus通訊。

操作方式：可以在后臺微機(jī)、整流控制柜的POD兩個(gè)終端設(shè)備之間選擇其中一種，操作方式分別為［本地］、［遠(yuǎn)程］。無論選擇何種操作方式，均可以在兩個(gè)終端設(shè)備上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.5 數(shù)控器系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)控器LY-KD，即數(shù)字調(diào)節(jié)與數(shù)字觸發(fā)控制器，是整流控制系統(tǒng)的核心部件。本數(shù)控器以工業(yè)級高抗干擾能力的16位單片機(jī)為控制核心，具有完備的保護(hù)功能。采用“數(shù)字+數(shù)字”，一路處于運(yùn)行狀態(tài)，另一路處于熱備用狀態(tài)，一旦運(yùn)行中的一路出現(xiàn)故障，處于熱備用狀態(tài)的另一路實(shí)現(xiàn)在線無擾動切換，并在控制板顯示兩路的工作狀態(tài)，以提示工作人員安排換板檢修。穩(wěn)流精度優(yōu)于±0.3%。

3.6 PLC監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

與上位機(jī)通訊：所有控制轉(zhuǎn)換均由PLC進(jìn)行控制,通過通訊接口由上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

運(yùn)行操作:能完成開機(jī)/關(guān)機(jī)(即觸發(fā)脈沖合閘/分閘)、有載開關(guān)升檔/降檔、有載開關(guān)自動/手動切換、本地/遠(yuǎn)程操作切換、數(shù)控器的主備切換、封鎖脈沖、緊急停車等。

故障檢測、報(bào)警和保護(hù):對整流變壓器、整流柜、整流控制柜、油水冷卻器、純水冷卻器等裝置出現(xiàn)的全部故障進(jìn)行聲光報(bào)警,并根據(jù)故障類型進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)處理。

數(shù)據(jù)采集:利用PLC的I/O端口對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、提供機(jī)組運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

I/O端口冗余:PLC模擬量、開關(guān)量的輸入輸出端子有10%～15%預(yù)留。

數(shù)據(jù)量采集:開關(guān)量檢測,模擬量檢測,開關(guān)量輸出。

POD監(jiān)控功能:圖形界面顯示,事件及故障聲光報(bào)警,系統(tǒng)操作安全管理。

3.7 保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)

過電壓保護(hù)：由于可控硅等半導(dǎo)體器件的介質(zhì)應(yīng)力很高，而電時(shí)間常數(shù)又很小，很短時(shí)間的瞬時(shí)過電壓就可能造成其永久性破壞，因此必須考慮專門的過電壓保護(hù)措施，保護(hù)整流裝置免受可能出現(xiàn)的各種過電壓之害而安全工作。

操作過電壓保護(hù)：高壓斷路器在閉合和關(guān)斷的過程中產(chǎn)生的過電壓。在整流柜交流進(jìn)線處(也即整流變壓器的閥側(cè))，設(shè)置低功耗的高能氧化鋅壓敏電阻，合理選用壓敏電阻的參數(shù)，并且就近安裝，減小連接電線所產(chǎn)生的感抗，對過電壓進(jìn)行充分吸收。在過電壓吸收回路中串聯(lián)保護(hù)用熔斷器，熔斷器具有動作輸出接點(diǎn)(接點(diǎn)容量5 A)，當(dāng)熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)，熔斷器的指示件迅速彈出，撞擊熔斷器上的微動開關(guān)，微動開關(guān)上的常開觸點(diǎn)閉合，通過整流控制柜PLC輸出報(bào)警信號，至整流控制柜觸摸屏主控制室的后臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警監(jiān)控。

換向過電壓保護(hù)：可控硅在關(guān)斷的過程中產(chǎn)生的過電壓。在可控硅元件兩端并聯(lián)一組阻容吸收裝置，通過計(jì)算，合理選用電阻和電容的參數(shù)。并且就近安裝，減小連接電線所產(chǎn)生的感抗，對換向過電壓進(jìn)行充分吸收。在換向過電壓吸收回路中串聯(lián)保護(hù)用熔斷器，熔斷器具有動作輸出接點(diǎn)(接點(diǎn)容量5A)，當(dāng)熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)，熔斷器的指示件迅速彈出，撞擊熔斷器上的微動開關(guān)，微動開關(guān)上的常開觸點(diǎn)閉合，通過整流控制柜PLC輸出報(bào)警信號，至整流控制柜觸摸屏和主控制室的后臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警監(jiān)控。

水壓過低保護(hù)：在整流柜的進(jìn)水管端口處安裝防磁的壓力變送器，水壓0～0.4MPa對應(yīng)4～20mA模擬量輸出給整流控制柜PLC。對水壓低位設(shè)置參數(shù)值0.12MPa，當(dāng)水壓低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出［水壓過低］報(bào)警，且延時(shí)10 s后水壓仍未恢復(fù)到正常時(shí)，發(fā)出封鎖脈沖和跳閘信號，進(jìn)行封鎖觸發(fā)脈沖和斷開高壓斷路器。

水溫過高保護(hù):在整流柜的出水管端口處安裝一體化熱電阻變送器，水溫0～100℃對應(yīng)4～20mA模擬量輸出整流控制柜PLC。對水溫高位設(shè)置參數(shù)值45℃，當(dāng)水溫高于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出［水溫過高］報(bào)警。

橋臂過熱保護(hù):在整流橋臂母排上安裝了一個(gè)溫度繼電器，當(dāng)水冷母排的溫度達(dá)到設(shè)定值(一般為60℃)時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，信號傳送給整流控制柜PLC，在整流控制柜觸摸屏和主控制室的后臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警監(jiān)控，可以顯示橋臂故障報(bào)警的具體位置。橋臂過熱報(bào)警延時(shí)5 s后元件橋臂水冷母排的溫度仍未恢復(fù)到正常時(shí)，發(fā)出封鎖脈沖和跳閘信號，進(jìn)行封鎖觸發(fā)脈沖和斷開高壓斷路器。

單快熔熔斷和多快熔熔斷保護(hù):當(dāng)可控硅因各種原因擊穿發(fā)生閥側(cè)短路時(shí)，串聯(lián)在該支路的快速熔斷器立即分?jǐn)嗖⒏綦x該支路，防止故障擴(kuò)大?？烊劬哂袆幼鬏敵鼋狱c(diǎn)(接點(diǎn)容量5 A)，當(dāng)快熔分?jǐn)鄷r(shí)，信號傳送給整流控制柜PLC，在整流控制柜觸摸屏和主控制室的后臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警監(jiān)控，可以顯示快熔故障報(bào)警的具體位置。

直流過載保護(hù):當(dāng)輸出電流≥110%IdN時(shí)，延時(shí)3 s后發(fā)出［直流輕過載］報(bào)警信號；當(dāng)輸出電流≥125%IdN時(shí)，延時(shí)3 s后發(fā)出［直流重過載］報(bào)警信號及封鎖脈沖和跳閘信號，進(jìn)行封鎖觸發(fā)脈沖和斷開高壓斷路器。

4 結(jié)束語

KES大容量整流裝置是一種將三相工頻交流電轉(zhuǎn)換成電壓可調(diào)的直流電的裝置。在電解銅試生產(chǎn)期間運(yùn)行良好使用方便。故障預(yù)報(bào)的顯示對處理問題快捷有效，是一款典型的自動化系統(tǒng)控制設(shè)備。

在實(shí)際運(yùn)行中，整流變壓器總共設(shè)計(jì)了19個(gè)檔位，且是有載調(diào)壓控制，有載調(diào)壓是控制負(fù)荷初調(diào)的，在初定的檔位根據(jù)大功率可控硅的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流大小達(dá)到所需電流，導(dǎo)通角＞95°升檔，導(dǎo)通角＜115°降檔，來調(diào)節(jié)所需要的額定電流。導(dǎo)通角的大小是決定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，目前由于是試生產(chǎn)階段，最大生產(chǎn)能力達(dá)到92槽，而設(shè)計(jì)滿產(chǎn)為468槽，95槽的生產(chǎn)顯示導(dǎo)通角90°，這就提醒我們的電解系統(tǒng)在今后設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)時(shí)，應(yīng)該滿足的最低電壓標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是額定電壓的10%，這樣才能更好的滿足生產(chǎn)工藝需求。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的大小隨之改變，降低變壓器自身的鐵損和銅損及短網(wǎng)損失。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。再者，實(shí)際使用的檔位有些基本沒有用到，產(chǎn)生浪費(fèi)。

總之設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)特點(diǎn)選擇不同的生產(chǎn)容量，進(jìn)線變壓器檔位選擇，做到功率利用最大化，變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理化。

收稿：2014-01-13