500kA用电解机组的抗扰分析及解决方案

500kA用电解机组的抗扰分析及解决方案
李辉
【摘要】本文对500 kA电解车间的磁场和温度进行了分析,根据分析的结果,采取了具体的有针对性的措施,提高了电解机组的抗干扰能力和运行稳定性,在实际应用中,取得了满意的效果.
【期刊名称】《有色设备》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】4页(P41-44)
【关键词】电解机组;磁场干扰;热场干扰
【作者】李辉
【作者单位】中国有色(沈阳)冶金机械有限公司,辽宁沈阳110141
【正文语种】中文
【中图分类】TF815
电解铝是在电解槽中通过强大直流电对氧化铝进行冶炼，由于电解槽内部有强大的直流电流通过，在电流周围必然产生磁场，磁场的产生会对电解机组的电控系统产生严重的干扰。

国内几家设计院根据铝厂的要求，设计的电解槽型越来越大，从而造成电解电流越来越大，在电解电流达到400 kA时，电解机组的电气元件已经出现了工作不稳定、误动作、频繁损坏等情况，目前，国内已经出现了500 kA的电解车间，其磁场、温度、等都要比400 kA的电解车间高得多，为了使电解机组能够正常工作，机组的电控系统必须采取必要的抗干扰措施，否则，电解机组将无法
在电解车间正常运行。

1.1 磁场干扰分析
由于电解槽是靠强大直流电进行电解工作，同其它电解生产领域相比较，铝电解过程电流强度要大若干倍，强大的电流产生磁场，铝电解槽中的熔体均为带电导体，强磁场和大电流的相互作用产生电磁力，在力的作用下槽内熔体产生运动，这些都使电解槽的磁场计算非常复杂。

根据静电场的麦克斯韦方程式可得：
式中ψ—标量电位。

在ANSYS稳态电流传导分析中，选用SOLID5号单元，自由度为电压。

当已知电流密度分布时，可以求出其产生的磁场，它们之间的关系为：
式中 A—矢量磁位； J—电流场分析的结果。

选用SOLID97单元，自由度为A。

如果用标量磁位法计算磁场，它与标量磁位的关系如下：
式中 Hg—初始值；φg—全标量位。

电流在空间任意P点产生的磁场强度根据Biot-Savart定律计算
式中 J—电流密度矢量； r—源点到场点的径向矢量；μ0—真空中磁导率； r—场点到源点的距离。

磁偶极子作为一种处理问题的手段已经广为人知，磁偶极子表现的性质为所有分子电流环所表现性质的总和。

铁磁体在槽P点产生的磁感应强度为:
P点的磁感应强度为电流在P点产生的磁感应强度与铁磁元件在P点产生的磁感应强度的矢量和。

如此强度的磁场，除对PLC和变频器等重要电气元件的控制精度和寿命产生影响之外，最为重要的是会使电解机组的PLC通讯势必会受到强磁场的较大扰动。

1.2 热场干扰分析
铝电解的生产过程中，产生大量的热量是不可避免的。

若将铝电解槽的电、热场视
为稳态，则电解槽电热问题的实质是求解导电的拉普拉斯方程和内热源导热的泊松方程：
其中：ρx，ρy，ρz分别为材料三维方向的电阻率，随温度的变化而变化；V为电位；kx，ky，kz分别为材料三维方向的导热系数，随温度变化而变化；q为单位体积的热产生率，即单位体积内由于电流通过产生的焦耳热；T为热力学温度。

式(9)中的q与式(8)中的电位有关，故需将式(8)和式(9)进行耦合求解。

ANSYS热力分析是基于能量守恒原理的泊松方程，其热分析包括热传导、热对流和热辐射以及有内热源的阳极、导杆、阴极炭块、阴极钢棒等内热源生热问题。

2.1 防磁措施
在防磁方面，从减小电气元件工作环境磁场和提高电气元件抗干扰能力两个方面入手。

首先，为了减小电气元件工作环境的磁场，设计了防磁电控柜。

这种电控柜和常规电控柜有着很大的区别。

普通电控柜为单层普通钢板，钢板表面有焊缝。

而防磁电控柜采用有较强导磁性能的特殊钢板，并设计成双层钢板结构，电控柜的焊缝都在其棱角处，大大降低了电控柜内的磁场强度。

具体结构如下图所示：
为了检测防磁电控柜的防磁效果，在电解车间进行了模拟实验，车间电流强度为500 kA，厂房框架温度为44.6 ℃，电控柜外壁温度为40.2 ℃，内壁最高温度为35.8 ℃。

经检测，结果如下：
从电控柜结构及其内部电气元件安装位置来看，电控柜中部相应于柜棱角或进出气孔处更能反映电控柜内部磁场强度情况，因此，以电控柜中部测量值来计算内部磁场相对减少量，磁场检测结果及图示见表1和图2。

根据测量结果，电控柜内部空间磁场强度相对于外部空间磁场强度减少量值为
距电控柜内壁100 mm处最大磁场强度为22 Gs，与外部空间磁场强度相比减少量值为
棱角或接缝处最大磁场为72 Gs，与外部空间磁场强度相比减少量值为
电控柜中部内壁最大磁场强度为25 Gs，外壁最小磁场强度为29 Gs，相对减少量值为
电气元件在电控柜内部安装时，与柜内壁有一定间距，约为100 mm。

因此，电控柜内外壁检测结果比较的有效值应以与柜内壁有一定距离的内部空间磁场来计算磁场强度降低值。

而测量值中有高于100 Gs的位置点，是由于这些测量点位于电控柜门接缝处和电控柜拐角接缝处，该处磁场强度过大是由于缝隙磁场引起的，同时距离缝隙一定距离(如100 mm)，磁场强度测量值明显减小，故对柜内电气元件不会造成影响。

为了提高PLC的抗干扰能力和稳定性，选用Controllogix5000系列PLC，各PLC实时地把数据转换成Controlnet协议可以接收的形式发送出去，并实时地对各个站点发送来的数据进行接收和处理，CPU对各个PLC站点进行扫描、逻辑判断和运算，根据CPU内部的程序执行相应的动作和指令，完成整个系统的控制工作。

Controlnet通讯模块用于完成数据的发送和接收；同轴电缆是数据交换的媒介；为了提高PLC通讯的稳定性和抗干扰能力，在网络末端设置了终端电阻。

由于Controlnet通讯采用多层屏蔽的同轴电缆作为传输数据的媒介，大大提高了PLC及其通讯的抗干扰能力，同时，在每个通讯站点的PLC框架下面都安装了绝缘电木板，三个Controlnet工作站不受机械结构载体电势的影响；PLC金属框架与模块内部环形地线内部相连，Controlnet通讯系统内部没有与大地等电位的电势参考点。

2.2 防热措施
在防热方面，从提高电控柜隔热性能和降低电控柜内部温度两方面入手。

首先，如图1所示，电控柜采用了双层磁屏蔽结构，两层钢板的中间有保温夹层，可以大大降低电控柜内外的热交换速度，通过革新电控柜的制作工艺，提高了电控柜的密
封等级，避免了电控柜内外空气的热交换。

采用工业高温制冷空调对电控柜内部降温，电控柜内部的温度可保持在25～35 ℃，延长了整个电控系统的使用寿命。

防磁和防热技术在500 kA电解槽用电解机组上的应用，提高了机组电控系统的抗干扰能力和系统的稳定性，通过500 kA电解槽用电解机组2年来现场的稳定运行，证明了抗干扰方案是正确有效的。

【相关文献】
[1] 王海波，曾水平. 电磁场分布的计算分析[J]. 中国科技信息，2008，(14).
[2] 梁学民. 现代铝电解槽技术的探讨[J]. 中国有色金属学报，2000，(10).
[3] 刘杰. 大型350 kA预焙阳极铝电解槽磁场分布研究[J]. 矿业工程，2008，(28).。