鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)過電壓保護(hù)

李慶華

摘 要：本文通過對影響鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的過電壓進(jìn)行分析，根據(jù)過電壓產(chǎn)生的特點(diǎn)，分別對直流母線、供電電源加裝過電壓吸收裝置，對電源線、信號線進(jìn)行屏蔽接地處理，從而減少鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)過電壓危害，提高電解工藝生產(chǎn)控制的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋁電解槽 生產(chǎn)控制系統(tǒng) 過電壓保護(hù) 等電位連接 接地電阻

一、過電壓對電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)的危害

鋁電解槽自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)是整個(gè)電解鋁生產(chǎn)控制的樞紐，在電解鋁生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用，電解鋁生產(chǎn)也越來越依賴控制系統(tǒng)進(jìn)行管理及生產(chǎn)控制，但由于這些生產(chǎn)控制系統(tǒng)和設(shè)備耐過電壓能力低，雷電高電壓以及雷電電磁脈沖侵入所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)都會(huì)對控制系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾或永久性損壞。一旦自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，將會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)癱瘓，甚至?xí)?dǎo)致工廠短暫停產(chǎn)等事故。某鋁業(yè)公司的三個(gè)電解分廠電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)均采用CAN總線控制方式?？刂葡到y(tǒng)主要包括直流母線排、主控制室、隔離變電源、電解槽控機(jī)、NETBXO轉(zhuǎn)換箱、電流頻率轉(zhuǎn)換器、電流信號驅(qū)動(dòng)器及接地等電位連接等系統(tǒng)單元。2011年6月25日凌晨1時(shí)20分電一、電二槽控機(jī)遭受雷擊，雷擊造成電一7、8區(qū)，電二3、4、5、6、7、8區(qū)通訊及單槽故障。

電一、電二雷擊損壞板件統(tǒng)計(jì)：主顯板 19塊、VFC板13塊、智能通訊板7塊、中繼器2個(gè)、CPU板 1塊、電源塊 1塊、重復(fù)器 1塊，造成了槽控機(jī)大量內(nèi)部板件損壞，難以在短時(shí)間內(nèi)全部修復(fù)，對維修及庫存?zhèn)浼斐珊艽髩毫Γ瑢ιa(chǎn)也造成了影響。實(shí)例說明過電壓保護(hù)關(guān)系到鋁電解生產(chǎn)控制系統(tǒng)能否正常安全運(yùn)行，所以有必要對鋁電解生產(chǎn)控制系統(tǒng)采取過電壓保護(hù)。

二、過電壓入侵鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)分析

過電壓入侵槽控機(jī)控制系統(tǒng)主要有：電源線路入侵，通信線路，數(shù)據(jù)線路入侵，地電位反擊等幾種途徑。

1、過電壓的產(chǎn)生

1.1直擊雷，直擊雷蘊(yùn)含極大的能量，電壓峰值可達(dá)5000KV，電流峰值一般在100KA以下，具有極大的破壞力。如電解廠房直接被雷電擊中，巨大的雷電流沿引下線入地，會(huì)造成以下三種影響：a：巨大的雷電流在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)流入地下，使地電位迅速抬高，造成反擊事故，危害人身和槽控機(jī)設(shè)備安全。b：雷電流產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波，在電源線和信號線上感應(yīng)極高的脈沖電壓。c：雷電流流經(jīng)槽控機(jī)等電氣設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生極高的熱量，誘發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。

1.2感應(yīng)雷，遠(yuǎn)處的雷電活動(dòng)以及云層之間的頻繁放電，產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波，在電源線和信號線上感應(yīng)極高的過電壓，峰值可達(dá)50KV，同樣對槽控機(jī)設(shè)備有損壞能力。

1.3開關(guān)過電壓，供電系統(tǒng)中的電感性和電容性負(fù)載啟動(dòng)或斷開、電源線路短路等，都能在電源線路上產(chǎn)生高壓脈沖，其脈沖電壓可達(dá)到線電壓的數(shù)倍，從而損壞電解槽的電氣設(shè)備。

2、過電壓對槽控機(jī)設(shè)備的危害

2.1損壞槽控機(jī)內(nèi)元器件，a：過高的電壓使槽控機(jī)器件內(nèi)部過熱或擊穿半導(dǎo)體結(jié)（PN節(jié)），造成器件的永久性損壞。b：較低而更為頻繁的過電壓沖擊雖在槽控機(jī)元器件的耐壓范圍之內(nèi)，但易使器件加速老化，工作壽命大為縮短。C：電能轉(zhuǎn)化為熱能，毀壞觸點(diǎn)、印刷電路板，甚至造成火災(zāi)。

2.2破壞數(shù)據(jù)文件及設(shè)備誤動(dòng)作，a：過電壓造成槽控機(jī)通訊傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)受到干擾或丟失，信息控制網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。B： 過電壓使槽控機(jī)設(shè)備誤動(dòng)作、死機(jī)，甚至系統(tǒng)癱瘓。

因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況具體分析，采取相應(yīng)的防過電壓保護(hù)措施，確保電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地工作。

三、鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)過電壓保護(hù)措施

（一）依據(jù)GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》5.4.2條、GA371-2001《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)實(shí)體安全技術(shù)要求》第5.4.3規(guī)定：電源進(jìn)線、信號傳輸線在進(jìn)入計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)設(shè)備時(shí)必須安裝電涌、信號保護(hù)器（防雷器）；第5.4.7條：“信號線上安裝的電涌保護(hù)器，其通流容量、插入損耗、駐波、頻率、帶寬等參數(shù)應(yīng)符合信息系統(tǒng)的匹配要求”。對焦作萬方鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行過電壓保護(hù)，具體措施主要采用分流、屏蔽、等電位連接和過電壓保護(hù)。

1、分流，利用電解廠房周圍避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等將雷電流沿引下線安全地流入大地，防止雷電直接擊在電解廠房和槽控機(jī)設(shè)備上。

2、屏蔽，鋁電解自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)所有的金屬導(dǎo)線，包括電力電纜、通信電纜和信號線均采用屏蔽線或穿金屬管屏蔽，利用建筑物鋼筋網(wǎng)和其他金屬材料，使機(jī)房形成一個(gè)屏蔽罩。用以防止外來電磁波（含雷電的電磁波和靜電感應(yīng)）在線路上感應(yīng)過電壓。

3、等電位連接，等電位是用連接導(dǎo)線或過電壓保護(hù)器將處在需要防雷的空間內(nèi)的防雷裝置、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來的導(dǎo)體物、電氣和電訊裝置等連接起來。

4、過電壓保護(hù)，在直流母線、槽控機(jī)設(shè)備的信號線、電源線上安裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)器，將線路上過高的脈沖電壓濾除，保護(hù)設(shè)備不被過電壓破壞。

（二）實(shí)施方案，某鋁業(yè)公司針對電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及現(xiàn)狀進(jìn)行防雷措施，防雷器選用德國OBO系列防雷產(chǎn)品。

1、直流母線過電壓防護(hù)，在每個(gè)電解分廠直流母線的正極安裝1套德國OBO直流電源防雷器；

2、計(jì)算機(jī)站雷電防護(hù)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算機(jī)站供電系統(tǒng)需要進(jìn)行三級電源保護(hù)，即在計(jì)算機(jī)站總電源柜實(shí)行電源第一級防雷保護(hù)，計(jì)算機(jī)站分配箱/柜實(shí)行電源第二級防雷保護(hù)，終端設(shè)備實(shí)行電源第三級防雷保護(hù)。同時(shí)計(jì)算機(jī)站從室外引入的以太網(wǎng)信號線和電流分配箱 （系列電流、電壓信號線：4—20mA）也加裝相應(yīng)的防雷器綜合保護(hù)。

3、隔離變電源雷電防護(hù)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定供電系統(tǒng)需要進(jìn)行三級電源保護(hù)，即在隔離變電源柜實(shí)行電源第一、二級綜合防雷保護(hù)，槽控機(jī)邏輯電源實(shí)行電源第三級防雷保護(hù)，每個(gè)工區(qū)光纖箱電源處和第一臺(tái)、末臺(tái)槽控機(jī)處安裝電源防雷器。

4、槽控機(jī)雷電防護(hù)，每臺(tái)槽控機(jī)的電流信號線、通信信號線端需要分別安裝相應(yīng)的防雷器進(jìn)行防雷保護(hù)。即每一臺(tái)槽控機(jī)通訊CAN-H/CAN-L與地之間、電流IP+/IP-與地之間加裝OBO ASP-V11E1/4防雷器，并且在通訊線路中各加裝四個(gè)RS485 rep-2兩通道rs485隔離中繼/轉(zhuǎn)換器，在線路中起到隔離、加強(qiáng)信號的作用。

5、貫通地線、接地與等電位連接處理，計(jì)算機(jī)站和電解廠房均有接地體，接地阻值小于4歐姆，可以滿足防雷器接地要求，計(jì)算機(jī)站大樓有良好接地系統(tǒng)，將接地線分別引到各用電設(shè)備端和防雷器接地端。電解分廠廠房側(cè)面均有接地引線端，采用鍍鋅扁鋼將各個(gè)接地引線端良好連接后形成一個(gè)貫通地線，固定在電解廠房槽控機(jī)一側(cè)的外側(cè)，再從貫通地線引BV10mm2多股銅線到每個(gè)槽控機(jī)下方的接地匯流銅排上，防雷器接地線和信號屏蔽線接地線采用BV2.5-6mm2銅線均與接地排良好連接。

四、改造效果

某鋁業(yè)公司對鋁電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行過電壓保護(hù)改造后，未在發(fā)生電解槽生產(chǎn)控制系統(tǒng)遭受過電壓的侵害，避免了因槽控機(jī)受過電壓損壞，而影響電解系列的正常生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》

[2]GA371-2001《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)實(shí)體安全技術(shù)要求》