铝电解系列应急短路母线系统的设计与应用

李 扬

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

1 引言

铝电解系列是由数百台电解槽串联组成的，几十台电解槽串联形成一个工区。电解车间母线系统根据安装位置不同分为车间母线和槽周围母线。工区内的各电解槽由槽周围母线系统进行连接，工区之间通过车间母线的连接形成一个生产系列。

正常情况下，当系列中某台电解槽发生漏炉时，可通过槽周围母线系统中自带的短路母线将漏炉电解槽短接掉，从而保证系列电解槽正常生产。但当电解槽发生事故、立柱母线短路口发生故障时，母线系统自带的短路母线系统已无法正常使用，此时，需在事故电解槽上架设应急短路母线，从而将事故电解槽短接掉。

近几年来，因现场人员误操作或管理不当引起的电解槽事故频发。2021年11月份，云南某铝厂500kA铝电解系列，因电解槽漏炉、短路口爆炸，造成全系列33万吨电解铝产能停产，虽经数天抢险和处理后系列开始带电复产，但造成的经济损失和社会影响是巨大的。因此，应急母线系统的研发，可在电解槽事故中及时将事故槽短接掉，缩小事故影响范围，降低因事故对企业带来的经济损失，具有重大的经济效益和社会效益。

母线系统事故的危险点主要集中在槽周绕行母线及阴极软带熔断和立柱母线短路口爆炸两种情况。尤其是后者，在各种事故中几率最大，占比最高，因此，电解铝厂需制作与母线系统配套的应急短路母线。

2 应急短路母线的设计

当上述两种事故发生时，原母线系统的短路母线已无法承担短路作业，需在事故槽及周围槽架设应急短路母线。铝电解槽事故类型是多样的，事故影响的范围也不确定。因此，如何设计一套全面、系统且灵活的应急短路母线系统是设计的难点。根据事故类型及影响范围的不同，所适合的应急短路母线也不同，有时甚至需要多种应急短路母线配合使用。根据连接位置的不同，应急短路母线可以分为以下几种类型。

2.1 中间槽“跨槽”应急短路母线

当事故槽所在位置为中间槽，立柱短路口破损严重，立柱母线主体结构破损严重时，需选用中间槽“跨槽”应急短路母线装置。将本装置架设在事故槽上游槽及下游槽的阳极大母线之间，从而将事故槽完全短接掉。装置两端均采用压接方式安装。图1为某600kA铝电解槽中间槽“跨槽”应急短路母线示意图。

图1 中间槽“跨槽”应急短路母线示意图

2.2 中间槽“单槽”应急短路母线

当事故槽所在位置为中间槽，立柱短路口破损，但立柱母线主体结构完整时，可选用结构较为简单的中间槽“单槽”应急母线装置对事故系列进行抢救。

将本装置架设在事故槽出电侧（B侧）阳极大母线与下游槽对应立柱母线之间，事故的上、下游槽仍可正常运行。图2为某600kA铝电解槽中间槽“单槽”应急短路母线示意图。

图2 中间槽“单槽”应急短路母线示意图

2.3 端头槽应急短路母线

当事故槽所在位置为端头槽，立柱短路口破损严重，短路口已不能正常运行时，需选用端头槽应急母线装置。本装置根据安装位置的不同，分为进电端端头槽应急母线装置和出电端端头槽应急母线装置。

通过本装置的安装，对因端头槽母线破损引起的系列事故进行抢救。本装置需安装在事故槽阳极大母线与上、下游车间母线立柱之间。图3～4为某600kA铝电解槽端头槽应急短路母线示意图。

图3 进电端端头槽应急短路母线示意图

图4 出电端端头槽应急短路母线示意图

3 应急短路母线的应用

铝电解生产过程中可能发生突发母线系统事故的类型是多种多样的，虽无法预判，但通过将上述三种应急短路母线配合使用，基本可以满足常见母线系统事故的应急处理要求。

3.1 槽周绕行母线中非短路母线破损时

铝电解槽槽周围母线系统中，都配有短路母线系统，铝电解槽正常停槽时，流经立柱的电流，通过立柱母线短路口联通至各个支路的短路母线后，再汇入下游槽的立柱母线上。

因此，当槽周绕行母线中非短路母线破损，且立柱母线短路口完好时，可利用槽周围母线自带的短路母线系统进行正常短路，停槽后修复损坏母线即可。此时，不需要使用应急短路母线。

3.2 槽周绕行母线中短路母线破损时

当槽周绕行母线中的短路母线破损时，立柱短路口流经的电流已无法通过绕行母线通往下游槽立柱，此时，可利用单槽应急短路母线进行短接，停槽后修复损坏母线。

电流从上游槽流经事故槽立柱母线后，无法从立柱短路口进行短接。通过在事故槽阳极大母线与下游槽立柱母线之间架设单槽应急母线装置，将事故电解槽立柱上的电流直接导入至下游槽立柱中。此时事故电解槽的上、下游电解槽仍可正常通电。

可正常通电的电解槽能否生产还取决于其他方面的情况，如磁场分布状况、周围环境等，如不能生产则需使用该槽立柱母线短路口进行短路停槽。

3.3 立柱母线短路口破损时

当立柱母线短路口破损时，可利用跨槽应急短路母线和单槽应急短路母线联合使用进行短接。当事故造成的影响较小，仅单台槽立柱短路口破损，立柱母线本体较为完好时，可利用单槽应急短路母线将单台事故槽短接，其上下游槽均可正常通电；当事故造成的影响较大，立柱母线本体也存在破损时，可利用跨槽应急短路母线进行跨槽短接；当事故造成的影响波及多台电解槽时，可根据立柱的破损情况，选择多组跨槽应急短路母线和单槽应急短路母线联合使用进行短接。

3.4 事故槽为进电端端头槽时

当事故槽为进电端端头槽时，可利用进电端端头槽应急短路母线和单槽应急短路母线联合使用进行短接。当事故造成的影响较小，仅进电端端头槽立柱短路口破损，立柱母线本体较为完好时，可利用单槽应急短路母线将单台事故槽短接，其上下游槽均可正常通电；当事故造成的影响较大，立柱母线本体也存在破损时，可利用端头槽应急短路母线进行短接；当事故造成的影响波及多台电解槽时，可根据立柱的破损情况，选择多组单槽应急短路母线和单组端头槽应急短路母线联合使用进行短接。

电流通过进电端端头槽应急短路母线从上游的车间母线直接导入事故槽的阳极母线，然后通过单槽应急短路母线将电流导入下游槽立柱母线。

3.5 事故槽为出电端端头槽时

当事故槽为出电端端头槽时，可利用出电端端头槽应急短路母线和跨槽应急短路母线联合使用进行短接。

当事故造成的影响较小，事故槽的立柱本体无破损时，电流通过事故槽立柱后，无法通过短路母线进行短接，电流从阳极母线流向B侧，经出电端端头槽应急短路母线，将电流送至下游车间母线上，从而将事故槽短接。短接后的事故槽，可正常修复受损母线。

当事故造成的影响较大，事故槽的立柱本体受损时，需在事故槽与上游槽上架设跨槽应急短路母线，再配合出电端端头槽应急短路母线将电流送至下游车间母线上，此时，事故槽及上游槽均需停槽。

4 应急短路母线配套装置

应急短路母线在安装及拆卸过程中，需考虑其吊运、压接、支撑、调节及绝缘等配套装置的设置。

4.1 吊运

现场需设置转运小车，当事故发生时，第一时间将合适的应急短路母线运送至事故槽附近；同时，所在工区的天车需配合完成应急短路母线的吊运。

4.2 压接

应急短路母线两侧压接口需进行研磨，粗糙度Ra≤3.2μm。通常两侧均选用方管梁和双头螺栓进行压接。

4.3 支撑及调节

应急短路母线装置中需设置配套的支撑及调节装置，因应急短路母线中，通常会设置两处铝软带用于调整装置长度配合安装空间，因此，支撑装置可将铝母线、铝板及铝软带固定形成一个整体装置，从而方便现场吊运安装。该装置需满足固定、支撑及调节三项功能，同时可将吊耳设置在该装置上。该装置两侧设置了弧形调节孔，可适当调节支撑装置行程，装置上设置一处调节手轮，手轮与压接装置配合将应急短路母线与上下游槽压接面压紧。图5为支撑调节装置示意图。

图5 支撑调节装置示意图

4.4 绝缘防护

应急短路母线通常架设在电解槽上方，为了确保安全，在应急短路母线下方设置绝缘防护罩，并放置警示牌，提醒人员无特殊情况不可在应急短路母线下方行走。图6为绝缘防护罩示意图。

图6 绝缘防护罩示意图

5 结束语

近几年来，因槽周母线损坏引起的电解铝厂事故时有发生，电解槽漏槽并发生火灾，导致全系列紧急停产，对企业生产经营造成严重影响。

应急短路母线是一项可以挽救因事故造成母线损坏、造成电解系列瘫痪的有效措施。预先准备好各种类型的应急短路母线可有效减少由于事故所带来的损失，同时，企业应制定安全生产事故应急预案，提高员工日常的安全防范意识，加强巡检及各岗位间的沟通，避免因误操作引起的电解槽生产安全事故。