简析铝电解机组控制系统的防磁方法

高 莹

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

简析铝电解机组控制系统的防磁方法

高 莹

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

本文提出了电解车间强磁场环境对电解机组电控系统的影响，给出了电解车间磁场的近似计算方法，同时，通过检测电解车间地面磁场及电解机组桥架附近磁场，对电解车间强磁场进行了详细的技术分析，给出了在电解机组电控系统设计中，采取的防护和抑制措施，取得了满意的效果。

强磁场； 干扰； 抑制

0 引言

近年来，国内电解铝行业得到了迅猛发展，电解厂房越来越长，电解电流越来越大，由于电解过程中产生了数十万安培的电解电流，所以电解车间投产以后，由于电磁感应，在电解车间内产生了强大的磁场。这一磁场对运行在该车间的各种设备产生了很大影响。铝电解多功能机组(以下简称电解机组)是电解车间的重要操作设备，用于完成打开电解槽电解质结壳、更换阳极、清理阳极坑、电解槽加料、母线提升、吸出铝水、安装和检修电解槽等操作，这一设备代替了早期电解铝生产中的人力操作，降低了工作人员的劳动强度，是电解车间必不可少的重要操作设备。然而该设备运行在电解车间，也无疑受到了电解车间强磁场环境的影响，特别是电解机组的电气控制系统，受到的影响更大。如果不采取措施或采取措施不当会出现电解机组启动困难[2]、PLC通讯异常、接触器释放困难、电气元件使用寿命降低等问题。较早时期，虽然制造厂商在设计和制造过程中采取了很多克服磁场和抑制磁场干扰的措施，还是经常有以上所述问题出现，设备成型以后，这些问题解决起来都比较困难，所以必须深入了解电解车间的磁场，并采取有效的防护和抑制措施，从而保证电解机组在电解车间高效、稳定的运行。

1 电解车间磁场分析

电解槽为多点进电设备，由于每根母线上的大电流存在，所以在进电母线周围会产生磁场，单根母线周围产生的磁场根据毕奥- 萨伐尔定律可知：

dB=(μ0/4π)×(Idlsinθ/r2)

(1)

电解槽进电母线旁P点与母线相对位置如图1所示：

图1 P点与母线相对位置示意图

母线的起点为C，终点为D，C和D之间的距离为l，P点与母线的夹角为θ，视母线为近似直线[1]，则磁场强度计算公式(2)为：

(2)

μФ
l=r0cotθ

(3)

r=r0/sinθ

(4)

dl= (r0dθ)/sin2θ

(5)

(6)

因在电解车间内，进电母线一段接着一段，一般长达1 000 m以上，这里将母线长度近似为无限长[1]，则：

θ1≈0

(7)

θ2≈π

(8)

B=(μ0I)/(4πr0)

(9)

即：

B=(μ0I)/(4πr)

(10)

从公式(1)～公式(10)可知，磁场强度的大小和母线电流I和与母线的距离r有关，而在固定的铝电解车间，母线电流是基本固定的。所以，与母线之间的距离是影响磁场的唯一因素。从上式可知，离母线越近，磁场越大，离母线越远，磁场越小。

以上分析为理论分析，多处采用了近似计算，存在一定的计算误差，而且电解车间的实际环境中还存在着磁场的互相叠加及导磁材料在磁场环境被磁化等多种因素影响，使得铝电解车间的磁场环境非常复杂[3]。为了更好的了解电解车间的磁场分布情况，笔者进行了现场检测；1- 48号电解槽为一组，49- 94号电解槽为一组，两组电解槽中间是通廊，电解槽的车间分布图如下：

图2 铝电解车间电解槽分布图

选择靠中部的电解槽从供电侧到非供电侧选择9个基准点，分别以X、Y、Z方向进行检测。

图3 地面磁场强度测量示意图

由检测结果绘制成如图4曲线：

图4 铝电解车间磁场强度分布图

另外，根据测量结果，得到了车间内磁场方向分布图，见图5：

图5 铝电解车间磁场方向示意图

根据以上测量结果笔者进行如下分析：

(1)距离电解槽进电母线越近的地方，磁场强度越大，距离电解槽进电母线越远的地方，磁场强度越小。

(2)按厂房设计，供电侧通道宽度为4.5 m左右，烟道侧通道宽度为2.5 m左右，这样一来，供电侧通道离母线的距离比烟道侧通道离母线的距离远，所以，供电侧磁场强度比烟道侧磁场强度小。

(3)由于磁力线为椭圆形，在电解槽的中部，磁力线成拱桥形状，所以在距离地面较近的地方，出现了电解槽两边磁场比电解槽中部磁场大的情况。

(4)在导磁材料制成的设备旁边，因该材料设备在强磁场环境中被磁化，所以在导磁材料设备的附近磁场较高，特别是在导磁材料表面，磁场强度特别高。

本文的主要目的是研究铝电解车间内的磁场对铝电解多功能机组电气设备的影响，所以，对铝电解多功能机组桥架上进行了磁场检测，方法同地面磁场检测。根据检测的结果，也绘制了铝电解过功能机组桥架上1.5 m高度位置的磁场强度分布图，见图6。

图6 铝电解多功能机组桥架磁场强度分布图

根据以上测量结果进行如下分析：

(1)由于供电侧通道比烟道侧通道宽，供电侧通道距离电解槽进电母线相对较远。所以，在电解机组桥架上，供电侧磁场比烟道侧磁场小。

(2)由于磁力线为椭圆形，在电解槽的中部，磁力线成拱桥形状，所以在距离地面较远的电解机组桥架上，中部磁场强度比两边的磁场强度大。

(3)在导磁材料制成的设备旁边，因该材料在强磁场内被磁化，所以在导磁材料设备的附近磁场较高，特别是在导磁材料表面，磁场强度特别高，某些安装在厚钢板表面的电气设备难以正常工作。

2 电解车间强磁场对电解机组电气设备的影响分析

上文中已经对电解车间的磁场进行了详细的分析，而电解机组电气设备上存在的哪些问题是因强磁场的存在造成的，强磁场是怎样影响电气设备的，还需进一步分析，了解实际情况之后，便于提出有效的解决方案，抑制电解车间强磁场对电解机组电气设备的影响。

(1)电解机组启动困难

首先，由于电解机组的车轮属于导磁材料，而电解车间的轨道也属于导磁材料，导磁材料在电解车间的强磁场环境中被磁化，所以在电解机组车轮和车间轨道的表面都形成了强大的磁场，如图7所示：

图7 电解机组车轮和轨道位置示意图

在1- 12的位置上都会产生较大的磁场强度，从而使这些点和车间轨道之间产生了强大的吸力，而由于车轮所处较大磁体端梁的位置不同，使得“1”和“2”、“4”和“5”、“7”和“8”、“10”和“11”的吸力都有较大差异，当每个车轮的两个边缘所受吸力不同时，就可能产生与电解机组启动方向相反的力，在电解机组启动时产生了较大阻力，这是造成电解机组启动困难的一个主要原因。其次，虽然电解车间磁场是相对稳定的，但是磁场的分布是不均匀的，也就是说不同位置的磁场强度也会有较大差别，而电解机组的大梁和端梁形成了一个具有导电性能的金属环，在电解机组启动和行走时，很有可能造成电解机组形成的金属环内磁通发生变化，从而产生电动势和电流，使其产生了与电解机组启动和行走方向相反的力，这是电解机组启动困难的另一个主要因素。

(2)PLC通讯不稳定

众所周知，PLC是电解机组控制系统的核心，所有的指令和动作要求都是PLC根据各点的输入状态和内部程序的逻辑关系发出的，所以，PLC的工作稳定性至关重要。随着现代化控制技术的发展，电解机组控制系统中的PLC采用了多点通讯的方式完成数据交换。在电解车间的强磁场环境中，电磁干扰对PLC通讯的影响较强，尤其因各PLC从站和主站处于电解机组的不同绝缘层，无法实现电缆屏蔽层的接地，不同的PLC框架所处电位不同，这样一来，电磁环境对PLC的影响更加严重，如果设置不正确，还可能出现“飞车”故障。

(3)接触器等动作元件动作异常

接触器电磁线圈得电时产生磁场克服弹簧弹力将衔铁吸住使接触器动触头与静触头接通，完成吸合动作，电磁线圈失电后，弹簧将衔铁弹起。正常应用的情况下，弹簧的弹力是按设计要求选择的，弹力完全可以在电磁线圈失电后将衔铁弹起，但如果应用在电解车间的强磁场环境中，就有所不同，这一弹簧一般为金属导磁材料制成，应用在电解车间强磁场环境中时，弹簧被强磁场磁化，弹簧的相邻两圈之间产生吸力，特别是在接触器处于吸合状态时，弹簧相邻两圈之间的距离缩短，弹簧相邻两圈之间的吸力增大，弹簧弹力克服这一吸力困难，造成了接触器断电后，衔铁不能动作或动作缓慢，接触器控制的电路不能及时断电，如果是控制升降设备的，可能会造成设备坠地，非常危险。

(4)电气设备使用寿命低

多数电气设备为了实现其控制功能和逻辑判断等，内部都通过电路板、单片机、电容、电阻、二极管、三极管等电子元件搭接而成，这些电子元件在正常环境中都能按设计要求完成其各自的功能，但处于电解车间的强磁场环境中，由于电磁干扰，其检测环节势必会产生一定的测量误差，执行环节的电子元件也会因电磁干扰产生输出误差和电压、电流不稳定等情况，各电气元件长期处于疲劳运行状态，严重影响电气设备的使用寿命和使用效果。

3 解决方案的提出

根据以上对电解车间磁场的分析及对电气设备影响的分析，可以采取有效的手段抑制电解车间强磁场对电解机组电气设备的影响。

(1)增大输出功率

对于电解机组启动困难，可以适当提高电解机组行走电机的功率，变频器也按照电机功率的增大适当加大输出功率。输出功率增加之后，电解机组在低频启动时启动转矩将得到大幅提高，有利于克服强磁场产生的阻力完成电解机组的启动。

(2)车轮及车轮附近处材料的选择

车轮及车轮附近采用无磁钢等阻磁材料进行设计，对电解机组端梁被磁化后产生的磁场起到阻断作用，减小车轮与轨道之间的磁场强度，减少电解机组启动时受到的磁场阻力，从而降低设备的启动转矩。

(3)变频器参数调整

变频器起动模式设置为预励磁启动，在PLC输出电解机组启动信号后，变频器对电机励磁，但电机不旋转，待电机励磁电流达到一定程度后电机开始旋转，有效增加了电机的启动转矩，有利于克服电解车间强磁场对电解机组的阻力。另外，有些品牌变频器可以通过参数调整提高启动时的初始电压，以提高低频启动时的启动转矩。

(4)电控柜设计

所有电气元件安装在电控柜内，电控柜选用双层结构，材料选用导磁性能好的金属材料，使磁力线沿导磁材料制作的电控柜表面形成环路，大大降低电控柜内部的磁场，使得电控柜内部的电气元件处于无磁或弱磁环境中，有利于抑制磁场对PLC通讯状态的影响，同时也有利于提高电控柜内部电气设备的使用寿命。

(5)电控柜位置

在对电解车间磁场分析时可知，导磁材料表面磁场强度较大，离电解槽进电母线越近，磁场越大。所以为了减小电控柜与大梁表面的接触面积，远离地面，电控柜不采用大梁侧面侧挂形式，而安装在桥架上。另外，由电解车间磁场分析可知，供电侧是桥架磁场强度最低的，为了降低电气设备周围环境的磁场，可以将电控柜安装在靠供电侧一侧。

(6)PLC二次屏蔽

虽然采取以上措施，但电控柜内仍然避免不了存在一定的磁场，选用良好的导磁材料做成金属罩，罩在各站点PLC外面，对PLC进行二次磁屏蔽，从而抑制磁场对PLC通讯的干扰，提高PLC运行稳定性。

(7)PLC的安装

将各站点PLC用绝缘材料垫起来，使PLC与电控柜之间绝缘，通过通讯电缆屏蔽层的连接，各站点PLC处于同一电位，有利于抑制磁场对PLC通讯的干扰。

(8)信号线的屏蔽

信号电缆特别是模拟量信号电缆选用优质屏蔽电缆，电缆沿导磁的金属线槽或桥架敷设，抑制强磁场对信号传输的干扰，避免产生较高静电电压而烧毁电气设备。

4 结束语

通过对电解车间磁场的研究和分析，进一步了解了强磁场对电解机组电气设备的影响，并根据分析结果提出了具体的措施和解决方案，最近几年，采取了以上提出的各项措施，通过实际应用，提高了电解机组电气系统的稳定性，提高了电气设备的使用寿命，得到了良好的运行效果。相信在以后的设计工作中，会研究出更多、更有效的措施来抑制电解车间强磁场对电解机组的影响，电控系统会越来越稳定，甚至完全不受磁场影响。

[1] 白保东，关世海，刘万年，王建，赵寒，刘忠君.大型铝电解操作天车的电磁场计算及受力分析[J].金属材料与冶金工程，2010，(5)：2.

[2] 赵新民.磁场环境对铝电解多功能机组运行的影响[J].有色设备，2010：(1)：7.

[3] 闫照文，苏东林，李朗如，杨溢.基于SNSYS分析的铝电解槽电磁场计算方法[J].电机与控制学报，2005，(4)：3.

Brief Analysis on the Antimagnetic Method of Pot Tending Machine Control System

GAO Ying

The influence of the high magnetic field environment on the control system of pot tending machine is presented in this paper, an approximate calculation method for the magnetic field in the electrolytic workshop is given. Through the measurement of the ground field and near the equipment in workshop, the detailed technical analysis of the strong magnetic field is carried out in this paper. Finally, the protection and suppression measures are adopted in the design of the electronic control system, and the application effect is satisfactory.

strong magnetic field； interference； suppression

2015-06-12

高 莹(1979-)，男，辽宁锦州人，高级工程师，大学本科，主要从事电解天车、堆垛天车、焙烧天车、球磨机等设备电控系统的设计和调试工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司主管工程师。

TF821

B

1003-8884(2015)05-0006-04