500 kA用電解機(jī)組的抗擾分析及解決方案

李 輝

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

500 kA用電解機(jī)組的抗擾分析及解決方案

李 輝

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

本文對(duì)500 kA電解車間的磁場(chǎng)和溫度進(jìn)行了分析，根據(jù)分析的結(jié)果，采取了具體的有針對(duì)性的措施，提高了電解機(jī)組的抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中，取得了滿意的效果。

電解機(jī)組； 磁場(chǎng)干擾； 熱場(chǎng)干擾

0 引言

電解鋁是在電解槽中通過(guò)強(qiáng)大直流電對(duì)氧化鋁進(jìn)行冶煉，由于電解槽內(nèi)部有強(qiáng)大的直流電流通過(guò)，在電流周圍必然產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的產(chǎn)生會(huì)對(duì)電解機(jī)組的電控系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。國(guó)內(nèi)幾家設(shè)計(jì)院根據(jù)鋁廠的要求，設(shè)計(jì)的電解槽型越來(lái)越大，從而造成電解電流越來(lái)越大，在電解電流達(dá)到400 kA時(shí)，電解機(jī)組的電氣元件已經(jīng)出現(xiàn)了工作不穩(wěn)定、誤動(dòng)作、頻繁損壞等情況，目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了500 kA的電解車間，其磁場(chǎng)、溫度、等都要比400 kA的電解車間高得多，為了使電解機(jī)組能夠正常工作，機(jī)組的電控系統(tǒng)必須采取必要的抗干擾措施，否則，電解機(jī)組將無(wú)法在電解車間正常運(yùn)行。

1 500 kA用電解機(jī)組抗干擾分析

1.1 磁場(chǎng)干擾分析

由于電解槽是靠強(qiáng)大直流電進(jìn)行電解工作，同其它電解生產(chǎn)領(lǐng)域相比較，鋁電解過(guò)程電流強(qiáng)度要大若干倍，強(qiáng)大的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，鋁電解槽中的熔體均為帶電導(dǎo)體，強(qiáng)磁場(chǎng)和大電流的相互作用產(chǎn)生電磁力，在力的作用下槽內(nèi)熔體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這些都使電解槽的磁場(chǎng)計(jì)算非常復(fù)雜。

根據(jù)靜電場(chǎng)的麥克斯韋方程式可得：

-Δ.[ε]Δψ=p

(1)

式中ψ—標(biāo)量電位。

在ANSYS穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析中，選用SOLID5號(hào)單元，自由度為電壓。

當(dāng)已知電流密度分布時(shí)，可以求出其產(chǎn)生的磁場(chǎng)，它們之間的關(guān)系為：

Δ.*H=J

(2)

B=Δ*A

(3)

式中A—矢量磁位；J—電流場(chǎng)分析的結(jié)果。選用SOLID97單元，自由度為A。

如果用標(biāo)量磁位法計(jì)算磁場(chǎng)，它與標(biāo)量磁位的關(guān)系如下：

H=Hg-Δφg

(4)

式中Hg—初始值；φg—全標(biāo)量位。

電流在空間任意P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)Biot-Savart定律計(jì)算

(5)

式中J—電流密度矢量；r—源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的徑向矢量；μ0—真空中磁導(dǎo)率；r—場(chǎng)點(diǎn)到源點(diǎn)的距離。

磁偶極子作為一種處理問(wèn)題的手段已經(jīng)廣為人知，磁偶極子表現(xiàn)的性質(zhì)為所有分子電流環(huán)所表現(xiàn)性質(zhì)的總和。鐵磁體在槽P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:

(6)

P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為電流在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵磁元件在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。

BZ=BPD+BPT

(7)

如此強(qiáng)度的磁場(chǎng)，除對(duì)PLC和變頻器等重要電氣元件的控制精度和壽命產(chǎn)生影響之外，最為重要的是會(huì)使電解機(jī)組的PLC通訊勢(shì)必會(huì)受到強(qiáng)磁場(chǎng)的較大擾動(dòng)。

1.2 熱場(chǎng)干擾分析

鋁電解的生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生大量的熱量是不可避免的。若將鋁電解槽的電、熱場(chǎng)視為穩(wěn)態(tài)，則電解槽電熱問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是求解導(dǎo)電的拉普拉斯方程和內(nèi)熱源導(dǎo)熱的泊松方程：

(8)

(9)

其中：ρx，ρy，ρz分別為材料三維方向的電阻率，隨溫度的變化而變化；V為電位；kx，ky，kz分別為材料三維方向的導(dǎo)熱系數(shù)，隨溫度變化而變化；q為單位體積的熱產(chǎn)生率，即單位體積內(nèi)由于電流通過(guò)產(chǎn)生的焦耳熱；T為熱力學(xué)溫度。式(9)中的q與式(8)中的電位有關(guān)，故需將式(8)和式(9)進(jìn)行耦合求解。ANSYS熱力分析是基于能量守恒原理的泊松方程，其熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射以及有內(nèi)熱源的陽(yáng)極、導(dǎo)桿、陰極炭塊、陰極鋼棒等內(nèi)熱源生熱問(wèn)題。

2 500 kA用電解機(jī)組抗干擾措施

2.1 防磁措施

在防磁方面，從減小電氣元件工作環(huán)境磁場(chǎng)和提高電氣元件抗干擾能力兩個(gè)方面入手。首先，為了減小電氣元件工作環(huán)境的磁場(chǎng)，設(shè)計(jì)了防磁電控柜。這種電控柜和常規(guī)電控柜有著很大的區(qū)別。普通電控柜為單層普通鋼板，鋼板表面有焊縫。而防磁電控柜采用有較強(qiáng)導(dǎo)磁性能的特殊鋼板，并設(shè)計(jì)成雙層鋼板結(jié)構(gòu)，電控柜的焊縫都在其棱角處，大大降低了電控柜內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 防磁電控柜結(jié)構(gòu)示意圖

為了檢測(cè)防磁電控柜的防磁效果，在電解車間進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，車間電流強(qiáng)度為500 kA，廠房框架溫度為44.6 ℃，電控柜外壁溫度為40.2 ℃，內(nèi)壁最高溫度為35.8 ℃。

經(jīng)檢測(cè)，結(jié)果如下：

從電控柜結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部電氣元件安裝位置來(lái)看，電控柜中部相應(yīng)于柜棱角或進(jìn)出氣孔處更能反映電控柜內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度情況，因此，以電控柜中部測(cè)量值來(lái)計(jì)算內(nèi)部磁場(chǎng)相對(duì)減少量，磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及圖示見(jiàn)表1和圖2。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，電控柜內(nèi)部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于外部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度減少量值為

距電控柜內(nèi)壁100 mm處最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為22 Gs，與外部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度相比減少量值為

棱角或接縫處最大磁場(chǎng)為72 Gs，與外部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度相比減少量值為

電控柜中部?jī)?nèi)壁最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為25 Gs，外壁最小磁場(chǎng)強(qiáng)度為29 Gs，相對(duì)減少量值為

電氣元件在電控柜內(nèi)部安裝時(shí)，與柜內(nèi)壁有一定間距，約為100 mm。因此，電控柜內(nèi)外壁檢測(cè)結(jié)果比較的有效值應(yīng)以與柜內(nèi)壁有一定距離的內(nèi)部空間磁場(chǎng)來(lái)計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度降低值。

而測(cè)量值中有高于100 Gs的位置點(diǎn)，是由于這些測(cè)量點(diǎn)位于電控柜門接縫處和電控柜拐角接縫處，該處磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大是由于縫隙磁場(chǎng)引起的，同時(shí)距離縫隙一定距離(如100 mm)，磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值明顯減小，故對(duì)柜內(nèi)電氣元件不會(huì)造成影響。

表1 電控柜磁場(chǎng)測(cè)量位置及結(jié)果

注：(1)電控柜放置于運(yùn)輸板車上，測(cè)量點(diǎn)位置柜底部距車間操作面高度為1 200 mm，柜中部距車間操作面高度為2 200 mm，柜頂部距車間操作面高度為3 100 mm。

(2)內(nèi)部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度11 Gs，距電控柜內(nèi)壁100 mm處最大磁場(chǎng)強(qiáng)度22 Gs。

(3)外部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度為87 Gs。

(4)未加說(shuō)明時(shí)，磁場(chǎng)測(cè)量探頭距柜壁表面10 mm。

圖2 電控柜內(nèi)外壁磁場(chǎng)強(qiáng)度值比較

為了提高PLC的抗干擾能力和穩(wěn)定性，選用Controllogix5000系列PLC，各PLC實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Controlnet協(xié)議可以接收的形式發(fā)送出去，并實(shí)時(shí)地對(duì)各個(gè)站點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，CPU對(duì)各個(gè)PLC站點(diǎn)進(jìn)行掃描、邏輯判斷和運(yùn)算，根據(jù)CPU內(nèi)部的程序執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和指令，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制工作。 Controlnet通訊模塊用于完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；同軸電纜是數(shù)據(jù)交換的媒介；為了提高PLC通訊的穩(wěn)定性和抗干擾能力，在網(wǎng)絡(luò)末端設(shè)置了終端電阻。

由于Controlnet通訊采用多層屏蔽的同軸電纜作為傳輸數(shù)據(jù)的媒介，大大提高了PLC及其通訊的抗干擾能力，同時(shí)，在每個(gè)通訊站點(diǎn)的PLC框架下面都安裝了絕緣電木板，三個(gè)Controlnet工作站不受機(jī)械結(jié)構(gòu)載體電勢(shì)的影響；PLC金屬框架與模塊內(nèi)部環(huán)形地線內(nèi)部相連，Controlnet通訊系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有與大地等電位的電勢(shì)參考點(diǎn)。

2.2 防熱措施

在防熱方面，從提高電控柜隔熱性能和降低電控柜內(nèi)部溫度兩方面入手。首先，如圖1所示，電控柜采用了雙層磁屏蔽結(jié)構(gòu)，兩層鋼板的中間有保溫夾層，可以大大降低電控柜內(nèi)外的熱交換速度，通過(guò)革新電控柜的制作工藝，提高了電控柜的密封等級(jí)，避免了電控柜內(nèi)外空氣的熱交換。采用工業(yè)高溫制冷空調(diào)對(duì)電控柜內(nèi)部降溫，電控柜內(nèi)部的溫度可保持在25～35 ℃，延長(zhǎng)了整個(gè)電控系統(tǒng)的使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

防磁和防熱技術(shù)在500 kA電解槽用電解機(jī)組上的應(yīng)用，提高了機(jī)組電控系統(tǒng)的抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)500 kA電解槽用電解機(jī)組2年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，證明了抗干擾方案是正確有效的。

[1] 王海波，曾水平. 電磁場(chǎng)分布的計(jì)算分析[J]. 中國(guó)科技信息，2008，(14).

[2] 梁學(xué)民. 現(xiàn)代鋁電解槽技術(shù)的探討[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2000，(10).

[3] 劉杰. 大型350 kA預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽磁場(chǎng)分布研究[J]. 礦業(yè)工程，2008，(28).

The Analysis and Solution of Anti-interference of 500 kA PTM

LI Hui

The paper analyses the magnetic field and temperature in 500 kA PTM. According to the results of the analysis, we take some special methods to improve the anti-interference ability and stability of operation of PTM. The methods achieve satisfactory results in practical applications.

TM； magnetic interference； thermal field interference

2015-01-12

李 輝(1964-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事電解天車、堆垛天車、焙燒天車、球磨機(jī)、隔膜泵等設(shè)備電控系統(tǒng)的整體方案的確定和審核工作。

TF815

A

1003-8884(2015)02-0041-04