閉冠欽+覃澤純

摘 要：鋁電解生產(chǎn)中需要有低電壓大電流且具有恒流性的直流電，現(xiàn)階段通常使用的為多相二極管整流裝置，為了獲取恒流電流，飽和電抗器作為重要設(shè)備整合至整流機組中。該文以寧東電解鋁一期為例，利用Simulink建立了整流機組電力系統(tǒng)仿真模型，通過仿真不同調(diào)節(jié)深度下的飽和電抗器在若干臺整流機組發(fā)生跳閘故障的情況下，其他機組是否會出現(xiàn)過流現(xiàn)象。結(jié)果表明，飽和電抗器調(diào)節(jié)深度越大即電抗值越高，整流機組部分跳閘時剩余機組所產(chǎn)生的過流現(xiàn)象越明顯，研究成果在實際工程實踐中具有顯著參考價值。

關(guān)鍵詞：電解鋁 整流機組 飽和電抗器 失電過流

中圖分類號：TM40 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0046-03

電能是電解鋁產(chǎn)業(yè)的主要能源，由于電解鋁的主要設(shè)備電解槽為直流供電，所以，就需要為電解鋁廠設(shè)置整流機組某實現(xiàn)交流電的整流。國內(nèi)大型整流設(shè)備基本上均采用多相二極管整流方式，這種方式整流得到的電網(wǎng)電壓波動幅度較大，一定程度上影響電解鋁槽的穩(wěn)定運行，使能耗明顯增加[1]。為了降低電壓波動的副作用，同時增加電解鋁側(cè)負荷的調(diào)節(jié)性能，采用有載調(diào)壓與自飽和電抗器結(jié)合的恒流控制策略應(yīng)運而生，實際應(yīng)用證明了其恒流效果十分顯著[2]。

當(dāng)整流機組配套的發(fā)電機組因自身原因突然出現(xiàn)停機或線路跳閘等故障時，將直接導(dǎo)致其配套的整流機組全部失電，目前已有學(xué)者對于整流供配電系統(tǒng)典型故障進行了分析并提出了應(yīng)對策略[3-6]，但是并沒有針對局域電網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運行下的特點進行分析，由于區(qū)域電網(wǎng)運行穩(wěn)定性較差，易發(fā)生跳閘故障引起整流機組失電。根據(jù)整流機組的設(shè)備特點分析，失電整流機組的飽和電抗器在失電后的一段時間內(nèi)會提供逐漸下降的電動勢，導(dǎo)致其余正常運行機組的電壓不能得到有效下降，從而引起其他正常運行整流機組的電流相比無飽和電抗器時更大，甚至有可能引起電網(wǎng)內(nèi)運行的整流機組觸發(fā)過流保護跳閘，導(dǎo)致整個電解鋁系統(tǒng)的非正常停運。該文針對局域網(wǎng)整流機組發(fā)生跳閘故障失電時公網(wǎng)正常運行機組運行特性進行分析。

1 電解鋁及機組配置簡介

1.1 基本情況介紹

某電解鋁廠400 kA電解系列直流供電由6組整流設(shè)備組成等效72脈沖整流機組，目前直流電壓1 140 V，電流377 kA，總交流負荷約440 MW。整流機組負荷調(diào)節(jié)包括有載開關(guān)粗調(diào)與穩(wěn)流系統(tǒng)細調(diào)兩部分組成，穩(wěn)流系統(tǒng)根據(jù)單機組電流給定值，采集直流輸出電流，通過對飽和電抗器飽和度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)主回路壓降的閉環(huán)調(diào)整，每組飽和電抗器電壓調(diào)節(jié)范圍為0～70 V。

與鋁廠配套的為某局域電網(wǎng)和某省大電網(wǎng)，局域電網(wǎng)帶動4臺整流機組，剩余2臺機組由大電網(wǎng)帶動，利用局域網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運行實現(xiàn)電解鋁廠的穩(wěn)定運行。這樣同時會帶來問題，由于區(qū)域電網(wǎng)運行較公網(wǎng)不穩(wěn)定，1臺火電機組出現(xiàn)故障時極有可能引起供電側(cè)與用電側(cè)的負荷不匹配，導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)頻率失步，可能會引發(fā)一系列的級組解列故障，根據(jù)上述關(guān)于飽和電抗器的分析，區(qū)域電網(wǎng)側(cè)整流機組可能偶發(fā)失電現(xiàn)象。

1.2 仿真模型搭建

結(jié)合局域網(wǎng)內(nèi)火電機組、省內(nèi)大公網(wǎng)及某電解鋁廠現(xiàn)場實際情況與調(diào)研得到的相關(guān)設(shè)備參數(shù)，在Simulink中建立了局域電網(wǎng)/公網(wǎng)以及整流機組相關(guān)設(shè)備的整體電力系統(tǒng)模型。

首先根據(jù)電解鋁負載側(cè)的相關(guān)設(shè)計要求對可調(diào)節(jié)飽和電抗器相關(guān)參數(shù)進行選取，在選擇飽和電抗器的規(guī)格時，需綜合考慮飽和電抗器的調(diào)壓范圍、飽和電抗器的加工水平、負載側(cè)的功率因數(shù)等諸多因素。電解鋁廠運行要求飽和電抗器滿足0～70 V的調(diào)壓范圍，根據(jù)前期仿真結(jié)果選取最大電抗值為10的可控飽和電抗器，它的調(diào)壓范圍約為0～82 V。在增大飽和電抗器容量時，負載側(cè)的無功量將會發(fā)生明顯的增大，在增大至10時，負載側(cè)的功率因數(shù)約為0.929，基本滿足功率因數(shù)0.93的要求，同時根據(jù)諧波分析得到當(dāng)每臺整流機組移相角相差5度時網(wǎng)內(nèi)諧波含量最小[7]。

根據(jù)電解鋁廠系列參數(shù)、局域電網(wǎng)/公網(wǎng)參數(shù)，結(jié)合上述選取參數(shù)建立的帶有飽和電抗器的整流機組模型進行仿真，用以分析飽和電抗器在不同調(diào)壓深度下不同臺數(shù)局域網(wǎng)運行機組跳閘，正常運行整流機組過流倍數(shù)大小，是否會出現(xiàn)過流保護跳閘現(xiàn)象。

2 整流跳閘故障仿真分析

針對不同飽和電抗器調(diào)節(jié)深度，分析局域電網(wǎng)下不同臺數(shù)整流機組發(fā)生跳閘故障的仿真。飽和電抗器調(diào)壓范圍0～70 V，對應(yīng)可控飽和電抗器電抗值約為0～10 μh，整流機組各支路的額定電流為2×44 kA，以2×44 kA作為基準(zhǔn)值，整流機組的過流保護倍數(shù)為1.05～1.10之間，根據(jù)仿真得到的機組電流數(shù)據(jù)即可判斷機組在跳閘故障情況下是否會觸發(fā)過流保護，下面為各電抗器電抗值下典型工況仿真分析結(jié)果。

2.1 工況一仿真結(jié)果

電抗器電抗值為5，一臺孤網(wǎng)機組發(fā)生跳閘的仿真結(jié)果如圖1所示。在整流機組未發(fā)生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機組輸出的直流電流為78.5 kA，過流倍數(shù)為1.05～1.10之間，故可得出結(jié)論當(dāng)1臺機組發(fā)生跳閘時，其他機組不會發(fā)生過流保護。

2.2 工況二仿真結(jié)果

電抗器電抗值為5，2臺孤網(wǎng)機組發(fā)生跳閘的仿真結(jié)果如圖2所示。在整流機組未發(fā)生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機組輸出的直流電流為95.4 kA。過流倍數(shù)與上限1.10非常接近，故可得出結(jié)論當(dāng)2臺機組發(fā)生跳閘時，其他機組可能會發(fā)生過流保護。

2.3 工況三仿真結(jié)果

電抗器電抗值為5，4臺孤網(wǎng)機組發(fā)生跳閘的仿真結(jié)果如圖3所示。在整流機組未發(fā)生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機組輸出的直流電流為171.6 kA，過流倍數(shù)大于1.10，故當(dāng)四臺機組發(fā)生跳閘時，其他機組會發(fā)生過流保護。

2.4 工況四仿真結(jié)果

電抗器電抗值為10，4臺孤網(wǎng)機組發(fā)生跳閘如圖4所示。在整流機組未發(fā)生跳閘的情況下，機組輸出直流電流為64.1 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機組輸出的直流電流為158.8 kA，過流倍數(shù)大于1.10，故可得出結(jié)論當(dāng)4臺機組發(fā)生跳閘時，其他機組會發(fā)生過流保護。

上述各仿真結(jié)果與部分未詳細列出的仿真分析結(jié)果綜合如下表1所示。

3 結(jié)語

該文以某電解鋁廠一期電解系列為案例建立了帶有飽和電抗器的整流機組Simulink模型，利用模型進行仿真計算后得出以下結(jié)論。

可調(diào)節(jié)飽和電抗器電抗值越大時負載側(cè)電壓調(diào)節(jié)深度越大，整流機組出現(xiàn)跳閘故障時剩余正常運行機組所產(chǎn)生的過流現(xiàn)象越明顯。飽和電抗器未設(shè)置調(diào)節(jié)深度時，無調(diào)節(jié)電壓能力，即使出現(xiàn)跳閘故障下正常運行整流機組不出現(xiàn)過流現(xiàn)象；飽和電抗器處于中間調(diào)節(jié)深度即電抗值為5 μh時，2臺整流機組跳閘，剩余4臺接近過流保護跳閘極限；若4臺整流機組跳閘，無論飽和電抗器調(diào)節(jié)深度多少，運行在公網(wǎng)的2臺整流機組一定出發(fā)過流保護同時跳閘。

上述仿真成果在實際工程實踐中具有顯著參考價值。

參考文獻

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