铝电解系列电解槽绝缘检测系统的研究

刘 义,何 亮

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

随着电解铝行业大型预焙阳极电解槽技术的快速发展,其电解系列直流电流和电解槽型已经达到600 kA及以上。对于SY500 kA主力槽型而言,平均单个电解系列安装的电解槽台数已达到300台以上,最高达到了372台。

由于铝电解直流系列及电解槽是一个暴露于空气中的大型带电体,即便初始安装做了严格的绝缘处理,但是其安装特点决定了在运行过程中极易因掉落导电体杂物,而使其很难始终处于较高的绝缘水平。当绝缘降低到一定程度,将导致其对地的绝缘破坏,产生大量的直流漏泄电流,不仅影响电解系列生产指标,而且也对操作人员存在很大的危险性。如果不及时发现并清除绝缘薄弱点(特别是当系列中另一电解槽绝缘又遭破坏时),势必会造成系列中此两处短路,电气设备也将受到危害。同时,铝电解槽漏电会严重腐蚀地下金属构件、金属管道和铠装电缆金属保护层等。另外,铝电解槽泄漏铝电解质,也是一种严重的漏电,如果不及时检测发现,轻则可使电解槽报废,重则可能造成电解系列重大事故。因此,《有色金属冶炼厂电力设计规范》 (GB50673-2011)规定:大、中型电解整流所,需按电解系列装设电解槽和直流母线对地绝缘监测装置。在进行铝电解车间设计时,应对电解系列设置绝缘监测系统或检测系统,确保第一时间发现电解槽或母线绝缘破坏情况,并及时进行相应处理,从而保证现场操作人员安全、降低对设备造成的危害、以便避免或减少重大事故的发生。

1 现有绝缘监测系统分析研究

为监视电解槽绝缘情况,在控制室设置绝缘监测系统,绝缘监测系统如图1所示。绝缘监测系统设置三只直流电压表,电压表V监视全系列电压,电压表VP和VN在正常工作情况下监视半系列电压;每只直流电压表并联一台直流电压变送器,输出4～20 mA电流信号送至PLC控制系统,实现系列电压的在线监测。当需要监察电解槽的绝缘情况时,通过控制PLC控制系统的输出接点闭合使接地电路接通,再对比电压表VP和VN的电压值;如果单侧发生电解槽绝缘破坏, VP和VN电压值将产生偏差,然后根据电压偏差值判断可能发生接地的电解槽范围;最严重情况下,若VP指示很小,几乎全系列电压显示在VN上,则说明左侧电解槽的端部有接地情况,整流所应通知电解车间,对左侧电解槽进行进一步检查来确定具体接地电解槽并进行处理。

图1 现有绝缘监测系统图

现有的电解槽绝缘监测系统采用的是双电压法检测,其检测原理如图2所示。这种原理利用检测电解槽系列零点的漂移情况来判断电解槽的接地,并通过漂移的电压来推算接地电解槽的位置,对于电解槽系列发生单点接地情况是完全适用的。

图2 双电压法原理图

但对于以下两种情况,这种双电压检测法不能判断和推算发生了电解槽接地及其接地位置。第一种情况如图3所示,当接地发生在电解系列中点附近时,零点几乎没有发生漂移,所以不能检测出电压偏差。

图3 系列中点附近发生接地图

第二种情况如图4所示,当电解槽系列中同时有两台电解槽发生了绝缘破坏,且发生位置相互对称,这种情况下同样不能检测出电压偏差。

图4 对称电解槽发生绝缘破坏图

另一方面,即使检测到电解槽系列发生了单点接地情况,但由于检测系统无法实现自动定位接地电解槽,因此实际判断时,仅能根据测量出的电压偏差值进行推测,初步确定接地电解槽可能发生的区间,然后再通过人工逐个排查并最终确定。如图5所示,以VP>VN为例,不能自动判断和确定k～n哪台电解槽绝缘恶化导致零点漂移到k电解槽。

图5 不能准确定位接地电解槽图

通过上述分析可以看出,现有电解槽绝缘监测系统对于电解系列中点附近发生的电解槽接地和对称电解槽发生接地等两种情况,尚存在绝缘监测盲区,不能测量出电压偏差、不能及时检测电解槽发生接地;另一方面,现有电解槽绝缘监测系统是通过零点漂移和电压偏差情况来人为判断和识别接地电解槽的,不能自动判断和识别接地电解槽。因此,需研究适用性广并能实现自动判断和识别接地电解槽的绝缘检测系统。

2 电解槽绝缘检测系统研究

为解决上述技术问题,需提供一种电解槽系列的对地绝缘电阻在线检测系统,可以实时检测电解槽系列的对地绝缘电阻值,并根据电解槽对地绝缘电阻的大小判定电解槽对地绝缘是否破坏,以及自动识别电解槽系列中哪台电解槽发生了绝缘破坏,从而及时通知检修人员清除故障,确保操作人员及设备的安全。

为实现上述电解槽对地绝缘电阻在线检测和自动识别绝缘破坏电解槽,本文介绍一种电解槽系列对地绝缘电阻检测系统,这种检测方法是通过在电解槽系列直流母线上外加一路低压检测电源,检测电路通过接地电缆接地,检测电流经电解槽和接地电路流回检测电路。PLC系统对检测电路电压信号变换器和中点接地电路输出的4～20 mA信号进行采集,然后由PLC系统软件算法对采集的数据进行运算处理,连续自动检测电解系列电解槽的对地绝缘电阻,并将对地绝缘电阻值与设定值进行比较。该检测系统的原理图如图6所示,其主要配置结构如下:

图6 电解槽系列的对地绝缘电阻检测系统原理

(1)隔离变压器,用于提供交流工作电源;

(2)隔离变压器二次侧的一端与分压的电阻、限制电流值的电感线圈、隔离直流电流的第一电容串联后与连接直流母线的连接电缆连接,隔离变压器二次侧的另一端与整流桥的a端连接,整流桥的b、c端之间并联有分压及电阻值调节的变阻器和减少输出电压脉动的电容,整流桥的d端与接地电缆连接;

(3)在变阻器两端并联电压信号变换器;

(4)在直流母线串联的电解槽的中点与地之间,设有用于检测电解槽系列中点电压的中点接地电路。

3 具体实施方式

结合图6,对电解槽系列对地绝缘电阻检测系统的具体实施方式说明如下。

隔离变压器用于提供交流电源;隔离变压器二次侧的一端与分压的电阻、限制电流值的电感线圈、隔离直流电流的第一电容串联后,与连接直流母线的连接电缆连接。电阻、电感线圈、第一电容与隔离变压器二次侧串联的顺序为电感线圈、电阻、第一电容或电感线圈、第一电容、电阻,串联的电感线圈、电阻、第一电容的两端设有熔断器;隔离变压器二次侧的另一端与整流桥的a端连接,整流桥的b、c端之间并联有分压及电阻值调节的变阻器和减少输出电压脉动的电容,整流桥的d端与接地电缆连接;在变阻器两端并联电压信号变换器,电压信号变换器用于变换信号。所述的隔离变压器、熔断器、电感线圈、电阻、第一电容、电容、变阻器、电压信号变换器构成的电路,设置在箱体内并安装在整流所内;在直流母线串联的电解槽的中点与地之间,设有用于检测电解槽系列中点电压的中点接地电路。

绝缘电阻检测系统使用时,通过连接电缆接至整流所直流母线的正极或负极上,接地电缆接地;通过电压信号变换器对变阻器的电压值进行实时采集,电压信号变换器和中点接地电路输出4～20 mA信号远传至PLC系统。PLC系统对采集的数据进行运算处理,得出电解槽系列的对地绝缘电阻值,PLC系统将对地绝缘电阻值与本身的设定值进行比较。当电解槽系列对地绝缘良好时,没有交流电流流过直流母线,此时,检测电压值为0 V,对地绝缘电阻为无穷大;当电解槽系列发生绝缘恶化或破坏时,交流电流通过直流母线、电解槽系列对地绝缘破坏点、检测装置接地点,流回检测装置电源的负极,对地绝缘电阻低于设定值,则PLC系统判定电解槽系列对地绝缘破坏。同时,PLC系统根据中点接地电路检测的电压值,通过软件算法准确判定绝缘破坏的电解槽位置。

4 结 语

综上所述,通过对现有铝电解系列电解槽绝缘监测系统进行分析,针对存在的监测盲区和不能自动判断识别接地电解槽等方面的问题,提出了解决方案。通过研发的电解槽系列的对地绝缘电阻在线检测系统,能够实现在线检测电解槽系列的对地绝缘电阻值,并根据电解槽对地绝缘电阻的大小自动判定电解槽对地绝缘是否破坏,以及自动识别电解槽系列中哪台电解槽发生了绝缘破坏。

采用该检测系统和方法后,能够及时、准确地发现电解槽的绝缘破坏或接地,确保接地故障得到及时处理,避免了因未能及时发现导致的接地故障扩大、对企业造成重大经济损失等问题。这种电解槽系列的对地绝缘电阻在线检测系统,更加符合铝电解系列安全可靠生产的需求。