鋁電解系列電解槽絕緣檢測系統的研究

劉 義,何 亮

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

隨著電解鋁行業(yè)大型預焙陽極電解槽技術的快速發(fā)展,其電解系列直流電流和電解槽型已經達到600 kA及以上。對于SY500 kA主力槽型而言,平均單個電解系列安裝的電解槽臺數已達到300臺以上,最高達到了372臺。

由于鋁電解直流系列及電解槽是一個暴露于空氣中的大型帶電體,即便初始安裝做了嚴格的絕緣處理,但是其安裝特點決定了在運行過程中極易因掉落導電體雜物,而使其很難始終處于較高的絕緣水平。當絕緣降低到一定程度,將導致其對地的絕緣破壞,產生大量的直流漏泄電流,不僅影響電解系列生產指標,而且也對操作人員存在很大的危險性。如果不及時發(fā)現并清除絕緣薄弱點(特別是當系列中另一電解槽絕緣又遭破壞時),勢必會造成系列中此兩處短路,電氣設備也將受到危害。同時,鋁電解槽漏電會嚴重腐蝕地下金屬構件、金屬管道和鎧裝電纜金屬保護層等。另外,鋁電解槽泄漏鋁電解質,也是一種嚴重的漏電,如果不及時檢測發(fā)現,輕則可使電解槽報廢,重則可能造成電解系列重大事故。因此,《有色金屬冶煉廠電力設計規(guī)范》 (GB50673-2011)規(guī)定:大、中型電解整流所,需按電解系列裝設電解槽和直流母線對地絕緣監(jiān)測裝置。在進行鋁電解車間設計時,應對電解系列設置絕緣監(jiān)測系統或檢測系統,確保第一時間發(fā)現電解槽或母線絕緣破壞情況,并及時進行相應處理,從而保證現場操作人員安全、降低對設備造成的危害、以便避免或減少重大事故的發(fā)生。

1 現有絕緣監(jiān)測系統分析研究

為監(jiān)視電解槽絕緣情況,在控制室設置絕緣監(jiān)測系統,絕緣監(jiān)測系統如圖1所示。絕緣監(jiān)測系統設置三只直流電壓表,電壓表V監(jiān)視全系列電壓,電壓表VP和VN在正常工作情況下監(jiān)視半系列電壓;每只直流電壓表并聯一臺直流電壓變送器,輸出4～20 mA電流信號送至PLC控制系統,實現系列電壓的在線監(jiān)測。當需要監(jiān)察電解槽的絕緣情況時,通過控制PLC控制系統的輸出接點閉合使接地電路接通,再對比電壓表VP和VN的電壓值;如果單側發(fā)生電解槽絕緣破壞, VP和VN電壓值將產生偏差,然后根據電壓偏差值判斷可能發(fā)生接地的電解槽范圍;最嚴重情況下,若VP指示很小,幾乎全系列電壓顯示在VN上,則說明左側電解槽的端部有接地情況,整流所應通知電解車間,對左側電解槽進行進一步檢查來確定具體接地電解槽并進行處理。

圖1 現有絕緣監(jiān)測系統圖

現有的電解槽絕緣監(jiān)測系統采用的是雙電壓法檢測,其檢測原理如圖2所示。這種原理利用檢測電解槽系列零點的漂移情況來判斷電解槽的接地,并通過漂移的電壓來推算接地電解槽的位置,對于電解槽系列發(fā)生單點接地情況是完全適用的。

圖2 雙電壓法原理圖

但對于以下兩種情況,這種雙電壓檢測法不能判斷和推算發(fā)生了電解槽接地及其接地位置。第一種情況如圖3所示,當接地發(fā)生在電解系列中點附近時,零點幾乎沒有發(fā)生漂移,所以不能檢測出電壓偏差。

圖3 系列中點附近發(fā)生接地圖

第二種情況如圖4所示,當電解槽系列中同時有兩臺電解槽發(fā)生了絕緣破壞,且發(fā)生位置相互對稱,這種情況下同樣不能檢測出電壓偏差。

圖4 對稱電解槽發(fā)生絕緣破壞圖

另一方面,即使檢測到電解槽系列發(fā)生了單點接地情況,但由于檢測系統無法實現自動定位接地電解槽,因此實際判斷時,僅能根據測量出的電壓偏差值進行推測,初步確定接地電解槽可能發(fā)生的區(qū)間,然后再通過人工逐個排查并最終確定。如圖5所示,以VP>VN為例,不能自動判斷和確定k～n哪臺電解槽絕緣惡化導致零點漂移到k電解槽。

圖5 不能準確定位接地電解槽圖

通過上述分析可以看出,現有電解槽絕緣監(jiān)測系統對于電解系列中點附近發(fā)生的電解槽接地和對稱電解槽發(fā)生接地等兩種情況,尚存在絕緣監(jiān)測盲區(qū),不能測量出電壓偏差、不能及時檢測電解槽發(fā)生接地;另一方面,現有電解槽絕緣監(jiān)測系統是通過零點漂移和電壓偏差情況來人為判斷和識別接地電解槽的,不能自動判斷和識別接地電解槽。因此,需研究適用性廣并能實現自動判斷和識別接地電解槽的絕緣檢測系統。

2 電解槽絕緣檢測系統研究

為解決上述技術問題,需提供一種電解槽系列的對地絕緣電阻在線檢測系統,可以實時檢測電解槽系列的對地絕緣電阻值,并根據電解槽對地絕緣電阻的大小判定電解槽對地絕緣是否破壞,以及自動識別電解槽系列中哪臺電解槽發(fā)生了絕緣破壞,從而及時通知檢修人員清除故障,確保操作人員及設備的安全。

為實現上述電解槽對地絕緣電阻在線檢測和自動識別絕緣破壞電解槽,本文介紹一種電解槽系列對地絕緣電阻檢測系統,這種檢測方法是通過在電解槽系列直流母線上外加一路低壓檢測電源,檢測電路通過接地電纜接地,檢測電流經電解槽和接地電路流回檢測電路。PLC系統對檢測電路電壓信號變換器和中點接地電路輸出的4～20 mA信號進行采集,然后由PLC系統軟件算法對采集的數據進行運算處理,連續(xù)自動檢測電解系列電解槽的對地絕緣電阻,并將對地絕緣電阻值與設定值進行比較。該檢測系統的原理圖如圖6所示,其主要配置結構如下:

圖6 電解槽系列的對地絕緣電阻檢測系統原理

(1)隔離變壓器,用于提供交流工作電源;

(2)隔離變壓器二次側的一端與分壓的電阻、限制電流值的電感線圈、隔離直流電流的第一電容串聯后與連接直流母線的連接電纜連接,隔離變壓器二次側的另一端與整流橋的a端連接,整流橋的b、c端之間并聯有分壓及電阻值調節(jié)的變阻器和減少輸出電壓脈動的電容,整流橋的d端與接地電纜連接;

(3)在變阻器兩端并聯電壓信號變換器;

(4)在直流母線串聯的電解槽的中點與地之間,設有用于檢測電解槽系列中點電壓的中點接地電路。

3 具體實施方式

結合圖6,對電解槽系列對地絕緣電阻檢測系統的具體實施方式說明如下。

隔離變壓器用于提供交流電源;隔離變壓器二次側的一端與分壓的電阻、限制電流值的電感線圈、隔離直流電流的第一電容串聯后,與連接直流母線的連接電纜連接。電阻、電感線圈、第一電容與隔離變壓器二次側串聯的順序為電感線圈、電阻、第一電容或電感線圈、第一電容、電阻,串聯的電感線圈、電阻、第一電容的兩端設有熔斷器;隔離變壓器二次側的另一端與整流橋的a端連接,整流橋的b、c端之間并聯有分壓及電阻值調節(jié)的變阻器和減少輸出電壓脈動的電容,整流橋的d端與接地電纜連接;在變阻器兩端并聯電壓信號變換器,電壓信號變換器用于變換信號。所述的隔離變壓器、熔斷器、電感線圈、電阻、第一電容、電容、變阻器、電壓信號變換器構成的電路,設置在箱體內并安裝在整流所內;在直流母線串聯的電解槽的中點與地之間,設有用于檢測電解槽系列中點電壓的中點接地電路。

絕緣電阻檢測系統使用時,通過連接電纜接至整流所直流母線的正極或負極上,接地電纜接地;通過電壓信號變換器對變阻器的電壓值進行實時采集,電壓信號變換器和中點接地電路輸出4～20 mA信號遠傳至PLC系統。PLC系統對采集的數據進行運算處理,得出電解槽系列的對地絕緣電阻值,PLC系統將對地絕緣電阻值與本身的設定值進行比較。當電解槽系列對地絕緣良好時,沒有交流電流流過直流母線,此時,檢測電壓值為0 V,對地絕緣電阻為無窮大;當電解槽系列發(fā)生絕緣惡化或破壞時,交流電流通過直流母線、電解槽系列對地絕緣破壞點、檢測裝置接地點,流回檢測裝置電源的負極,對地絕緣電阻低于設定值,則PLC系統判定電解槽系列對地絕緣破壞。同時,PLC系統根據中點接地電路檢測的電壓值,通過軟件算法準確判定絕緣破壞的電解槽位置。

4 結 語

綜上所述,通過對現有鋁電解系列電解槽絕緣監(jiān)測系統進行分析,針對存在的監(jiān)測盲區(qū)和不能自動判斷識別接地電解槽等方面的問題,提出了解決方案。通過研發(fā)的電解槽系列的對地絕緣電阻在線檢測系統,能夠實現在線檢測電解槽系列的對地絕緣電阻值,并根據電解槽對地絕緣電阻的大小自動判定電解槽對地絕緣是否破壞,以及自動識別電解槽系列中哪臺電解槽發(fā)生了絕緣破壞。

采用該檢測系統和方法后,能夠及時、準確地發(fā)現電解槽的絕緣破壞或接地,確保接地故障得到及時處理,避免了因未能及時發(fā)現導致的接地故障擴大、對企業(yè)造成重大經濟損失等問題。這種電解槽系列的對地絕緣電阻在線檢測系統,更加符合鋁電解系列安全可靠生產的需求。