论整流柜均流及均流监测的必要性.docx

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论整流柜均流及均流监测的必要性

论整流柜均流及均流监测必要性

卢玉良

进年来，国内电解工业在电解槽单槽电流不断增加，系列电压越来越高的要求下，对整流器的单机容量要求愈来愈高。

为了获得大电流输出的要求，设备制造厂家均采用了提高整流单元件容量、增加并联支路数等技术措施，整流器均流度便显得日渐重要。

一、均流与损耗

对整流设备而言，整流器的均流度是国内外有关专家极为关注的一个课题。

据悉，国外几大公司如ABB、西门子等都对均流测试非常重视，他们在上世纪80年代初就通过大量的研究实验，得到了基本一致的综合经验数据：

即整流器桥臂内均流系数每升（降）1个百分点,整流器损耗减少（或增加）约1个百分点。

因此,在国际电工委员会IEC146.1-1～1-3（1991）《半导体变流器》和国家标准GB/T3859.1～3-93《半导体变流器》及DB/T8740-1998《电化学用整流器》中,都把整流器的均流度列为变流设备的重要技术指标之一。

假设某用户整流柜的额定损耗保证值≤70KW，元件间的均流系数为0.9；若均流系数降为0.78，按降1个百分点其损耗增加1个百分点估算其损耗增加量：

每个柜损耗增加量：

70KW×（0.9－0.78）×1=5.79KW

一个柜年损耗增加：

5.79KW×8760h=5.072万度

十二个柜年损耗增加：

12×5.072万度=60.864万度

一年增加电费（按0.3元/度计）：

60.864万度×0.3元/度=18.2592万元。

以上仅为均流度降低所带来的损耗，如果考虑热损耗等因素损耗将更大。

因为整流器均流性能好坏，主要取决于各整流支路总电阻和支路间互感。

支路总电阻等于元件内阻、快熔内阻及支路内所有接触电阻之和。

实际运行中，支路总电阻受温度影响及支路内所有连接面接触压力的变化而不断增大，电阻增大损耗增加。

一般来说，各支路总电阻变化不可能一致，这样将导致整流器的均流状况越来越差，变差的均流状况致使整流器内磁场分布越来越不均匀，从而引起漏磁场局部集中现象加重，造成整流器内涡流损耗和杂散损耗增加。

二、均流与安全

均流的劣化并不直接烧毁元件，但元件的电流越大，其结温越高，高温区运行的元件其反向耐压较常温状态时大大减低，容易导致元件电压击穿，引起设备事故；当整流柜内某只整流管电流（平均电流）减小时，其他整流管电流会增加以弥补输出电流的减小。

在二极管整流系统中，整流管电流的峰值增加量是平均电流增加量的3倍；在可控硅整流系统中，整流管电流的峰值增加量至少是平均电流增加量的3倍，导通角小时甚至可以达到4～5倍。

过高的峰值电流引起发热量急剧增加，使得可控硅的结温迅速升高引起击穿电压下降，可控硅还可能因触发电流过大，以至触发电路不能正确触发，从而产生间歇现象；整流系统中一只整流管的损坏或间歇，必将引起其他整流管的工作电流增加，从而形成恶性循环。

运行中的整流器需要经常测试均流并加以调整，使之具有良好的均流性能。

常规检测方法是测量快熔两端的毫伏数来计算元件的均流系数，这种方法既麻烦又不准确。

因为整流器内元件的并联支路有几十甚至上百个，从检测第一个元件到检测最后一个元件的过程中，各支路的电流值都不是同一运行状态下的瞬时值，没有比较值是不准确的。

快熔压降不仅与电流有关，本身的内阻随温度的变化也在变化，所以“压降法”中利用压降与电流对应曲线查找出来的支路电流与实际支路电流误差很大。

特别是这种方法对人身和设备都潜在着很大的危险性。

因为现在的大功率整流设备交直流电压都在几百乃至上千伏，曾经有多家铝厂因不停电检测均流发生过人身伤害事故和交直流短路造成设备损坏事故。

有用户称他们平常测试是在停电状态下逐个进行的，但该作法存在两个弊端：

一是需要一台大电流发生器设备，工作量大且不经济；二是少一台机组运行时，损耗增加，整流效率降低；谐波含量增加，电能质量降低；电流波动加大，稳流功能降低。

例如某用户四个机组同时运行时（靠近经济运行点运行）的总损耗约为三个机组同时运行时总损耗的85%。

四台整流变移相角，两两正负对称，机组运行产生的高次谐波有相互抑制作用，少一台运行时，整流所等效相数也减少，其谐波含量增加了。

另外整流器内保护元件的快熔损坏时，有一个微动开关发出信号。

每一个柜子有一个快熔信号系统，一个熔断发出报警信号，两个熔断发出跳闸信号。

由于微动开关因质量问题经常误动发出信号，所以经常需要运行维护人员带电检查，然后停电处理。

这也是一个令人头痛的不安全因素。

为了解决以上问题，我公司推出了均流自动检测装置，可以自动监测每臂元件间均流系数、臂间均流系数、均流异常报警、硅元件电流波形记录、系列电流累加、远程通讯等功能。

快速熔断器装置的报警器的动作时间是100ms，均流检测的报警检测时间是1ms，动作时间是10ms，较好地解决了关于元件运行状况在线实时监测的问题。

三、设计方案简介

一、下位机系统的设计

本方案的下位机部分以arm9（S3C2410A）为核心，控制A/D转换器（ADS7864）对整流管的电流进行实时采集。

由于整流装置一般为12桥臂，每个桥臂最大由1--16个整流管并联而成，即共有192路需要采集的数据。

S3C2410A将采集到的192路数据通过以太网或者CAN总线传送到上位机中。

S3C2410A把采集到的数据通过液晶屏实时显示出来，还要判断采集到的数据是否异常，如果异常要通过蜂鸣器发出警报。

下位机的整个框图如下所示：

1、CPU和A/D的选型

由于均流仪要完成数据的高速采集，对CPU的运行速度要求非常高，因此我们选用arm9微处理器S3C2410A来完成设计。

S3C2410A是Samsung公司开发的一款以ARM920T为核心的32位RISC处理器，具有低价格、低功耗、高性能等特点，其提供了以下丰富的内部设备：

16KB的指令Cache和16KB数据Cache，MMU虚拟存储器管理，LCD控制器，支持NANDFlash系统引导，系统管理器（片选逻辑和SDRAM控制器），3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定时器，I／O端口，RTC，8通道位ADC和触摸屏接口，I2C总线接口，IIs总线接口，USB主机接口，USB设备接口，SD卡和MMC接口，2个SPI总线接口以及内部PLL时钟倍频器。

主频高达200MHz至266MHz。

2、A／D转换器也要选用高速的A／D，因此我们选用Burr-Brown公司的ADS7864。

ADS7864是一块高速、低功耗、单电源工作的12位A／D转换器。

ADS7864的主要特点如下：

可实现六通道同步采样；

每通道采样时间仅为2µs；

高共模抑制比的差分输入方式；

输出端有六只FIFO寄存器；

灵活的并行接口输出电路；

低功耗：

5mW。

3、数据采集电路的设计

整流装置每个整流管的信号波形是通过整流管的正弦波，经过传感器变换以后变成4-20mA的标准信号，再经过100-250欧的负载电阻转换成电压信号。

每个整流管的信号频率是50Hz，但是有效信号周期只有2mS，为了保证信号波形的完整性，我们对每个整流管以100点/mS的频率进行采集。

数据采集选用2片A/D转换器，每次测量一个臂上的信号，测量精度高于0.1%。

192路传感器信号放大以后，经过24个6进6出电子开关传送到2片A/D转换器的12个模拟通道中。

2片16选1数据选择器每次选通两个6进6出开关，即将一个臂上的12个传感器信号传送到2片A/D转换器的12个模拟通道中，A/D转换器将采样的12个传感器信号传送到S3C2410A中。

上述操作连续进行12次，每次采集一个臂的12整流管的电流，就可以将整个12臂的12个整流管的电流采集到ARM中来。

采集完192个整流管的电流以后，我们就可以计算出每点的最大值、最小值、平均值、管系数、每个臂的最大值、最小值、平均值、柜系数，并且可以实现报警功能。

下面是一些参数的计算公式：

柜均流系数=（臂电流平均值的均值/臂电流平均值的最大值）*100%；

管均流系数=（n管电流平均值/在此臂中16个管的电流平均值的最大值）*100%；

臂均流系数=（n臂电流平均值/在此柜中12个臂的电流平均值的最大值）*100%

4、数据通讯电路的设计

方案一：

使用CAN总线将下位机采集到的数据传送到上位机中，每秒钟要向上位机传送一次采样数据将144个整流管的电流传送给上位机。

我们选用Philips公司经典的CAN控制器SJA1000来完成CAN总线的功能。

SJA1000支持CAN2.0A、B协议，在实际应用中占有很大的市场比率。

方案二：

使用以太网将下位机采集到的数据传送到上位机中。

每秒钟要向上位机传送一次采样数据将192个整流管的电流传送给上位机。

我们选用台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器来实现此项功能。

RTL8019AS具有优良的性能、低廉的价格，使其在10Mbps网卡的市场上占有相当大的比例。

它的主要功能有：

符合EthernetII与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）标准；

全双工，收发可同时达到10Mbps的速率；

内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；

支持8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O基地址选择；

支持UTP、AUI、BNC自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正；

允许4个诊断LED引脚可编程输出；

100脚的PQFP封装，缩小了PCB尺寸。

5、数据显示的设计

我们选用8.3"640*480彩色液晶触摸屏对采集到的数据进行实时显示并完成参数设定的功能。

均流仪主要有以下一些画面。

欢迎画面

当均流仪开机时液晶屏首先显示开机欢迎画面，在欢迎画面的正中间显示仪器的名称，在名称下方显示生产厂家及其主页，在仪器名称上方显示的是厂标。

欢迎画面如下图所示：

主画面

欢迎画面停留3-5秒后自动跳转到主画面。

主画面显示如下图所示：

在主画面的正中央显示的是柜电流的平均曲线；在主画面的上方是一排按键，从左至右依次是中\英文切换、设置、校正等按键；在画面的右上方显示的是总电流值，在总电流值的下面是报警、传送\接收数据是否正常两个指示灯，在这两个指示灯的下面是巡检/波形、查询两个按键；在主画面的下方有一排按键，分别是臂1~臂12按键，在这12个按键的下面分别显示每个臂的电流平均值和均流值。

各个按键的功能如下：

点击中\英文切换按键，可以使画面上的文字在中文和英文之间切换；

当采集到的数据正常时（无报警）记录安全天数；当数据异常时，报警指示灯就会闪烁，均流仪将记录电流波形异常时的日期、时间、数值、报警点；

当传送\接收数据指示灯闪烁时，表示传送、接收数据正常；否则表明通讯异常；

点击设置按键就会进入设置画面对各个参数进行设定；

点击臂1~臂12按键，就会进入相应的臂画面。

3）设置画面

点击主画面的设置按键，会弹出一个密码对话框，然后输入4位数字密码，如果密码正确就进入了设置画面，如下图所示：

设置画面主要分为四个区域。

参数设定区域主要设定柜号（0-99）、时间（年、月、日、时、分、秒）、臂数量（0-12）、管数量（0-16）、总增益（0.000-10.000）、管增益（0.000-10.000）、管零点（-999.000-+999.000）、采样点（0-1000）、零点陷阱（-999—+999）、采样周期（0.000mS-20.000mS）等参数；显示设定区域主要设定显示背景、棒图色、LCD对比度、LCD亮度、背景灯（开、关）等；其它设定区域对柜电流被除数（1、2）、报警声（开、关）进行设定；在设置区域的最右方是加、减两个按键，它们是对参数设定区域的参数值以及显示设定区域中的LCD对比度、LCD亮度值进行改变；调试区域主要完成以下功能：

零点校正：

自动校正正弦波增益（平均值）；

测试D/A是否正常；

测试3个继电器的好坏；

硬件维护的检验程序：

对硬件的各个单元、组件进行自动检验；

参数设置完毕后，点击确定按键就可以返回到主画面。

臂画面

点击主画面的臂按键，就进入了如下图所示的臂画面：

在臂画面的正中央显示的是臂电流的平均曲线；在臂画面的右方，从上到下依次显示的是平均值、最大值、最小值、最大值最小的设定值、柜系数、总电流值、12个臂的平均值；在这些显示值的下方有棒图显示、返回主画面两个按键；另外在主画面的下方有一排按键，分别是管1~管12按键，在这12个按键的下面分别显示每个整流管的电流平均值和均流值。

各个按键的功能如下：

点击棒图显示按键将会进入棒图显示画面，将臂电流的平均值、最大值、最小值以棒图的形式显示出来，在棒图画面中有个调色区域可对棒图的颜色进行设定；

点击返回主画面按键，臂画面就会返回到主画面；

分别点击管1~管12按键，系统就会进入相应的管画面。

管画面

点击臂画面中的管按键，就进入了如下图所示的管画面：

在管画面的正中央显示的是管电流曲线；在管画面的右方，从上到下依次显示的是平均值、最大值、最小值、最大值最小的设定值、柜系数、总电流值、所在臂平均值；在这些显示值的下方是棒图显示、返回上级画面、返回主画面三个按键。

各按键功能如下：

点击棒图显示按键会进入管电流的平均值、最大值、最小值的棒图显示画面，在棒图画面中有个调色区域可对棒图的颜色进行设定；

点击返回上级画面按键，管画面就会返回到臂画面；

点击返回主画面按键，管画面就会返回到主画面。

其它硬件说明

电源：

AC220V50Hz（±10%）；

三组继电器开关信号输出；

一路12位D/A输出（信号转换成1-5V或4-20mA的输出）；

时钟电路，为数据记录提供精确的时间；

看门狗电路，可以使CPU在干扰造成程序跑飞后能自动复位，增强仪器的抗干扰能力；

蜂鸣器电路，当数据异常时发出报警。

二、上位机系统的设计

本方案的上位机是安装了Windows操作系统的PC机，它接收下位机传送过来的柜数据（柜电流、臂间均流系数）、臂数据（臂电流、管间均流系数）、管电流、越限报警等实时数据，以友好的图形界面显示给用户。

这个图形界面就是上位机的核心部分——监控系统；上位机监控系统可以自由设定历史数据存储周期，并以报表、曲线等形式显示历史数据；可以存储历史报警，并提供语音报警、查询、打印等功能并且可以对比各整流柜的管电流波形。

上位机监控软件主要有以下一些画面：

1）登录画面

当打开上位机运行监控系统时，首先会弹出一个如下图所示的登录对话框，当输入正确的用户名以及密码之后就进入了上位机监控系统的主界面。

2）主画面

在主界面中央显示的是柜数据、臂数据以及管数据；主界面的上方是一排菜单，分别是系统、参数、实时数据、历史数据、录波曲线、打印、帮助等菜单。

主界面如下图所示：

系统菜单里有修改密码、报文查看、清除数据、退出四个选项；参数菜单有系统参数、设备参数、校准时钟三个选项；实时数据菜单有实时数据、实时报警参数两个选项；历史数据菜单有历史数据、历史报警、历史曲线三个选项；录波曲线有同臂录波曲线、同管录波曲线、实时棒图显示三个选项；打印菜单有打印预览、打印、打印设置三个选项；帮助有关于监控系统、帮助两个选项。

3）实时数据画面

点击实时数据菜单中的实时数据选项，出现如下图所示的实时数据画面：

在实时数据画面的左上方对整流柜号进行选择；在画面右上方是数据打印、数据保存两个按键，分别对数据进行打印和保存；在画面的中央是显示实时数据的表格。

4）历史数据画面

点击历史数据菜单中的历史数据选项，将出现如下图所示的历史数据画面：

在画面的中央显示的是历史数据表格；在画面的上方对时间、柜号、臂号进行选择；在画面的右侧对柜数据、臂数据、历史数据的平均值、最大值、最小值进行选择；在画面的右下方是查询、打印、保存三个按键。

5）历史曲线画面

点击历史数据菜单中的历史曲线选项，将出现如下图所示的历史曲线画面：

在画面的中央显示的是历史曲线；在画面下方的左侧对日期、柜号、臂号、管号进行选择；在画面下方的中间对柜数据、臂数据、管数据、数据的平均值、正峰值、负峰值进行选择；在画面下方的右侧是查询、保存、打印三个按键。

4）历史报警画面

点击历史数据菜单中的历史报警选项，将出现如下图所示的历史报警画面：

在画面的中央显示的是历史报警的数据表格；在画面上方的左侧选择日期；在画面上方的中间填写查询天数；在画面上方的右侧分别是报警查询和报警打印两个按键。

5）同臂录波曲线画面

点击录波曲线菜单中的同臂录波曲线选项，将出现如下图所示的同臂录波曲线画面：

在画面的中央显示的是同臂录波曲线；在画面的下方左侧对整流柜号、臂号进行选择；在画面下方的中间是整流管的显示选择；在画面下方右侧是召唤录波、保存、打印三个按键。

6）同管录波曲线画面

点击录波曲线菜单中的同管录波曲线选项，将出现如下图所示的同管录波曲线画面：

在画面的中央显示的是同管录波曲线；在画面的下方左侧可以选择整流柜号、管号；在画面下方的中间选择显示哪些整流臂的电流；在画面下方右侧是召唤录波、保存、打印三个按键。

7）实时棒图显示画面

点击录波曲线菜单中的实时棒图显示选项，将出现如下图所示的实时棒图显示画面：

在画面的中央显示的是整流柜、臂、管电流对比棒图；在画面的右侧上方可以对柜号、臂号、管号进行选择；在右侧中间可以选择对比方式，分别为同臂对比、同管对比、柜电流对比；在右侧下方的保存图形和打印图形两个按键分别对图形进行保存和打印；

四、XD913J系列智能均流测试仪的作用

1、实时监测整流器每个元件的工作状态，异常时发出报警信号或跳闸信号，将事故尽量消灭在萌芽状态，提高了系统的可靠性。

2、实时采集了各元件的工作电流，协助维护人员调整系统均流。

避免了过去靠人工周期性地巡测每个元件压降调均流的落后方法，因是直观地反映出元件的真实电流，所以调整均流更现实。

3、保证整流系统长期均流运行，均流性能越好，磁场分布得到改善，整流柜的噪声越小，由震动引起接触状态变化造成的电流、电压波动也就越小，为稳流系统创造了必要条件。

提高了整流效率，降低了大量热损耗和为降低热损耗所消耗的费用。

4、采用均流在线监测，移相角对称的整流机组可在更长时间内同时运行，从而有效抑制谐波含量，提高了供电电能质量；整流设备损耗降低，系统谐波含量减小，延长了整流柜的使用寿命。

5、减少了人工巡测的劳动强度，避免了人工巡测的不安全因素。

五、功能特点

1、本系统采用智能型微电脑化的工作方式，能够实时动态地仿真整个整流柜的所有元件工作状态，实时发出异常时的报警信号。

2、显示所有元件工作状态直观，无需人工逐一切换，操作极为简便，只须在显示屏上简单点击便可完成所有元件电流值报警设置、总电流值报警设置、信息查看等内容。

3、全屏直观地显示出柜总电流，臂电流、所有元件电流；元件间均流系数、臂间均流系数等内容。

4、采用高速数据采集模块和12位A/D模数转换模块，采样周期短（144点≤1S），采样速率快（≤10uS），真正做到实施检测实施刷新，完全淘汰了逐点巡检的落后检测方式。

5、本系统为三级分布式集散监控系统，上位机和下位机之间通讯采用工业现场总线，可靠性高，通讯速度快，上位机在总控室可监控现场所有机组，柜的工作状态，在线修改和设置各种参数。

六、具体实施方案

1、SDA-J电流传感器为开口直插式的结构，安装时直接插在快熔与元件之间的连接铜排上；

2、XD913J智能均流仪为台式智能仪表型的结构，安装时就近固定在整流柜旁边的支架上或柜内的支架上；

3、以臂为单位，配好SDA-J电流传感器与智能均流仪的连接导线及接头，使用时直接插上即可；

4、智能均流仪以臂为单位，留有12个接口，在现场安装时，将连接好的电流传感器及导线的接插件拧紧即可；

5、下位机的通讯接口通过工业现场总线直接与上位机相连，进行信息交换；也可并入企业内部局域网内进行现代企业一体化管理。