電解鋁整流機(jī)組隱患防治

劉勝祥

（蘭州鋁業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，隨著電解鋁產(chǎn)業(yè)提級(jí)改造，國(guó)內(nèi)大部分電解鋁企業(yè)的產(chǎn)能不斷增加，槽型越來越大，對(duì)電解整流機(jī)組的容量需求也在不斷提高。新的技術(shù)理論、設(shè)備材料不斷投入生產(chǎn)應(yīng)用[1]。然而，新技術(shù)從嘗試推廣到普遍成熟應(yīng)用，需要一個(gè)較長(zhǎng)的積累過程，早期總會(huì)存在許多技術(shù)問題和設(shè)備隱患，無法通過既有經(jīng)驗(yàn)來解決。由于技術(shù)的應(yīng)用推廣是個(gè)漸進(jìn)的過程，很多部件特別是大功率整流元件、高效水冷卻系統(tǒng)、新的穩(wěn)流技術(shù)路線還未得到充分的實(shí)踐驗(yàn)證，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不夠成熟，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性也不是很高，存在很多成因未知的安全隱患。近幾年投入使用的高壓大容量整流機(jī)組，見于文獻(xiàn)的設(shè)備事故較多。特別是近兩年來，全國(guó)高電壓等級(jí)的大容量整流機(jī)組發(fā)生元件大面積損毀、整流柜爆炸事故的頻率相對(duì)較高，給電解鋁供電系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來了巨大壓力。

由于電解鋁生產(chǎn)的不間斷性，使得整流機(jī)組的事故往往影響巨大。輕微故障會(huì)造成機(jī)組跳閘停電，電解供電中斷，嚴(yán)重的故障可能會(huì)造成整流柜爆炸和損毀。在事故比較嚴(yán)重時(shí)，電解供電可能長(zhǎng)時(shí)間都無法恢復(fù)，且難度極大，損失慘重，其后果不堪設(shè)想[2]。因此分析整流機(jī)組運(yùn)行中事故的成因，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，是減少同類事故發(fā)生，提高整流機(jī)組運(yùn)行可靠性，保證電解企業(yè)平穩(wěn)安全生產(chǎn)的重要課題。

1 電解鋁整流機(jī)組常見事故及原因分析

目前國(guó)內(nèi)大容量電解整流機(jī)組通常采用N+1多機(jī)并聯(lián)冗余的結(jié)線方式，單臺(tái)機(jī)組一般由調(diào)壓變壓器、主變（整流變壓器）及整流柜組成，任一臺(tái)整流機(jī)組均具備獨(dú)立的穩(wěn)流控制和調(diào)節(jié)功能。由于單臺(tái)機(jī)組往往難以滿足大型電解鋁的供電需求和安全性，故一般設(shè)計(jì)為多臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)，所有機(jī)組的直流輸出端匯接在一起。任一臺(tái)整流柜直流母線或整流柜內(nèi)部因元件故障等出現(xiàn)短路、接地故障時(shí)，總匯流母線便會(huì)向該故障點(diǎn)提供電流，此時(shí)的電能由正常機(jī)組流向故障整流柜，也即逆流。整流機(jī)組的直流電壓一般在1000V以上，在故障時(shí)往往還有數(shù)倍甚至更高的過電壓產(chǎn)生，使得逆流急劇增大，故障范圍迅速擴(kuò)大，往往會(huì)導(dǎo)致故障整流柜爆炸或燒毀。這種事故下，整流柜基本完全損毀，很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)電解供電，給電解鋁企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

近年來電解鋁行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)大容量整流設(shè)備有巨大的需求，也催生了大量新的技術(shù)和新產(chǎn)品。采用高電壓等級(jí)的大容量整流機(jī)組開始在電解行業(yè)得到大量實(shí)際應(yīng)用。但這些產(chǎn)品所依據(jù)的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)理念、技術(shù)原理并沒有本質(zhì)的改變，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒有根本性和顛覆性的變化。單純的電壓、容量、功率增加，反而會(huì)使其安全性和可靠性有所降低。部分電解鋁企業(yè)發(fā)生的整流柜爆炸事故，都具有高度的相似性。這集中反應(yīng)了采用此種結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路的整流柜自身還不夠完善。尤其是這種結(jié)構(gòu)的整流柜臂間、相間電壓高，運(yùn)行中震動(dòng)大，直流母線框架發(fā)熱，整流柜內(nèi)絕緣材質(zhì)少、絕緣強(qiáng)度小，水電系統(tǒng)并行、隔離薄弱，多元件均流因難，這些因素均使得這種整流機(jī)組存在著極大的事故隱患[3]。

圖1 整流機(jī)組系統(tǒng)圖

1.1 穩(wěn)流失控造成單機(jī)跳閘或系列停電

大容量整流機(jī)組一般采用多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)的模式，也都采用了單機(jī)獨(dú)立調(diào)節(jié)構(gòu)成小閉環(huán)、整個(gè)系列多臺(tái)機(jī)組又總體調(diào)控構(gòu)成大開環(huán)的穩(wěn)流控制系統(tǒng)。為了適應(yīng)電解生產(chǎn)陽極效應(yīng)等造成負(fù)荷波動(dòng)，同時(shí)調(diào)整電流方便，在正常運(yùn)行時(shí)一般都投入總調(diào)模式，在單臺(tái)機(jī)組檢修或停電時(shí)，為避免電流波動(dòng)，就需要退出總調(diào)，或?qū)⑿柰ｋ姷臋C(jī)組調(diào)整為分調(diào)狀態(tài)，逐步減小待停電機(jī)組的電流給定，增大其余機(jī)組的電流給定，保持總電流輸出基本不變。

機(jī)組在總調(diào)模式下的失控一般表現(xiàn)為：供給飽和電抗器的控制電流突然增大，一般都抵近上限；單臺(tái)整流柜實(shí)際輸出的電流急劇減小；由于各機(jī)組的調(diào)節(jié)速率并不完全一致，個(gè)別機(jī)組負(fù)荷突增，直流或交流過流跳閘等。

可能原因：運(yùn)行人員操作出現(xiàn)失誤，電流給定設(shè)置出錯(cuò)；在分調(diào)模式下停運(yùn)單個(gè)機(jī)組時(shí)調(diào)整過快；雷雨天氣時(shí)易受大氣過電壓影響；自用電波動(dòng)或失電，導(dǎo)致PLC控制器失電或穩(wěn)流功率回路失電，調(diào)節(jié)失靈等情況。

1.2 整流元件冷卻水系統(tǒng)故障造成停機(jī)

大功率整流機(jī)組通常采用水冷系統(tǒng)，循環(huán)的純水通過水管連接，流經(jīng)緊壓在元件上的水盒，帶走整流元件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，并通過冷卻塔散發(fā)，達(dá)到降溫的目的。一旦水冷系統(tǒng)系統(tǒng)故障，整流元件無法正常散熱，橋臂過熱、水溫過高、水壓過低等保護(hù)動(dòng)作，造成機(jī)組跳閘。如果保護(hù)靈敏度不高或拒動(dòng)，整流元件溫度急劇升高，將會(huì)造成元件永久性損壞甚至爆炸，造成嚴(yán)重短路事故。

可能原因：水冷循環(huán)泵失電、故障且備用水泵不啟動(dòng)，造成冷卻循環(huán)水失壓或斷流；水盒、水管、水嘴爆裂或阻塞造成循環(huán)水泄壓或斷流；冷卻塔填料結(jié)垢散熱不暢合并高溫天氣等。

1.3 冷卻水系統(tǒng)滲漏或噴濺造成元件短路

由于整流元件采用水冷系統(tǒng)，在整流柜中水電并行布置。一旦水流通路出現(xiàn)滲漏或噴濺情況，就會(huì)造成元件與外殼、元件與元件或交流與直流短路，造成單機(jī)組跳閘甚至全系列停電[4]。

可能原因：水盒、水嘴存在氣孔、縮松、砂眼、暗裂等制造缺陷，在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)缺陷擴(kuò)大或破損；水管接頭松動(dòng)；水管老化失去彈性，密封不嚴(yán)等。

1.4 均流劣化導(dǎo)致元件損壞和爆炸

整流器的均流度是表征整流設(shè)備技術(shù)水平的一個(gè)重要參數(shù)。均流不好，如果不是非常嚴(yán)重，可能并不會(huì)使元件燒毀，但長(zhǎng)期的負(fù)載不均容易導(dǎo)致個(gè)別整流元件電壓擊穿或因長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行使快熔熔斷和整流元件過熱燒損，有可能發(fā)生元件崩裂或者整流柜爆炸等設(shè)備事故。

可能原因：元件、快熔壓緊力度不均，造成各個(gè)橋臂的總接觸電阻偏差過大；元件、快熔參數(shù)不一致或偏移，使各個(gè)橋臂的內(nèi)阻和壓降偏差過大；檢修時(shí)元件排序錯(cuò)亂或更換新元件造成原均流調(diào)試失效。

1.5 過電壓造成柜內(nèi)電弧放電和擊穿

同相逆并聯(lián)是大功率高電壓整流機(jī)組普遍采用的一種結(jié)構(gòu)，采用這種連接方式，可以有效避免大容量整流柜體磁場(chǎng)過于集中而產(chǎn)生很大的渦流，產(chǎn)生的電磁力和熱效應(yīng)會(huì)造成整流柜的橋臂和元件松動(dòng)、扭曲，甚至短路、柜體結(jié)構(gòu)受熱變形、絕緣老化等。但是采用這種結(jié)構(gòu)的整流柜也有明顯缺陷，如運(yùn)行中震動(dòng)大，相鄰橋臂間、相間電壓高，這也是這種結(jié)構(gòu)的整流柜容易產(chǎn)生電弧閃絡(luò)和放電擊穿的主要原因[5]。

可能原因：絕緣材料老化；震動(dòng)造成銅排變形、元件松動(dòng)偏移；環(huán)境相對(duì)濕度較大或空氣污穢等。

2 電解鋁整流系統(tǒng)事故的預(yù)防

在分析事故原因的基礎(chǔ)上，可以針對(duì)性地采取相應(yīng)防范措施，加大對(duì)整流系統(tǒng)供電事故的超前預(yù)防，以降低事故頻率，減小事故影響范圍和經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 提高穩(wěn)流系統(tǒng)穩(wěn)定性

（1）通過操作界面優(yōu)化，運(yùn)行操作監(jiān)護(hù)，減少人為原因出現(xiàn)置數(shù)出錯(cuò)；

（2）在停運(yùn)單個(gè)機(jī)組的操作時(shí)，應(yīng)對(duì)系列電流進(jìn)行整體測(cè)算和全局考慮，防止電流調(diào)整過快和搶負(fù)荷現(xiàn)象；

（3）雷雨天氣時(shí)減少和避免操作，同時(shí)對(duì)防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)，確保其完好；

（4）提高自用電的可靠性，采用不同來源的雙回路電源供電，穩(wěn)流控制、PLC、工控機(jī)等應(yīng)采用直流供電或設(shè)置UPS不間斷電源裝置。

2.2 提高冷卻水系統(tǒng)的可靠性

（1）加強(qiáng)對(duì)水冷系統(tǒng)循環(huán)水泵的計(jì)劃維修，加強(qiáng)日常巡檢，并定期進(jìn)行切換試驗(yàn)，防止水泵故障、失修及切換失靈；

（2）對(duì)水盒、水管、水嘴、接頭、卡箍等進(jìn)行定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行更換，有條件的可采取周期性整體更換；

（3）加強(qiáng)備件采購管理，對(duì)水盒、水管、水嘴、接頭、卡箍等備件的品質(zhì)嚴(yán)格把關(guān)，杜絕劣質(zhì)、缺陷產(chǎn)品上線；

（4）將二極管母排和純水間接頭由塑料材質(zhì)改為不銹鋼接頭，杜絕滲漏現(xiàn)象；

（5）加強(qiáng)對(duì)水溫、水壓表等接頭的檢查和維護(hù)；

（6）對(duì)冷卻塔系統(tǒng)進(jìn)行定期檢修、沖洗，對(duì)失效填料及時(shí)更換；

（7）在高溫季節(jié)和極端高溫天氣時(shí)，加強(qiáng)對(duì)水溫的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取輔助制冷措施。

2.3 優(yōu)化整流柜均流性能

（1）在進(jìn)行機(jī)組檢修時(shí)，重點(diǎn)檢查元件、快熔的緊固情況，防止因震動(dòng)等造成松動(dòng)、偏移和虛接；

（2）進(jìn)行機(jī)組檢修和元件時(shí)，應(yīng)在拆卸前對(duì)元件的編號(hào)和位置進(jìn)行詳細(xì)記錄和標(biāo)記，安裝時(shí)仍保持原有順序和位置。壓緊螺栓的緊固應(yīng)參考原有標(biāo)記，并用力矩扳手進(jìn)行調(diào)校，確保壓緊力度一致；

（3）應(yīng)用智能均流測(cè)試儀等手段，實(shí)現(xiàn)均流的不停電檢測(cè)，為均流調(diào)試提供更為精準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)和量化參考，保證整流系統(tǒng)長(zhǎng)期均流運(yùn)行；

（4）可以采用硅元件參數(shù)測(cè)試儀，對(duì)整流柜內(nèi)硅元件的反向泄露電流和通態(tài)峰值壓降進(jìn)行定量測(cè)試，逐元件建立其身份信息檔案，更換新元件時(shí)，也應(yīng)對(duì)元件內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)，參考原元件的參數(shù)進(jìn)行匹配。有了實(shí)測(cè)數(shù)值，就可以有針對(duì)性地采取以下措施：①對(duì)通態(tài)峰值壓降多次測(cè)試結(jié)果或與其它元件偏差較大的硅元件，應(yīng)及時(shí)更換或棄用；②測(cè)試反向泄露電流瞬間增大的元件進(jìn)行更換，防止過壓擊穿；③可以根據(jù)元件實(shí)測(cè)參數(shù)，對(duì)硅元件的安裝位置重新排列，盡可能將通態(tài)峰值壓降接近的硅元件排列在同一橋臂上，這樣的調(diào)整和匹配，可以使整個(gè)橋臂的均流系數(shù)有所改善。

2.4 對(duì)整流設(shè)備優(yōu)化改造

（1）在整流柜內(nèi)同相逆并聯(lián)橋臂的相間加裝高分子復(fù)合玻璃布板材質(zhì)的隔弧絕緣板，提高了相間絕緣性能；

（2）可將操作過電壓吸收回路（裝置）移裝至整流柜外，或安裝在獨(dú)立的箱體內(nèi)，固定于墻壁或其它構(gòu)件上，避免振動(dòng)引起的松動(dòng)和失效問題；

（3）同上，也可將換相過電壓裝置移至整流柜外安裝，與整流柜間可采用耐壓800V以上、耐高溫的阻燃電纜引出，為盡可能減小回路的電感，應(yīng)盡量就近安裝，縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度，；

（4）吸收裝置內(nèi)的電容可更換為干式自愈式電容，提高吸收裝置的性能；

（5）目前弧光探測(cè)技術(shù)已較為成熟，已有相應(yīng)的保護(hù)裝置問世。應(yīng)用這種裝置，可以在整流柜內(nèi)出現(xiàn)微弱的弧光時(shí)，便可靈敏地檢測(cè)判別，并可通過穩(wěn)流系統(tǒng)或變壓器、開關(guān)保護(hù)回路，快速切除整流機(jī)組并聯(lián)切所有運(yùn)行機(jī)組，減小事故影響范圍內(nèi)，最大程度減少損失。

2.5 重視保護(hù)裝置的作用

（1）多臺(tái)大容量整流機(jī)組并聯(lián)的電解供電系統(tǒng)中，通常都設(shè)有逆流保護(hù)，通過靈敏的逆電流檢測(cè)傳感器和電流繼電器，在整流柜出現(xiàn)逆流故障時(shí)，準(zhǔn)確、靈敏、可靠地切除故障機(jī)組，防止逆電流進(jìn)一步發(fā)展為惡性爆炸事故。因此應(yīng)保證逆流保護(hù)裝置及其回路始終可靠有效，并且正確投入，在整流機(jī)組出現(xiàn)逆流故障時(shí)，由逆流保護(hù)裝置迅速動(dòng)作，出口跳開機(jī)組高壓側(cè)斷路器，將故障機(jī)組切除，使故障電流不會(huì)影響同系列的基它整流機(jī)組，防止事件進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大。

（2）通常采取各種預(yù)想、預(yù)防措施是減少各類事故，確保整流機(jī)組安全運(yùn)行的重要手段，但為了進(jìn)一步提高整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)充分利用和重視新的保護(hù)技術(shù)和原理的實(shí)際應(yīng)用，如弧光探測(cè)保護(hù)裝置、逆電流保護(hù)等的后備保護(hù)能力。提高保護(hù)的投入率和正確率，能有效保護(hù)電氣設(shè)備，防止事故的發(fā)生及事故擴(kuò)大化。近年來，國(guó)內(nèi)有條件的電解鋁企業(yè)已充分認(rèn)識(shí)到保護(hù)的重要性，通過技術(shù)改造升級(jí)，不斷完善整流機(jī)組的保護(hù)功能，為電解整流系統(tǒng)的平穩(wěn)供電提供了強(qiáng)大的安全防線。

3 結(jié)語

通過分析整流機(jī)組運(yùn)行中事故的成因，總結(jié)其規(guī)律，并超前采取針對(duì)性的預(yù)防措施，可以有效防止整流機(jī)組故障的發(fā)生，提高整流機(jī)組供電的可靠性，從而保證電解企業(yè)平穩(wěn)安全生產(chǎn)。