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)提級改造，國內(nèi)大部分電解鋁企業(yè)的產(chǎn)能不斷增加，槽型越來越大，對電解整流機組的容量需求也在不斷提高。新的技術理論、設備材料不斷投入生產(chǎn)應用[1]。然而，新技術從嘗試推廣到普遍成熟應用，需要一個較長的積累過程，早期總會存在許多技術問題和設備隱患，無法通過既有經(jīng)驗來解決。由于技術的應用推廣是個漸進的過程，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)流技術路線還未得到充分的實踐驗證，應用經(jīng)驗還不夠成熟，設備運行的穩(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組，見于文獻的設備事故較多。特別是近兩年來，全國高電壓等級的大容量整流機組發(fā)生元件大面積損毀、整流柜爆炸事故的頻率相對較高，給電解鋁供電系統(tǒng)安全運行帶來了巨大壓力。

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

1 電解鋁整流機組常見事故及原因分析

目前國內(nèi)大容量電解整流機組通常采用N+1多機并聯(lián)冗余的結線方式，單臺機組一般由調(diào)壓變壓器、主變（整流變壓器）及整流柜組成，任一臺整流機組均具備獨立的穩(wěn)流控制和調(diào)節(jié)功能。由于單臺機組往往難以滿足大型電解鋁的供電需求和安全性，故一般設計為多臺整流機組并聯(lián)，所有機組的直流輸出端匯接在一起。任一臺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，總匯流母線便會向該故障點提供電流，此時的電能由正常機組流向故障整流柜，也即逆流。整流機組的直流電壓一般在1000V以上，在故障時往往還有數(shù)倍甚至更高的過電壓產(chǎn)生，使得逆流急劇增大，故障范圍迅速擴大，往往會導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，很難在短時間內(nèi)恢復電解供電，給電解鋁企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。

近年來電解鋁行業(yè)的迅猛發(fā)展，對大容量整流設備有巨大的需求，也催生了大量新的技術和新產(chǎn)品。采用高電壓等級的大容量整流機組開始在電解行業(yè)得到大量實際應用。但這些產(chǎn)品所依據(jù)的基礎理論、設計理念、技術原理并沒有本質(zhì)的改變，其結構設計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。這集中反應了采用此種結構和設計思路的整流柜自身還不夠完善。尤其是這種結構的整流柜臂間、相間電壓高，運行中震動大，直流母線框架發(fā)熱，整流柜內(nèi)絕緣材質(zhì)少、絕緣強度小，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組存在著極大的事故隱患[3]。

圖1 整流機組系統(tǒng)圖

1.1 穩(wěn)流失控造成單機跳閘或系列停電

大容量整流機組一般采用多臺機組并聯(lián)的模式，也都采用了單機獨立調(diào)節(jié)構成小閉環(huán)、整個系列多臺機組又總體調(diào)控構成大開環(huán)的穩(wěn)流控制系統(tǒng)。為了適應電解生產(chǎn)陽極效應等造成負荷波動，同時調(diào)整電流方便，在正常運行時一般都投入總調(diào)模式，在單臺機組檢修或停電時，為避免電流波動，就需要退出總調(diào)，或將需停電的機組調(diào)整為分調(diào)狀態(tài)，逐步減小待停電機組的電流給定，增大其余機組的電流給定，保持總電流輸出基本不變。

機組在總調(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；單臺整流柜實際輸出的電流急劇減??；由于各機組的調(diào)節(jié)速率并不完全一致，個別機組負荷突增，直流或交流過流跳閘等。

可能原因：運行人員操作出現(xiàn)失誤，電流給定設置出錯；在分調(diào)模式下停運單個機組時調(diào)整過快；雷雨天氣時易受大氣過電壓影響；自用電波動或失電，導致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

大功率整流機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產(chǎn)生的熱量，并通過冷卻塔散發(fā)，達到降溫的目的。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、水壓過低等保護動作，造成機組跳閘。如果保護靈敏度不高或拒動，整流元件溫度急劇升高，將會造成元件永久性損壞甚至爆炸，造成嚴重短路事故。

可能原因：水冷循環(huán)泵失電、故障且備用水泵不啟動，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，就會造成元件與外殼、元件與元件或交流與直流短路，造成單機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，在運行一段時間后出現(xiàn)缺陷擴大或破損；水管接頭松動；水管老化失去彈性，密封不嚴等。

1.4 均流劣化導致元件損壞和爆炸

整流器的均流度是表征整流設備技術水平的一個重要參數(shù)。均流不好，如果不是非常嚴重，可能并不會使元件燒毀，但長期的負載不均容易導致個別整流元件電壓擊穿或因長時間過載運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備事故。

可能原因：元件、快熔壓緊力度不均，造成各個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，使各個橋臂的內(nèi)阻和壓降偏差過大；檢修時元件排序錯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組普遍采用的一種結構，采用這種連接方式，可以有效避免大容量整流柜體磁場過于集中而產(chǎn)生很大的渦流，產(chǎn)生的電磁力和熱效應會造成整流柜的橋臂和元件松動、扭曲，甚至短路、柜體結構受熱變形、絕緣老化等。但是采用這種結構的整流柜也有明顯缺陷，如運行中震動大，相鄰橋臂間、相間電壓高，這也是這種結構的整流柜容易產(chǎn)生電弧閃絡和放電擊穿的主要原因[5]。

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

2 電解鋁整流系統(tǒng)事故的預防

在分析事故原因的基礎上，可以針對性地采取相應防范措施，加大對整流系統(tǒng)供電事故的超前預防，以降低事故頻率，減小事故影響范圍和經(jīng)濟損失。

2.1 提高穩(wěn)流系統(tǒng)穩(wěn)定性

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

（2）在停運單個機組的操作時，應對系列電流進行整體測算和全局考慮，防止電流調(diào)整過快和搶負荷現(xiàn)象；

（3）雷雨天氣時減少和避免操作，同時對防雷接地系統(tǒng)進行定期試驗，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、工控機等應采用直流供電或設置UPS不間斷電源裝置。

2.2 提高冷卻水系統(tǒng)的可靠性

（1）加強對水冷系統(tǒng)循環(huán)水泵的計劃維修，加強日常巡檢，并定期進行切換試驗，防止水泵故障、失修及切換失靈；

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

（3）加強備件采購管理，對水盒、水管、水嘴、接頭、卡箍等備件的品質(zhì)嚴格把關，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）加強對水溫、水壓表等接頭的檢查和維護；

（6）對冷卻塔系統(tǒng)進行定期檢修、沖洗，對失效填料及時更換；

（7）在高溫季節(jié)和極端高溫天氣時，加強對水溫的監(jiān)測，必要時采取輔助制冷措施。

2.3 優(yōu)化整流柜均流性能

（1）在進行機組檢修時，重點檢查元件、快熔的緊固情況，防止因震動等造成松動、偏移和虛接；

（2）進行機組檢修和元件時，應在拆卸前對元件的編號和位置進行詳細記錄和標記，安裝時仍保持原有順序和位置。壓緊螺栓的緊固應參考原有標記，并用力矩扳手進行調(diào)校，確保壓緊力度一致；

（3）應用智能均流測試儀等手段，實現(xiàn)均流的不停電檢測，為均流調(diào)試提供更為精準的科學依據(jù)和量化參考，保證整流系統(tǒng)長期均流運行；

（4）可以采用硅元件參數(shù)測試儀，對整流柜內(nèi)硅元件的反向泄露電流和通態(tài)峰值壓降進行定量測試，逐元件建立其身份信息檔案，更換新元件時，也應對元件內(nèi)阻進行檢測，參考原元件的參數(shù)進行匹配。有了實測數(shù)值，就可以有針對性地采取以下措施：①對通態(tài)峰值壓降多次測試結果或與其它元件偏差較大的硅元件，應及時更換或棄用；②測試反向泄露電流瞬間增大的元件進行更換，防止過壓擊穿；③可以根據(jù)元件實測參數(shù)，對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，可以使整個橋臂的均流系數(shù)有所改善。

2.4 對整流設備優(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，或安裝在獨立的箱體內(nèi)，固定于墻壁或其它構件上，避免振動引起的松動和失效問題；

（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，應盡量就近安裝，縮短導線的長度，；

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

2.5 重視保護裝置的作用

（1）多臺大容量整流機組并聯(lián)的電解供電系統(tǒng)中，通常都設有逆流保護，通過靈敏的逆電流檢測傳感器和電流繼電器，在整流柜出現(xiàn)逆流故障時，準確、靈敏、可靠地切除故障機組，防止逆電流進一步發(fā)展為惡性爆炸事故。因此應保證逆流保護裝置及其回路始終可靠有效，并且正確投入，在整流機組出現(xiàn)逆流故障時，由逆流保護裝置迅速動作，出口跳開機組高壓側斷路器，將故障機組切除，使故障電流不會影響同系列的基它整流機組，防止事件進一步發(fā)展和擴大。

（2）通常采取各種預想、預防措施是減少各類事故，確保整流機組安全運行的重要手段，但為了進一步提高整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應充分利用和重視新的保護技術和原理的實際應用，如弧光探測保護裝置、逆電流保護等的后備保護能力。提高保護的投入率和正確率，能有效保護電氣設備，防止事故的發(fā)生及事故擴大化。近年來，國內(nèi)有條件的電解鋁企業(yè)已充分認識到保護的重要性，通過技術改造升級，不斷完善整流機組的保護功能，為電解整流系統(tǒng)的平穩(wěn)供電提供了強大的安全防線。

3 結語

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