铝电解整流机组非典型误动跳闸分析及技改探讨
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
重庆能源旗能电铝的研究人员李落印，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文上指出，整流机组是电解铝企业生产重要的大型供电设备，一旦发生供电中断，将对企业生产造成重大经济损失。某国有大型企业220kV开关站在进行正常倒闸操作过程中，拉开/合上220kV母线侧隔离开关时，多次导致单台整流机组误动跳闸，对整流机组系统的平稳运行形成极大的安全隐患。
本文针对该非典型重大缺陷问题，专业人员对图纸、故障信息、现场等情况进行分析、专家会诊，经技术改造，有效排除了整流机组非典型误动跳闸的故障。
作为铝电解企业生产大型供电设备的整流机组，要求安全、可靠、经济、持续平稳供电。在进行正常倒闸操作过程中发生保护误动，造成单台整流机组跳闸，从而影响整流机组系统安全平稳运行，对铝电解企业的平稳生产造成极大的影响。这种典型重大缺陷问题在电解铝行业中并不常见，尤其是在预解决此类缺陷问题的初期，存在不少的困扰，更是缺乏可直接借鉴的实际案例。
本文以此为背景，通过对铝电解整流机组非典型保护误动跳闸进行分析及技术改造，成功解决整流机组非典型误动跳闸问题，以便于行业内对此类缺陷问题进行探讨，为今后处理此类整流机组非典型误动缺陷提供更多的参考。
1 铝电解整流机组非典型误动现象
某国有大型铝电解企业220kV开关站在进行正常倒闸操作过程中，拉开/合上220kV气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear, GIS）母线侧隔离开关时，多次导致单台整流机组误动跳闸，整流控制柜PLC及后台报整流柜“元件坏二”跳闸、“母线过热”跳闸等信息，整流控制柜重动箱对应动作指示灯亮。
这种故障现象并不是每次进行母线侧隔离开关倒闸操作时都会发生，只是偶然几率，但是每年的计划检修工作中，该倒闸操作项较为频繁，每年导致单台整流机组误动跳闸的次数也会有2～3次，且发生在不同的整流机组，对企业的正常生产平稳供电构成严重的威胁。
2 整流机组误动原因分析
经对整流机组误动跳闸可能性、现场情况及故障现象分析，排除了二次回路接线错误的可能性。但考虑到变电站自动化系统在强大的电磁干扰环境中运行，会受到不同程度的电磁干扰，尤其是一次高压设备（断路器、隔离开关等）进行操作，会产生暂态干扰电压，通过静电耦合、电磁耦合等其峰值高达几百伏至几千伏，严重时将会对二次回路产生重大的干扰或对保护装置中的元器件造成损坏。
电力系统的电磁环境是一个极为复杂并存在多种电磁干扰的环境，这样的电磁环境对自动化设备正常运行带来极为不利的影响。因此，经过综合分析，认为有可能是以下几个方面的原因导致整流机组误动误跳。
1）操作220kV GIS母线侧隔离开关引起地电位变化产生的干扰。一次高压电气设备（断路器、隔离开关等）进行的操作，动作瞬间会造成比较大的电网冲击，形成较高频率电磁波，具有很强的干扰能力，严重影响电力系统可靠运行，对二次回路产生电磁骚扰。
2）操作220kV GIS母线侧隔离开关时引起的母线电磁场变化耦合到低压侧引起的误动。通常隔离开关拉合过程中产生的过电压幅值可达系统额定电压的3.0倍；隔离开关动作瞬间除由于暂态电磁场通过对二次回路形成电磁干扰外，还可能由于电磁和静电感应通过耦合造成干扰。
3）非同相逆并联整流装置磁场变化较大引起出口电磁继电器误动。
4）整流控制柜PLC接地线与其他接地线混接引起PLC的误动，包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，可能造成保护误动。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段。正确地接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误地接地，反而会引入严重的干扰信号，影响系统正常工作。
5）信号线受电磁辐射感应干扰，对于隔离性能差的环节，在外部感应干扰的情况下，导致信号间互相干扰，引起共地系统回流，造成误动。
3 整流机组误动技术改造措施
通过上述误动原因可能性分析，结合现场实际情况，进行有针对性的整改及技术改造。针对抗干扰三要素即干扰源、传播途径和电磁敏感设备着手进行整改及技改，主要措施分为4个方面：①对整流机组PLC设立单独接地极并接地；②整流柜控制重动箱装设防磁屏蔽罩；③相关设备接地整改； ④整流柜保护回路技改。
1）整流机组PLC单独做接地极，与现有的接地网分开，距离大于5m，接地电阻不大于4。为防止PLC系统受高压系统的干扰，将PLC接地系统与开关站主接地网分开，单独装设PLC接地系统。主接地极选用型号为50mm×50mm×5mm接地角钢，每根长度1.5m，每间隔1m将角钢直埋入大地内。每根角钢之间用50mm×5mm扁钢进行焊接。使用16mm铜导线将接地极引至各整流机组控制柜，专用于PLC接地，并将该接地与其他接地进行有效分离。
2）整流柜控制重动箱用2mm的钢板做屏蔽，外壳接地。整流控制柜内重动箱距离整流柜较近，受磁场感应较强，为有效屏蔽磁场对重动箱干扰，防止受干扰导致重动箱误动，根据重动箱尺寸使用厚度为2mm钢板加工防磁屏蔽罩，并进行安装。
3）整流柜就地控制箱箱体用绝缘子隔离，控制箱外壳不能有接地点。原整流柜就地控制箱外壳箱体与接地体连接，现将所有整流机组整流柜A/B柜就地控制箱的箱体与基座螺栓松脱，拆下螺栓，用螺栓将4个型号为SM30绝缘子安装在原整流柜就地控制箱金属基座4个角上。用螺栓将就地控制箱固定在绝缘子上，使就地控制箱金属外壳与金属基座进行电气绝缘隔离。
4）整流变压器铁心接地与过电压保护箱保护接地分离，阀侧过电压保护吸收工作接地采取就近接地，变压器铁心工作接地采用就近接地。将两者相互连接的原接地电缆拆除。
5）整流柜纯水冷却器控制柜外壳接地与控制柜基础接地采用就地连接。
纯水冷却器控制箱体外壳与接地体（扁铁）连接电缆较长，并与直流母线形成切割磁力线之状，易产生电磁感应。之间有耦合电容存在，耦合的电场会产生干扰源。技改措施为：选取与箱体外壳就近的接地引线，拆除箱体原接地电缆并将该端与就近接地引线连接，避免接地线呈切割磁力线状，减弱接地线受电场感应强度。
6）开关站三级防雷模块接地引线需单独接地，以有效避免二次回路形成的干扰。三级防雷模块与PLC接地混接提出改造，不能与PLC接地混接。PLC接地改造后，拆除原PLC与防雷模块共同的接地点，三级防雷模块单独接地。
7）由于整流机组误动时发出“元件坏二”和“母线过热”跳闸信号，所以重点对这两回路保护信号进行技改。对整流柜“元件坏二”、“母线过热”的保护信号采用中间继电器进行扩展，将保护信号分别接至PLC及非电量重动箱。
图1 A柜非电量重动箱端子图
主要使用继电器进行信号扩展和信号隔离，通过时间差错过信号干扰。为确保信号可靠，同步加装以上两回路压板（如图3所示），在操作母线隔离开关前退出该保护，操作后投入该保护，有效防止误跳。技改完成后，每台机组保护回路进行传动试验，试验成功并确保回路正确，方可投入运行。
从整流机组整流柜重动箱保护原理图（如图1所示）中可以看出，A柜“元件坏二”保护，回路接线编号是05.31，“元件母线温度过热”接线编号是05.35；B柜“元件坏二”保护线路接线编号是05.38，“元件母线温度过热”保护接线编号是05.42。
为了防止由于“元件坏二”、“元件母线温度过热”误动造成整流机组跳闸，对“元件坏二”，“元件母线温度过热”保护回路进行技术改造（如图2所示），将“元件坏二”，“元件母线温度过热”保护回路中串联接入中间继电器（总），通过辅助触点输出，1路输出到A/B“元件坏二”中间继电器，再通过中间继电器分别输出到A柜05.31和B柜05.38；在中间接入保护连片，1路输出到PLC。其中SB-A1回路作为KA21继电器的复位按钮，SB-A2回路作为KA22继电器的复位按钮，当回路中有误动信号时，信号可以保持，区分是重动箱发出来的信号，还是PLC发出来的信号。
另一方面，在操作母线隔离开关前，通过断开连片LP1（至PLC数字输入模块D11：1）、LP2（至PLC数字输入模块D11：5）、LP3（至重动箱，整流柜A柜“元件坏二”跳闸回路）、LP4（至重动箱，整流柜B柜“元件坏二”跳闸回路）、LP5（至重动箱，整流柜A柜“母线温度过热”跳闸回路）、LP6（至重动箱，整流柜B柜“母线温度过热”跳闸回路），可以防止整流机组“元件坏二”，“元件母线过热”保护回路误动造成整流机组跳闸，避免整流机组误跳而影响正常运行。
图2 B柜非电量重动箱端子图
4 整流机组误动跳闸技术改造的效果
通过增设整流机组重动箱防磁屏蔽罩，有效屏蔽整流柜强磁场对重动箱保护回路干扰；就地控制箱绝缘底座改造等，减小电磁敏感设备受磁场干扰。整流变铁心接地与操作过电压工作接地分离整改，避免一次高压设备（断路器、隔离开关等）进行操作时，产生的操作过电压，对整流柜过电压保护回路等影响。
PLC单独接地极的改造，可有效防止强磁场情况下，电位差产生的干扰等。同时对整流柜保护回路技改，在母线隔离开关操作前退出该保护，操作后投入该保护，有效防止整流柜误跳等措施；整改及技改措施实施完毕后，对整流机组系统进行防误动技改进行调试、检验，经2017—2018年度整流机组计划检修期间频繁对220kV GIS母线侧隔离开关倒闸操作，期间未再发生单台整流机组误动跳闸现象。
一年多来对整流机组系统运行跟踪及实际情况分析，技术改造效果符合预期，整流机组保护非典型误动跳闸重大缺陷得到有效揭制，整流机组误动跳闸由原来的2～3次/年，经技术改造后降为0次，见表1。整流机组保护误动重大缺陷问题的解决，确保了整流机组系统安全平稳运行，为公司电解铝的正常生产提供了良好的供电条件。
图3 元件坏二、母线过热技改图
表1 整流机组防误动跳闸技改对比
通过对整流机组非典型误动原因分析、会诊及技术改造，经实际操作检验，成功解决了整流机组误动跳闸缺陷问题。本次对整流机组非典型误动缺陷的处理，主要是从可能会引起整流机组误动的因素出发进而采取措施和进行技改。
然而各企业设备运行环境不同，接线不同、设备配置不同，发生误动的情况也会不同。本文对上述整流机组非典型误动缺陷问题的处理进行总结，以便于行业内对此类缺陷问题进行探讨，积累更多的经验，为今后的工作起到更好的借鉴作用。