电解铝供电整流中的电弧光保护

时间：2024-07-28

黄林

（内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司，内蒙古霍林郭勒 029200）

在我国金属铝是最重要的基础金属之一，其用途广泛，如铝合金是飞机、汽车的结构材料，纯铝可以制造超高压的电缆等。基于铝有这么多的用途，电解铝行业发展的规模日益增大。电解铝中的供电方式为整流供电，整流柜是主要的设备。随着电解铝的规模化程度增大，所需要的整流柜的台数增加，这样很容易产生电弧光，对设备及工作人员的人身安全造成危害，因此在供电整流程序中需要有电弧光保护系统。

1 电弧光概述

1.1 电弧光产生的原因

供电系统中两电极之间的电压升高时，空气中的正负离子会被加速，尤其是电极附近的空气与其他空气分子碰撞时会产生新的离子，该种离子数量增加即为电离现象。在电离的过程中温度会急剧地升高，升高到一定程度会产生电弧，这就是电弧光产生的原因。电弧放电过程是大电流低电压。电弧放电产生的主要因素:电流大且间隙小。另外还有其他因素，如产品绝缘的损坏、元件因长时间使用而老化、元件被污染或被腐蚀、整流柜柜体设计的结构不合理、设备的维护不及时不到位、人为的失误等客观因素均可导致电弧光的产生。电弧光一旦产生，如果供电系统不断电，电弧光便会一直存在。因此要想减少弧光的产生，降低危害，需要有一定的电弧光保护。

1.2 电弧光的危害

电弧光产生时会放出大量的气体，气体产生的压力波可导致整流柜柜体结构变形，严重时甚至破碎；电弧光可以使两个电极附近的空气因高温而体积膨胀（压力超100kPa）；当电弧光严重时引起的爆炸会造成铜排气化的剧烈震动，从而使固定的元件变松而脱落。温度过高时可造成供电系统的供电电缆瞬间燃烧、所有绝缘材料也会在很短的时间内燃烧，铜排被燃烧并气化。在该过程中产生的气体是有毒的，从而使供电整流的设备表面遭受严重污染，进而绝缘电阻降低甚至为零。另外还会使发生电弧的变压器的上一级由于距离较近而造成短路，产生一定的冲击。电弧光造成的故障电流的电动力可能会造成变压器绕组的变形引起短路。由于种种故障产生的弧光以300m／s的速度爆发而产生很强的冲击波，该冲击波的强度大到足够摧毁供电系统附近的任何物质，更为严重的是若影响到直流系统将会导致全系统的直流失电；如果在场的工作人员吸入有毒气体会有生命危险；高温会使人体皮肤灼伤，强光会损伤眼睛；同时爆破音会损伤人体耳膜。

2 电弧光保护特点和组成

2.1 电弧光的保护

电弧光保护系统是依据弧光检测和过流原理，根据35kV及以下开关柜发生故障时的特征而开发的。它的特点是操作简单、动作及时、补救快速，对于变电站的要求无特殊性，适应于任何一种运行方式并且在任何运行方式下无需切换等。它可以很好地用于变电站的低压开关柜的保护。简而言之，解决电弧光问题最有效的方法是快速切断故障电源。具体操作是在整流柜内加装保护装置，当整流柜内产生微弱小电弧光时，快速将运转的整流柜机组切断，或者是使该机组的断路器跳闸，使故障范围缩小，损失降到最低。

电弧光保护用于低压开关柜时，可以通过以下三种不同的设计原理来保护现场工作人员和设备的安全:（1）现行的设备还不足以承受电弧，因此要改善设备的机械结构；（2）可以安装限制电弧放电的装置，这属于主观因素方面的保护；（3）可以在设备上安装限制电流的断路器。这三种方案可以单独使用，也可以联合起来使用，并且已成熟用于工业领域。

主观因素方面的保护，也称为主动保护，它主要是应用机电／电子装置，设备结构比较复杂，可以防止设备内部产生电弧放电现象。其用于实践中的两种方法是:（1）将压力传感器作为检测电弧光的单元；（2）将弧光传感器作为检测电弧光的单元。第一种方法主要是针对设备内的弧光而言，是将压力波作为检测效应之一。压力波一般比电弧的出现晚10s左右，因此利用压力波的这一特性可以采用压力传感器的形式来检测电弧光。设定一定的压力值，当设备内压力超过该值时，压力传感器会发出信号，这些信号可以设计成是控制一定动作的指令，以控制开关的动作。但是有一点要明确，当压力值设定后要想确定超过该值的范围很难。第二种方法:弧光监测器的运行原理是:借助于电弧光发出的光辐射，将其作为监测器捕捉的信号，整流柜内的电弧故障被检测到时，弧光传感器紧接着会发出指令给断路器。该种传感器的反应时间很短很迅速。

2.2 电弧光保护系统的特点

（1）电弧光保护系统既监测电弧光又监测过压，其发出的信号准确，动作指令可靠。

（2）电弧光监测元件的电磁屏蔽能力强，不受其他信号影响。

（3）该保护系统会依据信号发出跳闸指令，过程反应时间很短，小于1ms。

（4）系统能够指出电弧故障的明确位置，处理故障会更迅速。

2.3 电弧光保护系统的组成

（1）主控单元

主控单元起控制管理的作用，主要负责监测过电压和电弧光信号。它的主要任务是接收故障发生时的信息，并进行处理，及时发出解决故障的指令。由于系统是依据双原理运行的，因此系统要同步接收到过电压和电弧光信号后，才能准确发出动作指示。当只接收到过电流信号或电弧光信号时，系统不会发出跳闸指示，但是会发出报警信号。主控单元能够按照编辑好的程序对接收的信号进行处理，根据处理后的信号，能够确定电弧光发生的位置。

（2）弧光单元

弧光单元的主体是弧光传感器，它的原理是信号之间的转换。具体为接收电弧光信号后立即转换为电信号，之后再传输至主控单元。弧光传感器具有电磁屏蔽功能，即不会因为收到其他信号的影响而发出错误的指令。

（3）电流单元

系统保护的依据是过电压原理，即过电流保护。因此有必要对电流进行检测，检测后将电流转换为信号传至主控单元，所以电流信号完全可以成为检测故障的方向之一。

3 电弧光保护系统的应用

3.1 电弧光保护系统在国内外的应用情况

目前世界上的金属铝都是通过电解法得到的，因此电弧光系统在国内外广泛应用于电解铝行业。除此之外，电弧光保护系统在国外还用于发电厂、变电站等，已经成为供电系统等的重要防止电弧光的手段，如在整流柜、低压开关柜等应用。电弧光保护的目标是尽可能减少设备损伤，防止现场工作人员的人身安全受到伤害。国内在最近几年将该保护系统用于变电站和发电厂，同时用于电解铝行业中的整流柜中。

3.2 电弧光保护装置在铝电解整流柜中应用的意义

在电解铝整流柜中安装电弧光保护的意义重大，一方面设备不会受到损伤，另一方面人员不会受到伤害，电解铝行业的正常运转得以保证。长期以来电解铝行业中一直存在电弧光故障发生后难以解决的问题，当安装保护系统后该问题得到解决，而且整个反应过程时间很短，据统计不会超过80ms。同时，该系统还可以明确电弧故障发生的位置，即有一定的定位功能。一旦定位便能迅速解决故障，断电后及时恢复供电，这样让企业的损失减到最小，并且恢复工作的时间短。目前电解铝行业的迅速发展要求完善电弧光保护系统，有更多的保护系统逐步用于整流柜中，而且随着整流机组的电压越来越高，保护系统的投用更有意义。目前的保护系统仅停留在低压小电流的等级上。