铝电解槽生产控制系统过电压保护

李庆华

摘 要：本文通过对影响铝电解槽生产控制系统正常运行的过电压进行分析，根据过电压产生的特点，分别对直流母线、供电电源加装过电压吸收装置，对电源线、信号线进行屏蔽接地处理，从而减少铝电解槽生产控制系统过电压危害，提高电解工艺生产控制的稳定性。

关键词：铝电解槽 生产控制系统 过电压保护 等电位连接 接地电阻

一、过电压对电解槽生产控制系统的危害

铝电解槽自动化生产控制系统是整个电解铝生产控制的枢纽，在电解铝生产中发挥着巨大的作用，电解铝生产也越来越依赖控制系统进行管理及生产控制，但由于这些生产控制系统和设备耐过电压能力低，雷电高电压以及雷电电磁脉冲侵入所产生的电磁效应、热效应都会对控制系統和设备造成干扰或永久性损坏。一旦自动化生产控制系统发生故障，将会使整个生产控制系统瘫痪，甚至会导致工厂短暂停产等事故。某铝业公司的三个电解分厂电解槽生产控制系统均采用CAN总线控制方式。控制系统主要包括直流母线排、主控制室、隔离变电源、电解槽控机、NETBXO转换箱、电流频率转换器、电流信号驱动器及接地等电位连接等系统单元。2011年6月25日凌晨1时20分电一、电二槽控机遭受雷击，雷击造成电一7、8区，电二3、4、5、6、7、8区通讯及单槽故障。

电一、电二雷击损坏板件统计：主显板 19块、VFC板13块、智能通讯板7块、中继器2个、CPU板 1块、电源块 1块、重复器 1块，造成了槽控机大量内部板件损坏，难以在短时间内全部修复，对维修及库存备件造成很大压力，对生产也造成了影响。实例说明过电压保护关系到铝电解生产控制系统能否正常安全运行，所以有必要对铝电解生产控制系统采取过电压保护。

二、过电压入侵铝电解槽生产控制系统分析

过电压入侵槽控机控制系统主要有：电源线路入侵，通信线路，数据线路入侵，地电位反击等几种途径。

1、过电压的产生

1.1直击雷，直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000KV，电流峰值一般在100KA以下，具有极大的破坏力。如电解厂房直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响：a：巨大的雷电流在数微秒时间内流入地下，使地电位迅速抬高，造成反击事故，危害人身和槽控机设备安全。b：雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。c：雷电流流经槽控机等电气设备，会产生极高的热量，诱发火灾或爆炸事故。

1.2感应雷，远处的雷电活动以及云层之间的频繁放电，产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的过电压，峰值可达50KV，同样对槽控机设备有损坏能力。

1.3开关过电压，供电系统中的电感性和电容性负载启动或断开、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的数倍，从而损坏电解槽的电气设备。

2、过电压对槽控机设备的危害

2.1损坏槽控机内元器件，a：过高的电压使槽控机器件内部过热或击穿半导体结（PN节），造成器件的永久性损坏。b：较低而更为频繁的过电压冲击虽在槽控机元器件的耐压范围之内，但易使器件加速老化，工作寿命大为缩短。C：电能转化为热能，毁坏触点、印刷电路板，甚至造成火灾。

2.2破坏数据文件及设备误动作，a：过电压造成槽控机通讯传输和存储的数据受到干扰或丢失，信息控制网络不稳定。B： 过电压使槽控机设备误动作、死机，甚至系统瘫痪。

因此，应该根据实际情况具体分析，采取相应的防过电压保护措施，确保电解槽生产控制系统安全、稳定地工作。

三、铝电解槽生产控制系统过电压保护措施

（一）依据GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》5.4.2条、GA371-2001《计算机信息系统实体安全技术要求》第5.4.3规定：电源进线、信号传输线在进入计算机信息系统设备时必须安装电涌、信号保护器（防雷器）；第5.4.7条：“信号线上安装的电涌保护器，其通流容量、插入损耗、驻波、频率、带宽等参数应符合信息系统的匹配要求”。对焦作万方铝电解槽生产控制系统进行过电压保护，具体措施主要采用分流、屏蔽、等电位连接和过电压保护。

1、分流，利用电解厂房周围避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在电解厂房和槽控机设备上。

2、屏蔽，铝电解自动化生产控制系统所有的金属导线，包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个屏蔽罩。用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）在线路上感应过电压。

3、等电位连接，等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来。

4、过电压保护，在直流母线、槽控机设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。

（二）实施方案，某铝业公司针对电解槽生产控制系统运行环境及现状进行防雷措施，防雷器选用德国OBO系列防雷产品。

1、直流母线过电压防护，在每个电解分厂直流母线的正极安装1套德国OBO直流电源防雷器；

2、计算机站雷电防护，按照标准规定计算机站供电系统需要进行三级电源保护，即在计算机站总电源柜实行电源第一级防雷保护，计算机站分配箱/柜实行电源第二级防雷保护，终端设备实行电源第三级防雷保护。同时计算机站从室外引入的以太网信号线和电流分配箱 （系列电流、电压信号线：4—20mA）也加装相应的防雷器综合保护。

3、隔离变电源雷电防护，按照标准规定供电系统需要进行三级电源保护，即在隔离变电源柜实行电源第一、二级综合防雷保护，槽控机逻辑电源实行电源第三级防雷保护，每个工区光纤箱电源处和第一台、末台槽控机处安装电源防雷器。

4、槽控机雷电防护，每台槽控机的电流信号线、通信信号线端需要分别安装相应的防雷器进行防雷保护。即每一台槽控机通讯CAN-H/CAN-L与地之间、电流IP+/IP-与地之间加装OBO ASP-V11E1/4防雷器，并且在通讯线路中各加装四个RS485 rep-2两通道rs485隔离中继/转换器，在线路中起到隔离、加强信号的作用。

5、贯通地线、接地与等电位连接处理，计算机站和电解厂房均有接地体，接地阻值小于4欧姆，可以满足防雷器接地要求，计算机站大楼有良好接地系统，将接地线分别引到各用电设备端和防雷器接地端。电解分厂厂房侧面均有接地引线端，采用镀锌扁钢将各个接地引线端良好连接后形成一个贯通地线，固定在电解厂房槽控机一侧的外侧，再从贯通地线引BV10mm2多股铜线到每个槽控机下方的接地汇流铜排上，防雷器接地线和信号屏蔽线接地线采用BV2.5-6mm2铜线均与接地排良好连接。

四、改造效果

某铝业公司对铝电解槽生产控制系统进行过电压保护改造后，未在发生电解槽生产控制系统遭受过电压的侵害，避免了因槽控机受过电压损坏，而影响电解系列的正常生产。

参考文献：

[1]GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

[2]GA371-2001《计算机信息系统实体安全技术要求》