CN101550567A - 一种电解槽电压保护方法及保护系统 - Google Patents

Abstract

一种电解槽电压保护方法及保护系统，包含槽电压检测回路、保护系统控制单元、保护系统出口回路、保护系统网络结构；所述槽电压检测回路，电解车间为不接地系统，所述理想零点当电解槽在运行过程中出现其它可能的接地时，零点将移至接地点；理论零点在系列中点，电解槽槽两端对地电压可达到750VDC；当存在其它接地零点，电解车间进线端对地电压可高达1500VDC；本发明通过采集电解槽槽电压和系列电流，精确判断各种不同的工艺状况，发出报警信号和保护动作信号，并有机地与整流所稳流系统和整流所综合自动化系统融合一体，实现故障时迅速降系列电流，必要时系列停电，以使事故最小化，保证人身和财产安全，便于更快恢复生产。

Description

一种电解槽电压保护方法及保护系统

技术领域

本发明属于电解铝厂电解槽电压保护系统技术领域，尤其是涉及一种电解槽电压保护方法及保护系统。

技术背景

目前公知的电解铝厂是利用氧化铝，在电解槽内经过直流电解后，生成铝和二氧化碳；电解铝厂由整流所、电解车间、其它辅助车间构成。如图1所示整流所为终端变电站，一般电压等级为110kV或220kV。整流所内配置有整流机组，包括整流变压器(2)、饱和电抗器(3)和整流柜(4)等构件和动力变压器等一次设备构成；所述整流机组并联运行，在图1中，整流变压器把高压交流电经过有载调压开关调节成低压交流电，经饱和电抗器输送至整流柜，整流柜将低压交流电整流成直流电供电，并通过直流母线(5)送至电解车间。

所述整流装置是一种将三相工频交流电转换成电流可调的直流电的装置“以伊川铝厂为例”，220KV线路首先进入调压变压器，调压变压器上安装有有载调压开关，通过控制有载调压开关来调整调压变压器的一、二次线圈匝数比，来达到改变整流变二次侧输出电压的目的；每台调压变压器二次侧连接有两台整流变压器，整流变压器二次侧经饱和电抗器与整流柜串联连接；饱和电抗器上装有位移绕组和控制绕组，通过控制这两个绕组形成的磁场，来达到系列电压变化的时候稳定系列电流的目的；整流柜为三相桥式整流结构，通常每台整流柜共有12相整流臂，每臂有7只硅元件并联组成，将整流变输入的交流电通过硅二极管整流成电解用的直流电，其单台整流机组最大输出电流2*33KA；整流柜分为A、B两台柜子，每台柜子通过正负极母线分别与电解直流正负大母线并联连接。六台整流机组均与电解大母线并联连接最大输出电流6*66KA。

直流系统的正负直流母线(5)之间的电压叫系列电压，直流母线(5)电流叫系列电流(6)；并可通过调节整流变压器(1)的有载开关和饱和电抗器(3)的控制电流来改变系列电压和系列电流的大小；配置整流所综合自动化系统用于完成终端变电站的所有功能，如保护、测控功能等；配置整流所稳流系统用于调节系列电压和系列电流以实现稳流功能。

电解槽位于电解车间内，电解槽串联成一个系列，如图2所示；电解槽正常运行时单台槽电压为4.12V左右，现阶段电解铝厂每个系列配置200-300台电解槽，系列电压高达1500VDC，系列电流高达400kA，总用电负荷高达30-40万KW。

电解槽是串联运行的，每台电解槽的电压为4.12V左右，按200台电解槽一个系列时，一个系列电压就是200×4.12V加上母线上公摊部分的电压就是一个系列的电压了。

下面分析现有电解槽过电压可能引起的危害：

电解槽串联运行，系列电流大，任何一处出现断路或者趋向于断路，均会引起断路口剧烈拉弧放电，甚至发生强烈爆炸，严重危害设备和人身安全；电解槽可能引起的故障主要有下列几种：

1)、短路口爆炸：每台电解槽都有一个短路口，负责电解槽的启停；短路口用绝缘板隔离，用绝缘套管固定，绝缘板设计的耐压为65V以上；由于电解槽长时间运行，特别是受电解车间高温、高粉尘、高污染等恶劣环境条件影响，致使绝缘板和绝缘套管的绝缘值降低，短路口绝缘击穿而发生短路口爆炸。

2)、阳极抬脱：人为抬阳极操作不当，或者控制阳极升降的电气二次回路出现异常时，比如上升接触器的电接点粘连等现象，均可能使阳极抬高以致脱离电解质液面产生离极现象，使整个直流系列由闭合的电气回路转变成开路状态，由于直流系列电流较大，在开路点处产生剧烈拉弧放电，便会产生强烈爆炸。

3)、漏槽：电解槽由于长期运行引起漏槽现象，此时铝液面迅速降低，当铝液面降低至阳极脱离电解质时或因极距过大造成高电压AE时，电压短路口的电压超过短路口绝缘值造成短路口击穿，放炮爆炸。

4)、脱极：当电解槽电流严重偏流时，一组阳极上通过电流超过其导杆爆炸焊所能承受的电流时，就出现了脱极，一组阳极脱极会把电流转到其它的阳极上经过，就会造成其它阳极更大的偏流，容易形成多组阳极脱极，当此台电解槽所剩阳极不能承受全电流时，就会造成迅速全面阳极脱落，电解槽发生离极爆炸；焙烧期的电解槽及病槽都有脱极的可能性。

5)、影响电网安全：当电解铝厂发生重大事故时，高达30-40万KW的用电负荷瞬间甩给电网，很容易造成电网波动事故。

现有保护系统及其缺陷：

现有电解槽设置两种保护；

a、用于整个电解系列的离极保护；

b、槽控机单台槽电压限位。

针对抬阳极和漏槽发生离极现象设置离极保护：离极时，系列电流降低，在直流系列电流回路开路时系列电流值逐步下降为零；系列电压逐步升高，为整流变压器有载开关对应档位的空载电压值；由于直流电流剧烈拉弧和铝液面波动或其它原因，阳极在脱离铝液面发生爆炸的瞬间，实际的系列电压升高值和系列电流降低值并不大，只相当与两到三个阳极效应值，阳极效应为电解槽内电解质发生变化，电解槽阻值增大，从而槽电压增大，一般不超过35V，可通过特殊工艺消灭阳极效应，发生离极和整个系列同时发生两个或三个阳极响应时的现象几乎相同，离极保护实为模糊控制，离极保护定值难整定，不同电解系列定值差别很大，容易产生保护装置误动作或拒动作。

槽控机槽电压保护主要设置为：

3秒闭锁保护：即在槽控箱内设置时间继电器回路，当手动抬升阳极3秒内必须自复位一次，否则将自动断开控制回路，避免人为操作时间过长造成阳极抬升过度酿成事故。此保护无法避免接点粘连造成控制回路持续导通所引发的事故。

50V保护系统：即在槽控箱内设置50V报警输出接点，用于闭锁抬阳极操作回路，当槽电压达到50V时，闭锁抬阳极操作，避免槽电压超过设定电压时，阳极再抬升过高发生离极现象；50V保护系统未用系列电流去闭锁槽电压判断，50V的设定值亦是正常运行时对应系列电流的设定值，根据系列电压U＝系列电流I*系列电阻R，当系列电流变小时，即使槽电压达不到设定值50V，也可能发生离极现象；50V保护系统在保护失效时，没有后续处理措施，比如降系列电流，或者跳闸整流机组，系列停电等。

本发明人经过试验发现以上两种保护不能对因出铝、漏槽时铝液镜面下降而引发的高电压以及离极事故进行保护。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种电解槽电压保护方法及保护系统；本发明所述的电解槽电压保护方法及保护系统可以有效的克服电解槽出现任何故障，针对电解槽槽电压和系列电流均产生相应变化的特点，本发明通过采集电解槽槽电压和系列电流，精确判断各种不同的工艺状况，发出报警信号和保护动作信号，并有机地与整流所稳流系统和整流所综合自动化系统融合一体，实现故障时迅速降系列电流，必要时系列停电，以使事故最小化，保证人身和财产安全，减免损失，便于更快恢复生产。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种电解槽电压保护系统，所述系统主要包括：槽电压检测回路、保护系统控制单元、保护系统出口回路、保护系统网络结构；

所述槽电压检测回路，电解车间为不接地系统，所述理想零点当电解槽在运行过程中出现其它可能的接地时，零点将移至接地点；理论零点在系列中点，电解槽槽两端对地电压可达到750VDC；当存在其它接地零点，电解车间进线端对地电压可高达1500VDC；

本发明选择的检测原件需要具备：

输入端：电解槽两端电压，0-100VDC相对电压；

输出端：4-20mA/1-5V；

电源：24VDC/220AC；

绝缘电阻：输入端-输出端-电源端大于100MΩ；

隔离强度：输入端-输出端-电源端-地面间AC2000V/1min；

所述保护系统控制单元；

保护系统控制单元分主控制器和分控制器：

以工段为单位配置分控制器；分控制器选用SIEMENS S7-300PLC，用于完成本工段槽电压保护系统的信号采集、逻辑判断、报警运算、动作运算功能；所述分控制器详细配置如下：

电源模块：PS-307，为分控制器提供电源；

CPU控制模块：CPU315-2DP，实现逻辑判断，完成本工段报警运算和动作运算；

网络通讯模块：CP343，实现并完成与主控制器和计算机系统的以太网连接和数据交换；

信号采集模块：SM331，完成经由槽电压检测回路隔离器隔离变送之后的的槽电压信号采集、系列电流信号采集；

一个电解系列配置一套主控制器；所述主控制器选用SIEMENS S7-300PLC，实现逻辑判断，完成保护动作出口功能；

主控制器详细配置如下：

电源模块：PS-307，为主控制器提供电源；

CPU控制模块：CPU315-2DP，实现逻辑判断，完成槽电压保护动作出口；

网络通讯模块：CP343，完成与分控制器和计算机系统的以太网连接，采集分控制器动作运算结果；

动作输出模块：SM322，完成降系列电流和停系列电源的动作出口；

所述的保护系统出口回路；

本槽电压保护系统通过主控制器动作输出模块SM322输出控制接点信号，出口回路包括两部分：

与整流所稳流系统连接，通过接点信号输出，完成自动降系列电流；

与整流所综合自动化系统连接，通过接点信号输出，完成整流机组电源侧开关分闸，实现电解系列停电；

所述保护系统网络结构本槽电压保护系统采用全以太网结构，主控制器、分控制器、后台计算机系统均通过以太网连接实现数据交换。

所述电解槽电压保护系统，所述系统槽电压检测元件选用日本爱模M-SYSTEM电压隔离器。

一种电解槽电压保护方法，所述的保护方法如下：槽电压保护系统保护投入过程可通过后台计算机人机界面实现：

a、设定低压投入段数和高压投入段数；默认低压投入2段，即低压一段、低压二段；高压投入4段，即高压一段、高压二段、高压三段、高压四段；

b、设定低压和高压投入各段的定值和动作时限；默认低压一段为3.8V、低压二段为1V、高压一段50V、高压二段60V/5S、高压三段65V/2S、高压四段70V/0S；

c、设定焙烧槽各段定值和动作时限；实现单槽设定，一段根据焙烧槽当天电压+0.8V设定，默认二段设定为10V/0S；

d、投入系列电流/总加电流，设定系列电流和总加电流差值闭锁值；默认投入系列电流，闭锁值为3kA；

e、对应每台电解槽投入功能模块运行、投入电压判断功能、投入电阻判断功能、选择功能模块为工作位置；

f、投入高压二段、高压三段、高压四段、焙烧二段软压板；

g、投入降系列电流、停系列电源硬压板。

所述的电解槽电压保护方法；

1)、电压隔离器将槽电压信号转换成4-20mA的电流信号，送到分控制器的信号采集模块SM331，经过PLC处理，经以太网络通讯模块CP343送到主控PLC；

2)、主控制器网络通讯模块CP343通过以太网收到电解车间分控制器所发来的整个系列的电解槽单槽电压数据，进行内部运算判断；

3)、后台计算机系统同时也收到电解车间分控制器发来的整个系列的电解槽单槽电压数据，进行内部运算判断；

4)、供电监控屏及计算站监控屏上显示各车间电解槽的适时电压数据；

5)、后台计算机系统上显示电解槽电压55V并在上升中，报警提示某段电解槽电压大于50V，报警声响；计算站同进出现相应的报警显示及声音。

6)、随着此电解槽电压继续上升，当达到了60V时；后台计算机系统上显示该段电解槽电压60V并在上升中，报警提示该段电解槽电压大于60V，报警声响；计算站的保护显示屏同样出现相应的报警显示及声音；1/2秒钟后报出出口动作报警，保护总控制器发出降电流的指令，经供电自动化控制系统的PLC进行执行，按每次降5KA速度执行；

7)、随着系列电流的降低，该段槽的槽电压也相应降低，但其决定相同电流时的阳极高度没有变化，所以此槽的槽电阻不变，因此我们判断此槽并没有到安全范围之内，当然虽然不会因高电压而击穿短路口绝缘板，但还存在离极的可能性，用槽电阻判断的槽电压还在60V以上，也使主控制器的动作出口继续发出降电流指令，为电解车间值班员及时处理该段电解槽高电赢得足够的时间；

8)、如若系列电流降到150KA时，所述的电阻判断数据被屏蔽了，所以就不再降系列电流了，在这其间如果电解槽内的阳极继续上升的情况下，早就进入到下一级报警动作了，不进入下一级就说明此时的阳极已经稳住了，不再进一步上升了，所以也就没有必要再下降系列电流了；

9)、如若在60V保护动作降系列电流的同进，该段电解槽的阳极还在继续上升，本发明所述的保护就会根据槽电阻判断出此时的阳极还在上升，当达到300KA全电流70V时的电阻时，保护就会报出该段电解槽电压70V报警，在设定的2000ms不能恢复时，保护就会动作跳机出口，跳开六台整流机组开关，使整个电解系列停电；此时给电解车间内处理该段电解槽问题有更安全的时间和机会；

10)、如若该段电解槽系天车拉着阳极或其它外力造成阳极迅速上升，脱离电解质，形成离极，本发明的保护系统便会迅速报出：该段电解槽高电压50V报警、该段电解槽高电压60V报警、该段电解槽降系列电流出口动作、该段电解槽高电压65V报警、该段电解槽高电压70V报警、该段电解槽跳整流机组出口动作；此时电解车间直流电全停；

11)、电解槽在焙烧时阳极是不动作的，因此所述电压变化应该是很小的，如若设定焙烧槽的电压保护是基于以后将进行残阳极启动时，造成电流偏流严重时，可能形成阳极爆炸块承受不了强大的电流而开焊，一块阳极脱极后，这组极就不通电了，电解上的电流是稳定的，应该分配到此组阳极的电流也就又偏到其它阳极上，很容易形成大面积的脱极，从而造成电解槽电压迅速升高而放炮爆炸，因此我们在设计时只选用了两个状态，就是报警和动作跳机；一般在报警后电解车间很快就能把脱落的阳极块更换出来，跳整流机组动作出口只是在特殊情况下做到万无一失；动作及报警原理同高电压一样；

12)、低电压只存在报警，不存在动作出口，因此只在后台监控计算机上报告，在供电及计算站报出报警信号，主要是防止槽压线断线影响到保护的可靠性，或因运行中阳极下滑，引起大母线打火、阳极脱极。

所述的电解槽电压保护方法；槽电压保护系统可以实现三段低电压报警和五段高电压报警及动作：

低电压一段：槽电压小于3.8VDC，低电压一段报警；

低电压二段：槽电压小于1VDC，低电压二段报警，判断信号断线；

低电压三段：备用；

高电压一段：槽电压大于50V时，高电压一段报警；

高电压二段：槽电压大于60V时，高电压二段动作，延时动作出口，降系列电流；

高电压三段：槽电压大于65V时，高电压三段动作，延时动作出口，分闸整流机组，停系列电源；

高电压四段：槽电压大于70V时，高电压四段速断动作出口，分闸整流机组，停系列电源；

高电压五段：备用。

所述的电解槽电压保护方法；焙烧启动一段：在焙烧期根据当时的焙烧电压加0.8V设定，当大于报警值时，焙烧一段报警。

焙烧启动二段：焙烧槽电压大于10V时，立即高电压速断动作出口，跳闸整流机组，停系列电源。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所述的电解槽电压保护方法及保护系统，其主要特点及效果如下：a、采用全数字化设计，所有的逻辑判断均实现数字化运算；b、槽电压信号采样周期小于20mS，完全满足电解槽保护功能的要求；c、设置低压共三段、高压共五段报警和保护，满足电解槽各种工艺条件报警和保护出口要求；d、设置焙烧启动报警共二段报警和保护，可根据焙烧启动的需要，可对单台电解槽设定报警值，满足焙烧启动时的各种工艺条件的保护要求；e、逻辑判断采用模块化设计，可方便各台电解槽功能的投/退；f、人机界面人性化，方便监控和各种定值设定；g、电压判断和电阻判断相互闭锁；h、与整流所综合自动化系统和整流所稳流系统有机结合。

附图说明

图1是现有终端变电站示意图；

在图1中；1、有载开关；2、整流变压器；3、饱和电抗器；4、整流器；5、直流母线；6、系列电流。

图2是电解槽串联系列示意图；

图3是本发明的系统槽电压检测回路电路图；

图4是本发明的组网和处理系统示意图；

图5是本发明的太网结构主控制器、分控制器、后台计算机系统示意图；

图6是本发明的模块框图示意图；

图7是本发明的保护系统保护过程示意图。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，应当指出的是本发明并不局限于下述实施例；

在图2、3、4、5、6或7中所述的电解槽电压保护方法及保护系统，由于电解槽出现任何故障，电解槽槽电压和系列电流均产生相应变化。针对这一特点，本发明槽电压保护系统通过采集电解槽槽电压和系列电流，精确判断各种不同的工艺状况，发出报警信号和保护动作信号，并有机地与整流所稳流系统和整流所综合自动化系统融合一体，实现故障时迅速降系列电流，必要时控制整流机组开关进行系列停电，以使事故最小化，保证人身和财产安全，减免损失，便于更快恢复生产；在保护报警后，给供电人员及电解人员提供了一定的处理时间，能给电网调整留出足够的时间，为电网安全稳定运行提供了有力保障。

所述电解槽电压保护系统技术说明如下；

槽电压检测回路，电解车间为不接地系统，其理想零点如图2所示；当电解槽在运行过程中出现其它可能的接地时，零点将移至接地点。理论零点在系列中点，电解槽槽两端对地电压可达到750VDC；当存在其它接地零点，电解槽槽两端对地电压可高达1500VDC。故槽电压检测回路需充分考虑对地高电压绝缘的要求。

本发明所述系统槽电压检测回路选用日本爱模M-SYSTEM隔离器，所述电路如图3中所示：

输入端：电解槽两端电压(0-100VDC相对电压)；

输出端：4-20mA/1-5V；

电源：24VDC/220AC；

绝缘电阻：输入端-输出端-电源端大于100MΩ；

隔离强度：输入端-输出端-电源端-地面间AC2000V/1min；

本发明所述电压保护系统控制单元；

电压`保护系统控制单元分主控制器和分控制器。

以工段为单位配置分控制器。分控制器选用SIEMENS S7-300PLC，用于完成本工段槽电压保护系统的信号采集、逻辑判断、报警运算、动作运算等功能。分控制器详细配置如下：

电源模块：PS-307，为分控制器提供电源；

CPU控制模块：CPU315-2DP，实现逻辑判断，完成本工段报警运算和动作运算；

网络通讯模块：CP343，实现并完成与主控制器和计算机系统的以太网连接和数据交换；

信号采集模块：SM331，完成经由槽电压检测回路隔离器隔离变送之后的的槽电压信号采集、系列电流信号采集。

一个电解系列配置一套主控制器。主控制器选用SIEMENS S7-300PLC，实现逻辑判断，完成保护动作出口等功能。主控制器详细配置如下：

电源模块：PS-307，为主控制器提供电源；

CPU控制模块：CPU315-2DP，实现逻辑判断，完成槽电压保护动作出口；

网络通讯模块：CP343，完成与分控制器和计算机系统的以太网连接，采集分控制器动作运算结果；

动作输出模块：SM322，完成降系列电流和停系列电源的动作出口。

所述保护系统出口回路；

本槽电压保护系统通过主控制器动作输出模块SM322输出控制接点信号，出口回路包括两部分：

A、与整流所稳流系统连接，通过接点信号输出，完成降系列电流；

B、与整流所综合自动化系统连接，通过接点信号输出，完成整流机组电源侧开关分闸，实现电解系列停电。

所述保护系统网络结构；

本槽电压保护系统采用以太网结构，主控制器、分控制器、后台计算机系统均通过以太网连接实现数据交换，其网络结构图如图3所示：

组网部分及原理：

一、电压信号采集，所述电压信号可分为三种方法来采集；

1、使用槽控机数据。电解槽槽控机是安装在电解槽处的自动控制系统，每台电解槽都有一台槽控机，由上位机下达参数指令，槽控机就忠实的执行上位机下达的各种指令，无论与上位机是否联机都照保存的参数执行。槽控机是通过采集电解槽电压和供电传过来的电流信号来判断电解槽状况的，这一点和本发明的思路是一样的，并且槽控箱是电脑单片机，可以与本发明的保护所连接，所以我们可以直接使用槽控箱所采集的电压数据。

2、采用计算站上位机电压数据。上位机是对槽控机的数据保存、参数修改，报表的生成、打印。本发明可以直接把上位机的电压数据进行分析，对高电压数据进行分离出来，单独判断。

3、采用电压隔离器采集电压数据。电压隔离器把直接电压经过隔离，输出能让信号采集模块SM331识别的4-20mA的电流信号，从而让保护得到及时可靠的电压数据。

本发明采用电压隔离器的原因有以下几方面：

1、数据精确、传输速度快。电压隔离器具有精确度高、传输速度快，达到20ms的速度，适合保护的特点。是本发明首选对像。

2、槽控机本身就是一台单片机，存在着死机的风险，如果受资金限制的情况下，可以做为一种电压采集的方法。

3、上位机本身就是一台电脑，可以对高电压槽进行判断，但以我厂“需要说明的是，本发明所述实施例已伊川二铝厂为阐述背景”为例，上位机经常存在现工段槽控机“不联机”、接口机故障等，造成数据中断，因此不属本发明首选的电压采集方法。但如果将其按电解槽电压保护思路进行修改，将是成本最低的一种方法。不排除为减少投资而使用此种方法。

二、如图4中的组网和处理系统；

1、现在采用的组网属单独的组网系统，是由电压隔离器发出的电流信号，传到信号采集模块SM331再经网络通讯模块CP343把数据传到主控制器系统上和WinCC后台计算机系统上去显示并报警和数据存档；动作判断及出口输出。

2、主控制器系统经过以太网系统接收到分控制器系统传出的电压信号，作为分析判断的依据。

3、主控制器系统通过信号采集模块SM331将接收供电大母线的电流数据和各整流柜出口母线上的电流数据总加后的数据。供电直流大母线电流数据是在电解车间母线进线端的直流电流传感器的电流信号经电流隔离器转换后传来的大母线电流数据。供电自动化控制系统上把各整流柜出口母线的直流电流传感器经电流隔离器转换后的数据相加用以判断各整流柜的输出平衡，我们从中并出一组数据，用以对我们保护中电流数据的校正。

4、在主控制系统的CPU控制模块CPU315-2DP内写入我们的保护程序，从而让主控制系统驱动DO动作输出模块SM322进行保护输出来动作降系列电流和停机的自动操作。

5、DO动作输出模块SM322驱动电子继电器，来控制整流机组的跳机。DO动作输出模块SM322通过与供电自动化控制主机相连接，控制其执行系列降电流操作。

6、如果使用槽控机或计算站上位机作电压信号源时，只用将主控制器系统的网络通讯模块CP343修改技术协议，与槽控机或上位机通讯协议相一致就可实现，省去了组网的各工段分控制器系统。

7、最简单的办法就是在计算站上位机程序里加入高电压保护的程序，并增加动作出口模块就可实现。只是在读取电流数据中加入总加电流数据就可以了。但我们上面已经提出过，为保护的安全可靠性，所以这不作为首选项。

槽电压保护跳闸说明；

一、槽电压保护系统通过主控制器动作输出模块SM322输出控制接点信号，出口回路包括两部分：

1、与整流所稳流系统连接，通过接点信号输出，输出一个脉冲信号到主控柜，主控柜向六台整流柜同时输出一个脉冲信号，并根据槽电压保护主控制器输出的信号，只要主控制器输出的信号不返回，主控柜一直向六台整流机组发降电流的命令。

2、与整流所综合自动化系统连接，通过接点信号输出，并通过硬接点，直接输出到整流机组高压侧开关的跳闸线圈，使六台整流机组同时跳闸，实现电解系列停电的目的。

二、保护系统网络结构；

本槽电压保护系统采用全以太网结构，主控制器、分控制器、后台计算机系统均通过以太网连接实现数据交换，主控柜、单机PLC，构成机组总降电流及断开六台机组高压侧开关的目的，其网络结构图如图5所示：

三、报警与显示：

1、后台计算机系统的功能分为：接收以太网的电压、电流数据，对电压、电流数据及换算出来的电阻数据进行数据和曲线显示，报表生成、打印，对各控制系统程序参数的修改，动作软压板的投退，保护投入、试验、焙烧槽保护之间的转换，报警提示及报警声音发出，报警复归。

2、后台计算机系统如果使用计算站电压数据，所采集数据和主控制器系统一样，读取槽控机传上来的电压信号，并读取主控制器系统传来的电流信号。

3、如果使用计算站上位机来实现显示报警，只需在供电主控制室安装显示终端及声音报警就可以实现。

4、保护显示要求在供电及计算站同时显示，因此需经视频分配器将视频信号分配，使用两个显示器及声响设备。

四、保护的可靠性：

本发明在做保护的时候充份考虑到电解槽电压的可靠性，为此本发明做了以下努力，可以避免所有可能发生的误动作事情的发生。

1、所使用的电流隔离器采用进口优质的，耐压达到0-100V，但击穿试验时的耐压AC2000V/1sin十分钟能正常使用。

2、为防止因降低系列电流而看似槽电压不到相对高度，但阳极已经快要出现离极现象，从而造成事故发生，因此我们采用电阻进行并列判断电解槽高电压，也就是把每台电解槽电压与电流相除，得出的槽电阻，R＝U/I，再把所得槽电阻与额定电流相乘，得出的电压U＝IR再进行电压判断，是否达到设定的高电压，是否需要报警或进行动作出口。

3、为防止电流信号断线，造成因槽电阻大而产生的高电压误报警信号，我们采取了使用整流柜总加电流与直流大母线电流相比较的方法，如果两者相差大于5KA时，就屏蔽动作出口，从而杜绝误动的发生。

4、当系列电流低于100KA时，其电阻报警就不明确了，我们就把低于100KA时的电阻报警给关闭，其实此时的电解槽也是在众人的重点的监控之下的，不会造成大的事故，更不会造成脱极现象发生。

5、为防止因瞬间电压过高造成保护动作，在保护的各项动作出口参数设定中有一项延时时间，这是可设定的，在降电流动作时，我们选择500ms；在延时停电选项中，我们设定为2000ms；在不延时停电选项中，我们可不选，或根据企业需要设定为延时100ms。

6、为防止保护系统在发出降系列电流动作时，达到跳整流机组的条件，而同时发出两种动作出口，造成设备损坏，我们设定在下一级动作出口动作时，上一级动作停止动作。

7、大型电解铝厂的电解车间有千米之长，两个车间并列到供电可能有1300米之远的距离，为防止引起雷击造成保护烧毁，我们只走光纤，隔离电源从两个电解车间的净化隔离变引出，并经UPS电源供电。

第五部分，出现需保护时的动作步逐(以电压隔离器组网为例)：

如果300KA系列电流的一个系列，在一个电解车间的进线的第一台电解槽出现高电压效应，(我们暂定作101#电解槽)，如果此槽发生放炮爆炸将造成一个系列的电解槽有可能全部事故停槽的严重后果。我们的保护将有以下工作：

1、电压隔离器将槽电压信号转换成4-20mA的电流信号，送到分控制器的信号采集模块SM331，经过PLC处理，经网络通讯模块CP343送到主控PLC。

2、主控制器网络通讯模块CP343通过以太网收到电解车间分控制器发来的整个系列的电解槽单槽电压数据，进行内部运算判断。

3、后台计算机系统同时也收到电解车间分控制器发来的整个系列的电解槽单槽电压数据，进行内部运算判断。

4、供电监控屏及计算站监控屏上显示各车间电解槽的适时电压数据。此时，因出铝造成101#电解槽电压升高，槽控机动力箱此时失电，不会自动下降阳极，人员操作失误，把下降阳极误按上抬阳极，所以造成101#电解槽电压迅速升至55V，拉来高电压阳极效应。随着出铝抬包的撤离，电压还在继续上升之中。

5、后台计算机系统上显示101#电解槽电压55V并在上升中，报警提示101#电解槽电压大于50V，报警声响。计算站同进出现相应的报警显示及声音。

随着此电解槽电压继续上升，已经达到了60V时，

6、后台计算机系统上显示101#电解槽电压60V并在上升中，报警提示101#电解槽电压大于60V，报警声响。计算站的保护显示屏同样出现相应的报警显示及声音。半秒钟后报出出口动作报警，保护总控制器发出降电流的指令，经供电自动化控制系统的PLC进行执行，按每秒降5KA速度执行。

7、随着系列电流的降低，101#槽的槽电压也相应降低，但其决定相同电流时的阳极高度没有变化，所以此槽的槽电阻不变，因此我们判断此槽并没有到安全范围之内(虽然不会因高电压而击穿短路口绝缘板，但还存在离极的可能性)，用槽电阻判断的槽电压还在60V以上，也使主控制器的动作出口继续发出降电流指令，为在电解车间处理101#电解槽高电赢得足够的时间。

8、如果系列电流降到150KA时，我们的电阻判断数据被屏蔽了，所以就不再降系列电流了，在这其间如果电解槽内的阳极继续上升的情况下，早就进入到下一级报警动作了，不进入下一级就说明此时的阳极已经稳住了，不再进一步上升了，所以也就没有必要再下降系列电流了。

9、如果在60V保护动作降系列电流的同进，101#电解槽的阳极还在继续上升，我们的保护就会根据槽电阻判断出此时的阳极还在上升，当达到300KA全电流70V时的电阻时，保护就会报出101#电解槽电压70V报警，在设定的2000ms不能恢复时，保护就会动作跳机出口，跳开六台整流机组开关，使整个电解系列停电。此时给电解车间内处理101#电解槽问题有更安全的时间和机会。

10、假如101#电解槽系天车拉着阳极或其它外力造成阳极迅速上升，脱离电解质，形成离极，我们的保护系统就会迅速报出：101#电解槽高电压50V报警、101#电解槽高电压60V报警、101#电解槽降系列电流出口动作、101#电解槽高电压65V报警、101#电解槽高电压70V报警、101#电解槽跳整流机组出口动作。此时电解车间直流电全停。

11、电解槽在焙烧时阳极是不动作的，因此其电压变化应该是很小的，我们设定焙烧槽的电压保护是基于以后将进行残阳极启动时，造成电流偏流严重时，可能形成阳极爆炸块承受不了强大的电流而击脱，一块阳极脱极后，这组极就不能导电了，电解上的电流是稳定的，应该分配到此组阳极的电流也就又偏到其它阳极上，很容易形成大面积的脱极，从而造成电解槽离极放炮爆炸，因此我们在设计时只选用了两个状态，就是报警和动作跳机。一般在报警后电解车间很快就能把脱落的阳极块更换出来，跳整流机组动作出口只是在特殊情况下做到万无一失。动作及报警原理同高电压一样。

12、低电压只存在报警，不存在动作出口，因此只在后台监控计算机上报告，在供电及计算站报出报警信号，主要是防止槽压线断线影响到保护的可靠性，或因运行中阳极下滑，引起大母线打火、阳极击脱。

电解槽电压保护系统功能说明；

1、电压保护系统特点：

槽电压保护系统主要特点如下：

1)采用全数字化设计，所有的逻辑判断均实现数字化运算。

2)槽电压信号采样周期小于20mS，完全满足电解槽保护功能的要求。

3)设置低压共三段、高压共五段报警和保护，满足电解槽各种工艺条件报警和保护出口要求。

4)设置焙烧启动报警共二段报警和保护，可根据焙烧启动的需要，可对单台电解槽设定报警值，满足焙烧启动时的各种工艺条件的保护要求。

5)逻辑判断采用模块化设计，可方便各台电解槽功能的投/退。

6)人机界面人性化，方便监控和各种定值设定。

7)电压判断和电阻判断相互闭锁。

8)与整流所综合自动化系统和整流所稳流系统有机结合。

所述保护系统实现功能说明；

槽电压保护系统可以实现三段低电压报警和五段高电压报警及动作：低电压一段：槽电压小于3.8VDC，低电压一段报警；

低电压二段：槽电压小于1VDC，低电压二段报警，判断信号断线；

低电压三段：备用；

高电压一段：槽电压大于50V时，高电压一段报警；

高电压二段：槽电压大于60V时，高电压二段动作，延时动作出口，降系列电流；

高电压三段：槽电压大于65V时，高电压三段动作，延时动作出口，分闸整流机组，停系列电源；

高电压四段：槽电压大于70V时，高电压四段速断动作出口，分闸整流机组，停系列电源；

高电压五段：备用。

焙烧启动一段：在焙烧期根据当时的焙烧电压加0.8V设定，当大于报警值时，焙烧一段报警。

焙烧启动二段：焙烧槽电压大于10V时，立即高电压速断动作出口，跳闸整流机组，停系列电源。

2、所述保护系统逻辑框图；

本槽电压保护系统逻辑功能采用模块化设计，以单台电解槽为单位设置逻辑功能模块，任何一台电解槽槽电压逻辑判断均调用该功能模块。功能模块逻辑框图如图6所示：

3、后台计算机系统，所述后台计算机系统为本槽压保护系统的人机界面，选用SIEMENS WINCC监控软件。其主要功能如下：

槽电压实时数据采集及显示：实时采集和显示槽电压和系列电流信号，画面更新周期达到500mS。

逻辑功能模块设定：以电解槽为单位配置逻辑功能模块设定功能，每个电解槽功能模块可单独投入/退出运行、投入/退出电压判断功能、投入/退出电阳判断功能、工作/试验位置选择功能、正常保护/焙烧保护位置选择功能，并可监视低压共三段和高压共五段、焙烧槽二段实时报警，模块框图如图6：

定值设定：配置定值设定功能，可通过后台计算机完成对低压共三段和高压共五段的定值设定、动作时限设定、投入段数设定，完成各种闭锁功能的选择和设定，软压板的投入/退出。焙烧保护设置页面对单个电解槽焙烧保护共二段定值设定。

报警功能：后台计算机系统可实现报警功能，可自动弹出报警窗口，并实现语音报警，不同的报警信号区分不同的语音信号。

实时曲线和历史曲线：实现槽电压的实时曲线显示、历史曲线查询等功能。

报表功能：完成槽电压的班报表、日报表、月报表和年报表自动生成和存储打印功能。

所述保护系统保护过程说明；

本发明槽电压保护系统保护投入过程可通过后台计算机人机界而实现：

设定低压投入段数和高压投入段数。默认低压投入2段，即低压一段、低压二段；高压投入4段，即高压一段、高压二段、高压三段、高压四段。

设定低压和高压投入各段的定值和动作时限。默认低压一段为3.8V、低压二段为1V、高压一段50V、高压二段60V/5S、高压三段65V/2S、高压四段70V/0S。

设定焙烧槽各段定值和动作时限。实现单槽设定，一段根据焙烧槽当天电压+0.8V设定，默认二段设定为10V/0S。

投入系列电流/总加电流，设定系列电流和总加电流差值闭锁值。默认投入系列电流，闭锁值为3kA。

对应每台电解槽投入功能模块运行、投入电压判断功能、投入电阻判断功能、选择功能模块为工作位置。

投入高压二段、高压三段、高压四段、焙烧二段软压板。

投入降系列电流、停系列出口硬压板。

Claims (7)

1、一种电解槽电压保护系统，其特征在于：所述系统主要包括：槽电压检测回路、保护系统控制单元、保护系统出口回路、保护系统网络结构；

所述槽电压检测回路，电解车间为不接地系统，所述理想零点当电解槽在运行过程中出现其它可能的接地时，零点将移至接地点；理论零点在系列中点，电解槽槽两端对地电压可达到750VDC；当存在其它接地零点，电解车间进线端对地电压可高达1500VDC；

本发明选择的检测原件需要具备：

输入端：电解槽两端电压，0-100VDC相对电压；

输出端：4-20mA/1-5V；

电源：24VDC/220AC；

绝缘电阻：输入端-输出端-电源端大于100MΩ；

隔离强度：输入端-输出端-电源端-地面间AC2000V/1min；

所述保护系统控制单元；

保护系统控制单元分主控制器和分控制器：

以工段为单位配置分控制器；分控制器选用SIEMENS S7-300PLC，用于完成本工段槽电压保护系统的信号采集、逻辑判断、报警运算、动作运算功能；所述分控制器详细配置如下：

电源模块：PS-307，为分控制器提供电源；

CPU控制模块：CPU315-2DP，实现逻辑判断，完成本工段报警运算和动作运算；

网络通讯模块：CP343，实现并完成与主控制器和计算机系统的以太网连接和数据交换；

信号采集模块：SM331，完成经由槽电压检测回路隔离器隔离变送之后的的槽电压信号采集、系列电流信号采集；

一个电解系列配置一套主控制器；所述主控制器选用SIEMENS S7-300PLC，实现逻辑判断，完成保护动作出口功能；

主控制器详细配置如下：

电源模块：PS-307，为主控制器提供电源；

CPU控制模块：CPU315-2DP，实现逻辑判断，完成槽电压保护动作出口；

网络通讯模块：CP343，完成与分控制器和计算机系统的以太网连接，采集分控制器动作运算结果；

动作输出模块：SM322，完成降系列电流和停系列电源的动作出口；

所述的保护系统出口回路；

本槽电压保护系统通过主控制器动作输出模块SM322输出控制接点信号，出口回路包括两部分：

与整流所稳流系统连接，通过接点信号输出，完成自动降系列电流；

与整流所综合自动化系统连接，通过接点信号输出，完成整流机组电源侧开关分闸，实现电解系列停电；

所述保护系统网络结构本槽电压保护系统采用全以太网结构，主控制器、分控制器、后台计算机系统均通过以太网连接实现数据交换。

2、根据权利要求1所述的电解槽电压保护系统，其特征在于；所述系统槽电压检测元件选用日本爱模M-SYSTEM电压隔离器。

3、根据任一权利要求所述的电解槽电压保护方法，其特征在于；所述的槽电压保护系统保护投入过程可通过后台计算机人机界面实现：

a、设定低压投入段数和高压投入段数；默认低压投入2段，即低压一段、低压二段；高压投入4段，即高压一段、高压二段、高压三段、高压四段；

b、设定低压和高压投入各段的定值和动作时限；默认低压一段为3.8V、低压二段为1V、高压一段50V、高压二段60V/5S、高压三段65V/2S、高压四段70V/0S；

c、设定焙烧槽各段定值和动作时限；实现单槽设定，一段根据焙烧槽当天电压+0.8V设定，默认二段设定为10V/0S；

d、投入系列电流/总加电流，设定系列电流和总加电流差值闭锁值；默认投入系列电流，闭锁值为3kA；

e、对应每台电解槽投入功能模块运行、投入电压判断功能、投入电阻判断功能、选择功能模块为工作位置；

f、投入高压二段、高压三段、高压四段、焙烧二段软压板；

g、投入降系列电流、停系列电源硬压板。

4、根据权利要求3所述的电解槽电压保护方法，其特征在于；

1)、电压隔离器将槽电压信号转换成4-20mA的电流信号，送到分控制器的信号采集模块SM331，经过PLC处理，经以太网络通讯模块CP343送到主控PLC；

2)、主控制器网络通讯模块CP343通过以太网收到电解车间分控制器所发来的整个系列的电解槽单槽电压数据，进行内部运算判断；

3)、后台计算机系统同时也收到电解车间分控制器发来的整个系列的电解槽单槽电压数据，进行内部运算判断；

4)、供电监控屏及计算站监控屏上显示各车间电解槽的适时电压数据；

5)、后台计算机系统上显示电解槽电压55V并在上升中，报警提示某段电解槽电压大于50V，报警声响；计算站同进出现相应的报警显示及声音；

6)、随着此电解槽电压继续上升，当达到了60V时；后台计算机系统上显示该段电解槽电压60V并在上升中，报警提示该段电解槽电压大于60V，报警声响；计算站的保护显示屏同样出现相应的报警显示及声音；1/2秒钟后报出出口动作报警，保护总控制器发出降电流的指令，经供电自动化控制系统的PLC进行执行，按每次降5KA速度执行；

7)、随着系列电流的降低，该段槽的槽电压也相应降低，但其决定相同电流时的阳极高度没有变化，所以此槽的槽电阻不变，因此我们判断此槽并没有到安全范围之内，当然虽然不会因高电压而击穿短路口绝缘板，但还存在离极的可能性，用槽电阻判断的槽电压还在60V以上，也使主控制器的动作出口继续发出降电流指令，为电解车间值班员及时处理该段电解槽高电赢得足够的时间；

8)、如若系列电流降到150KA时，所述的电阻判断数据被屏蔽了，所以就不再降系列电流了，在这其间如果电解槽内的阳极继续上升的情况下，早就进入到下一级报警动作了，不进入下一级就说明此时的阳极已经稳住了，不再进一步上升了，所以也就没有必要再下降系列电流了；

9)、如若在60V保护动作降系列电流的同进，该段电解槽的阳极还在继续上升，本发明所述的保护就会根据槽电阻判断出此时的阳极还在上升，当达到300KA全电流70V时的电阻时，保护就会报出该段电解槽电压70V报警，在设定的2000ms不能恢复时，保护就会动作跳机出口，跳开六台整流机组开关，使整个电解系列停电；此时给电解车间内处理该段电解槽问题有更安全的时间和机会；

10)、如若该段电解槽系天车拉着阳极或其它外力造成阳极迅速上升，脱离电解质，形成离极，本发明的保护系统便会迅速报出：该段电解槽高电压50V报警、该段电解槽高电压60V报警、该段电解槽降系列电流出口动作、该段电解槽高电压65V报警、该段电解槽高电压70V报警、该段电解槽跳整流机组出口动作；此时电解车间直流电全停；

11)、电解槽在焙烧时阳极是不动作的，因此所述电压变化应该是很小的，如若设定焙烧槽的电压保护是基于以后将进行残阳极启动时，造成电流偏流严重时，可能形成阳极爆炸块承受不了强大的电流而开焊，一块阳极脱极后，这组极就不通电了，电解上的电流是稳定的，应该分配到此组阳极的电流也就又偏到其它阳极上，很容易形成大面积的脱极，从而造成电解槽电压迅速升高而放炮爆炸，因此我们在设计时只选用了两个状态，就是报警和动作跳机；一般在报警后电解车间很快就能把脱落的阳极块更换出来，跳整流机组动作出口只是在特殊情况下做到万无一失；动作及报警原理同高电压一样；

12)、低电压只存在报警，不存在动作出口，因此只在后台监控计算机上报告，在供电及计算站报出报警信号，主要是防止槽压线断线影响到保护的可靠性，或因运行中阳极下滑，引起大母线打火、阳极脱极。

5、根据权利要求3所述的电解槽电压保护方法，其特征在于；槽电压保护系统可以实现三段低电压报警和五段高电压报警及动作：

低电压一段：槽电压小于3.8VDC，低电压一段报警；

低电压二段：槽电压小于1VDC，低电压二段报警，判断信号断线；

低电压三段：备用；

高电压一段：槽电压大于50V时，高电压一段报警；

高电压二段：槽电压大于60V时，高电压二段动作，延时动作出口，降系列电流；

高电压三段：槽电压大于65V时，高电压三段动作，延时动作出口，分闸整流机组，停系列电源；

高电压四段：槽电压大于70V时，高电压四段速断动作出口，分闸整流机组，停系列电源；

高电压五段：备用。

6、根据权利要求3所述的电解槽电压保护方法，其特征在于；焙烧启动一段：在焙烧期根据当时的焙烧电压加0.8V设定，当大于报警值时，焙烧一段报警。

7、根据权利要求3所述的电解槽电压保护方法，其特征在于；焙烧启动二段：焙烧槽电压大于10V时，立即高电压速断动作出口，跳闸整流机组，停系列电源。

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