整流柜弧光保护系统技术方案

结合其设备结构和工艺使用特点，加装芬兰UTU公司电弧光在线检测保护系统的方案如下：

方案一：根据弧光保护单判据原理应用

1. 在此方案条件下选用的装置包括： 两个电解系列共有8套整流机组，保护系统共用系统电源(Source of Power)8台、主单元（UTU-Falcon）8台、弧光辅助单元(Falcon-ARC)8台、弧光传感器(Filtered Light Sensor)192个、光带(Zonal Filtered Cable)及特制光缆(Photoelectric Cable) 4000米、数据电缆(Data Transmission Cable)10米、控制箱8套及其他附件。

2.每台机组配置相应的一套弧光保护系统。

2.1 当单一整流元件（可控硅/二极管）出现故障并产生弧光，弧光保护系统高速反应，依据弧光单判据原理只对该故障元件所在的整流机组进行跳闸，而不对同一电解系列的其他三台机组进行跳闸。

2.2 弧光保护系统的跳闸信号线缆与调变进线开关的跳闸回路并联连接。主单元与弧光辅助单元对12对桥臂同时进行弧光监测。 2.3系统主单元跳闸输出控制简图如下：

弧光 # 1机组

弧光 2#机组

弧光 3#机组

弧光 4#机组 ≥1 ≥1 ≥1 ≥1

3. 方案一系统原理布置图如附图一。

4.方案一没有选用过流检测，保护系统的灵敏性，速动性，选择性，安全性，可依赖性等都无大变化。适用于当单一整流元件发生故障时，击穿引起的电流变化过小这一情况。

5.弧光探测灵敏度设置到较低（40Klux）,大大的减少了干扰光源对保护系统的影响，但方案一仍然无法全面的防止由于偶然强光（如：电闪雷鸣、照明电器烧毁的瞬间、汽车大灯及太阳光等强光反射）照射到弧光探头与光带引起的误跳闸动作。

UTU-Falcon

6.方案一应用的弧光在线监测系统配置最简单，成本最低。

方案二：根据弧光+电流双判据原理应用

1.在此方案条件下选用的装置包括： 两个电解系列共有8套整流机组，保护系统共用系统电源(Source of Power)8台、主单元（UTU-Falcon）8台、弧光辅助单元(Falcon-ARC)8台、电流辅助单元(Falcon-ARC)8台、弧光传感器(Filtered Light Sensor)192个、光带(Zonal Filtered Cable)与特制光缆(Photoelectric Cable) 4000米、数据电缆(Data Transmission Cable)10米、控制箱8套及其他附件。

2.每台机组配置相应的一套弧光保护系统。

2.1某一整流元件（可控硅/二极管）被击穿，经过电流互感器的电流发生变化，同时产生弧光，弧光保护系统高速反应，依据弧光+电流双判据原理只对该故障元件所在的整流机组进行跳闸，而不对同一电解系列的其他三台机组进行跳闸。

2.2 弧光保护系统的跳闸信号线缆与调变进线开关的跳闸回路并联连接,电流信号取自调变侧电流互感器，主单元与弧光辅助单元对12对桥臂同时进行弧光监测。

1. 3系统主单元跳闸输出控制简图如下： 弧光

1#机组 过流 弧光

2#机组 过流 弧光

3#机组 过流 弧光

4#机组 过流

3.方案二系统原理布置图如附图二。

& & & &

UTU-Falcon

4.增设电流辅助单元的依据：（适用于方案二和方案三）

4.1二极管的单向导电特性：整流二极管是利用PN结的单向导电特性，经过特殊加工制作的，根据理论分析，PN结的电流和电压的关系可用下时表示：

I = Is(e V/VT –1) = Is（e qV/(kT)–1）

式中 I-PN结的电流（A）；Is-反向饱和电流（A）；V-外加电压（V）；

VT-温度的电压当量；e-自然对数的底；q-电子电荷量；k-玻耳兹曼常数；T-绝对温度。

由上式 以看出,当PN结为正向偏置时,电压V为正,只要V远大于VT(常温下=0.026V)，式中e V/VT 远大于1，因此PN结中的电流IF随正偏电压V的增加按指数规律上升。而当PN结为反向偏置时，电压V为负，随着电压V的绝对值的增加，指数项很快趋近于零，于是I约等于-IS，即反向饱和电流是一常数，不随外加电压变化。

4.2二极管的击穿：二极管的击穿一般分为三种，雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。

雪崩击穿是二极管施加反向电压时，使空间电荷区的高能量、高速度的载流子不断地与晶体原子相碰撞，形成碰撞电离，载流子在强电场中不断的碰撞电离，导致载流子迅速的成倍的增加，形成雪崩倍增现象，载流子浓度将急剧增加，使反向电流急剧增大，从而导致二极管击穿。

齐纳击穿是在高掺杂浓度的PN结中，P区与N区之间能带的间距较窄，再加上反偏电压使电场强度增加，进一步使该间距减小，P区中的某些电子则可能穿通空间电荷区（隧道效应）进入N区,变为自由电子，并形成反向电流。即发生齐纳击穿。

雪崩击穿和齐纳击穿的击穿过程都是可逆的，只要在外电路中采取适当措施，把反向电流在一定范围内，保证反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，那么当反向电压降低后PN结仍可恢复原来的状态。如果超过了容许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，这种现象称为热击穿。热击穿是一种过程击穿，需要时间的累积。

4.3由于PN结漏电流与温度有关，随温度升高而升高，所以二极管正向特性也与温度有关，当温度升高时，二极管的正向特性向左平移。见图4.3。 200

150

温度升 (A) IF

高方向 100

50 0 0.5 1.0 1.5 2.0 VF(v)

图4.3二极管正向特性与温度的关系 图4.4三相桥式全控电路的构成

4.4二极管的爆炸损毁过程：现在的大电流硅整流电路，一般采用三相桥式

全控整流电路，典型图如4.4。

UTU-Falcon

当一个整流元件运行中，由于各种原因（过电压或过热），使得整流元件PN结温度不断上升，上升到超过允许的温度时就会造成击穿，即整流元件反向电阻和正向电阻都趋于零，造成交流相间短路，这个短路电流是很大的，只与交流系统的等值阻抗有关，IS=UN/ZS，这个系统的理论计算电流能达到额定电流的5倍以上，从整流元件击穿到爆炸，需要经过温度升高、体积膨胀、导流体气化，内部压力升高最后发生爆炸，这个过程需要50~200ms。

4.5从二极管击穿开始，交流短路电流陡然增大，由于变压器的电感阻尼作用，使得电流不会立即反映到变压器一次侧，经过实际测试（变压器在做突发短路试验时可以测出来），这个过渡时间在1/4工频交流周波，即5ms以内。对比性示意图如下：

整流元件击穿 温度上升、体积膨胀、导流体气化 爆炸 弧光辅助单元检测到弧光 ≥50ms ≤ 5ms 整流元件 持续产生 过电流 变压器的电感阻尼作用 变压器一次侧 过电流 电流辅助单元检测到过电流 & 跳闸输出

鉴于以上分析，我们认为：从二极管击穿开始到变压器一次侧发现短路电流，需要5ms以内；二极管击穿开始到爆炸发生电弧光现象，需要50ms以上，所以电流总是越前于弧光被检测到，短路电流是一个连续的参数量，电流检测辅助单元监测到这个连续电流后会发出过流信号给主单元，当弧光传感器检测到弧光信号后，也发出弧光信号给主单元，当两个信号同时作用到主单元上时，主单元发出跳闸信号。电解铝大电流整流柜加装电弧光保护系统时，增设电流判据是合理的，与弧光判据同时使用可以有效防止由于偶然强光（如：电闪雷鸣、照明电器烧毁的瞬间、汽车大灯及太阳光等强光反射）照射到弧光探头引起的误跳闸动作，确保供电安全。

5.方案二增加了保护系统的安全可靠性，增加的过流检测还能够提供可靠的预警功能（非跳闸功能），有利于整流供电的安全稳定运行。弧光探测灵敏度设置到30Klux。电流值整定1.1In。

5.1 当单一整流元件击穿，同一电解系列的四台整流机组向短路点供电，反应到每台机组的电流比实际系统理论计算的短路电流要小。

5.2 从包头铝业、希望铝业发生短路事故的示波图来看，交流侧短路电流 I过流为额定电流In的1.3～1.5倍，即：I过流=1.3～1.5*In。 5.3 所以电流检测的整定值设定在1.1*In，保护是有效的。

UTU-Falcon

方案三:根据弧光保护单判据以及弧光+电流双判据两种原理

同时应用

1.在此方案条件下选用的装置包括： 两个电解系列共有8套整流机组，保护系统共用系统电源(Source of Power)8台、主单元（UTU-Falcon）8台、弧光辅助单元(Falcon-ARC)8台、电流辅助单元(Falcon-ARC)8台、弧光传感器(Filtered Light Sensor)192个、光带(Zonal Filtered Cable)与特制光缆(Photoelectric Cable) 4000米、数据电缆(Data Transmission Cable)10米、控制箱8套及其他附件。

2.每台机组配置相应的一套弧光保护系统。

3.工作原理及过程

3.1当某一元件如保护电容由于反向电压引起爆炸或部件由于毛刺引起放电故障等原因，产生火花弧光，这些情况不一定会引起电流立即突变，但危害到整流柜的正常运行，依据弧光单判据原理对该故障元件所在的整流机组进行跳闸。发生这些情况时整流元件（可控硅/二极管）并无损害，不影响同一电解系列的其他三台整流机组的正常运行。这时不能排除偶然强光（如：电闪雷鸣、照明电器烧毁的瞬间、汽车大灯及太阳光等强光反射）照射到弧光探头引起的误跳闸动这一外界因数对保护系统的影响。

3.2 当单一整流元件（可控硅/二极管）被击穿（产生弧光），或者上述所提及保护电容爆炸、部件毛刺放电故障（产生火花或弧光）的同时，经过电流互感器的电流发生变化，依据弧光+电流双判据原理对该故障元件所在的整流机组进行跳闸，同时对同一电解系列的其他三台机组进行跳闸。这时排除了偶然强光照射到弧光探头引起的误跳闸动。

3.3 系统主单元跳闸输出控制简图如下：

弧光 1#机组 # 2机组

3#机组 电流 4#机组

≥1 &

UTU-Falcon

4.方案三增加了保护系统的安全可靠性，增加的过流检测还能够提供可靠的预警功能（非跳闸功能），有利于整流供电的安全稳定运行。

电流值整定在1.25*In，充分考虑了短路点的燃弧能量已足够达到迅速摧毁整个系列的程度，应该快速将整个系列切除。

弧光探测灵敏度设置到40Klux。最大程度的把干扰光源(电闪雷鸣、照明电器烧毁的瞬间、汽车大灯及太阳光等强光反射)排除于影响保护系统之外;这并不影响保护系统对弧光的探测。

5.方案三既考虑到除了整流元件（可控硅/二极管）过电压、过热之外等其他元器件故障因素，又把偶然强光（如：电闪雷鸣、照明电器烧毁的瞬间、汽车大灯及太阳光等强光反射）这一外界因数对保护系统的影响降到最低程度。

6. 方案三系统原理布置图如附图三。

我们认为: 弧光保护系统在整流柜上的应用是一个新的课题。作为继电器保护,整流柜弧光保护系统要充分体现其速动性、安全可靠性、灵敏性、可选择性。为了充分发挥弧光保护系统对整流柜进行最好的保护,不应其保护特性而增加对其它保护的依赖。弧光保护系统与其它保护的关系是在整流柜上应用的职能各不相同,但能够相互补充而互不影响,共同为保护整流柜发挥积极的作用。

芬兰UTU公司中国代表处 广州兰源电力设备有限公司

UTU-Falcon