簡析鋁電解機組控制系統的防磁方法

高 瑩

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

簡析鋁電解機組控制系統的防磁方法

高 瑩

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

本文提出了電解車間強磁場環境對電解機組電控系統的影響，給出了電解車間磁場的近似計算方法，同時，通過檢測電解車間地面磁場及電解機組橋架附近磁場，對電解車間強磁場進行了詳細的技術分析，給出了在電解機組電控系統設計中，采取的防護和抑制措施，取得了滿意的效果。

強磁場； 干擾； 抑制

0 引言

近年來，國內電解鋁行業得到了迅猛發展，電解廠房越來越長，電解電流越來越大，由于電解過程中產生了數十萬安培的電解電流，所以電解車間投產以后，由于電磁感應，在電解車間內產生了強大的磁場。這一磁場對運行在該車間的各種設備產生了很大影響。鋁電解多功能機組(以下簡稱電解機組)是電解車間的重要操作設備，用于完成打開電解槽電解質結殼、更換陽極、清理陽極坑、電解槽加料、母線提升、吸出鋁水、安裝和檢修電解槽等操作，這一設備代替了早期電解鋁生產中的人力操作，降低了工作人員的勞動強度，是電解車間必不可少的重要操作設備。然而該設備運行在電解車間，也無疑受到了電解車間強磁場環境的影響，特別是電解機組的電氣控制系統，受到的影響更大。如果不采取措施或采取措施不當會出現電解機組啟動困難[2]、PLC通訊異常、接觸器釋放困難、電氣元件使用壽命降低等問題。較早時期，雖然制造廠商在設計和制造過程中采取了很多克服磁場和抑制磁場干擾的措施，還是經常有以上所述問題出現，設備成型以后，這些問題解決起來都比較困難，所以必須深入了解電解車間的磁場，并采取有效的防護和抑制措施，從而保證電解機組在電解車間高效、穩定的運行。

1 電解車間磁場分析

電解槽為多點進電設備，由于每根母線上的大電流存在，所以在進電母線周圍會產生磁場，單根母線周圍產生的磁場根據畢奧- 薩伐爾定律可知：

dB=(μ0/4π)×(Idlsinθ/r2)

(1)

電解槽進電母線旁P點與母線相對位置如圖1所示：

圖1 P點與母線相對位置示意圖

母線的起點為C，終點為D，C和D之間的距離為l，P點與母線的夾角為θ，視母線為近似直線[1]，則磁場強度計算公式(2)為：

(2)

μФ
l=r0cotθ

(3)

r=r0/sinθ

(4)

dl= (r0dθ)/sin2θ

(5)

(6)

因在電解車間內，進電母線一段接著一段，一般長達1 000 m以上，這里將母線長度近似為無限長[1]，則：

θ1≈0

(7)

θ2≈π

(8)

B=(μ0I)/(4πr0)

(9)

即：

B=(μ0I)/(4πr)

(10)

從公式(1)～公式(10)可知，磁場強度的大小和母線電流I和與母線的距離r有關，而在固定的鋁電解車間，母線電流是基本固定的。所以，與母線之間的距離是影響磁場的唯一因素。從上式可知，離母線越近，磁場越大，離母線越遠，磁場越小。

以上分析為理論分析，多處采用了近似計算，存在一定的計算誤差，而且電解車間的實際環境中還存在著磁場的互相疊加及導磁材料在磁場環境被磁化等多種因素影響，使得鋁電解車間的磁場環境非常復雜[3]。為了更好的了解電解車間的磁場分布情況，筆者進行了現場檢測；1- 48號電解槽為一組，49- 94號電解槽為一組，兩組電解槽中間是通廊，電解槽的車間分布圖如下：

圖2 鋁電解車間電解槽分布圖

選擇靠中部的電解槽從供電側到非供電側選擇9個基準點，分別以X、Y、Z方向進行檢測。

圖3 地面磁場強度測量示意圖

由檢測結果繪制成如圖4曲線：

圖4 鋁電解車間磁場強度分布圖

另外，根據測量結果，得到了車間內磁場方向分布圖，見圖5：

圖5 鋁電解車間磁場方向示意圖

根據以上測量結果筆者進行如下分析：

(1)距離電解槽進電母線越近的地方，磁場強度越大，距離電解槽進電母線越遠的地方，磁場強度越小。

(2)按廠房設計，供電側通道寬度為4.5 m左右，煙道側通道寬度為2.5 m左右，這樣一來，供電側通道離母線的距離比煙道側通道離母線的距離遠，所以，供電側磁場強度比煙道側磁場強度小。

(3)由于磁力線為橢圓形，在電解槽的中部，磁力線成拱橋形狀，所以在距離地面較近的地方，出現了電解槽兩邊磁場比電解槽中部磁場大的情況。

(4)在導磁材料制成的設備旁邊，因該材料設備在強磁場環境中被磁化，所以在導磁材料設備的附近磁場較高，特別是在導磁材料表面，磁場強度特別高。

本文的主要目的是研究鋁電解車間內的磁場對鋁電解多功能機組電氣設備的影響，所以，對鋁電解多功能機組橋架上進行了磁場檢測，方法同地面磁場檢測。根據檢測的結果，也繪制了鋁電解過功能機組橋架上1.5 m高度位置的磁場強度分布圖，見圖6。

圖6 鋁電解多功能機組橋架磁場強度分布圖

根據以上測量結果進行如下分析：

(1)由于供電側通道比煙道側通道寬，供電側通道距離電解槽進電母線相對較遠。所以，在電解機組橋架上，供電側磁場比煙道側磁場小。

(2)由于磁力線為橢圓形，在電解槽的中部，磁力線成拱橋形狀，所以在距離地面較遠的電解機組橋架上，中部磁場強度比兩邊的磁場強度大。

(3)在導磁材料制成的設備旁邊，因該材料在強磁場內被磁化，所以在導磁材料設備的附近磁場較高，特別是在導磁材料表面，磁場強度特別高，某些安裝在厚鋼板表面的電氣設備難以正常工作。

2 電解車間強磁場對電解機組電氣設備的影響分析

上文中已經對電解車間的磁場進行了詳細的分析，而電解機組電氣設備上存在的哪些問題是因強磁場的存在造成的，強磁場是怎樣影響電氣設備的，還需進一步分析，了解實際情況之后，便于提出有效的解決方案，抑制電解車間強磁場對電解機組電氣設備的影響。

(1)電解機組啟動困難

首先，由于電解機組的車輪屬于導磁材料，而電解車間的軌道也屬于導磁材料，導磁材料在電解車間的強磁場環境中被磁化，所以在電解機組車輪和車間軌道的表面都形成了強大的磁場，如圖7所示：

圖7 電解機組車輪和軌道位置示意圖

在1- 12的位置上都會產生較大的磁場強度，從而使這些點和車間軌道之間產生了強大的吸力，而由于車輪所處較大磁體端梁的位置不同，使得“1”和“2”、“4”和“5”、“7”和“8”、“10”和“11”的吸力都有較大差異，當每個車輪的兩個邊緣所受吸力不同時，就可能產生與電解機組啟動方向相反的力，在電解機組啟動時產生了較大阻力，這是造成電解機組啟動困難的一個主要原因。其次，雖然電解車間磁場是相對穩定的，但是磁場的分布是不均勻的，也就是說不同位置的磁場強度也會有較大差別，而電解機組的大梁和端梁形成了一個具有導電性能的金屬環，在電解機組啟動和行走時，很有可能造成電解機組形成的金屬環內磁通發生變化，從而產生電動勢和電流，使其產生了與電解機組啟動和行走方向相反的力，這是電解機組啟動困難的另一個主要因素。

(2)PLC通訊不穩定

眾所周知，PLC是電解機組控制系統的核心，所有的指令和動作要求都是PLC根據各點的輸入狀態和內部程序的邏輯關系發出的，所以，PLC的工作穩定性至關重要。隨著現代化控制技術的發展，電解機組控制系統中的PLC采用了多點通訊的方式完成數據交換。在電解車間的強磁場環境中，電磁干擾對PLC通訊的影響較強，尤其因各PLC從站和主站處于電解機組的不同絕緣層，無法實現電纜屏蔽層的接地，不同的PLC框架所處電位不同，這樣一來，電磁環境對PLC的影響更加嚴重，如果設置不正確，還可能出現“飛車”故障。

(3)接觸器等動作元件動作異常

接觸器電磁線圈得電時產生磁場克服彈簧彈力將銜鐵吸住使接觸器動觸頭與靜觸頭接通，完成吸合動作，電磁線圈失電后，彈簧將銜鐵彈起。正常應用的情況下，彈簧的彈力是按設計要求選擇的，彈力完全可以在電磁線圈失電后將銜鐵彈起，但如果應用在電解車間的強磁場環境中，就有所不同，這一彈簧一般為金屬導磁材料制成，應用在電解車間強磁場環境中時，彈簧被強磁場磁化，彈簧的相鄰兩圈之間產生吸力，特別是在接觸器處于吸合狀態時，彈簧相鄰兩圈之間的距離縮短，彈簧相鄰兩圈之間的吸力增大，彈簧彈力克服這一吸力困難，造成了接觸器斷電后，銜鐵不能動作或動作緩慢，接觸器控制的電路不能及時斷電，如果是控制升降設備的，可能會造成設備墜地，非常危險。

(4)電氣設備使用壽命低

多數電氣設備為了實現其控制功能和邏輯判斷等，內部都通過電路板、單片機、電容、電阻、二極管、三極管等電子元件搭接而成，這些電子元件在正常環境中都能按設計要求完成其各自的功能，但處于電解車間的強磁場環境中，由于電磁干擾，其檢測環節勢必會產生一定的測量誤差，執行環節的電子元件也會因電磁干擾產生輸出誤差和電壓、電流不穩定等情況，各電氣元件長期處于疲勞運行狀態，嚴重影響電氣設備的使用壽命和使用效果。

3 解決方案的提出

根據以上對電解車間磁場的分析及對電氣設備影響的分析，可以采取有效的手段抑制電解車間強磁場對電解機組電氣設備的影響。

(1)增大輸出功率

對于電解機組啟動困難，可以適當提高電解機組行走電機的功率，變頻器也按照電機功率的增大適當加大輸出功率。輸出功率增加之后，電解機組在低頻啟動時啟動轉矩將得到大幅提高，有利于克服強磁場產生的阻力完成電解機組的啟動。

(2)車輪及車輪附近處材料的選擇

車輪及車輪附近采用無磁鋼等阻磁材料進行設計，對電解機組端梁被磁化后產生的磁場起到阻斷作用，減小車輪與軌道之間的磁場強度，減少電解機組啟動時受到的磁場阻力，從而降低設備的啟動轉矩。

(3)變頻器參數調整

變頻器起動模式設置為預勵磁啟動，在PLC輸出電解機組啟動信號后，變頻器對電機勵磁，但電機不旋轉，待電機勵磁電流達到一定程度后電機開始旋轉，有效增加了電機的啟動轉矩，有利于克服電解車間強磁場對電解機組的阻力。另外，有些品牌變頻器可以通過參數調整提高啟動時的初始電壓，以提高低頻啟動時的啟動轉矩。

(4)電控柜設計

所有電氣元件安裝在電控柜內，電控柜選用雙層結構，材料選用導磁性能好的金屬材料，使磁力線沿導磁材料制作的電控柜表面形成環路，大大降低電控柜內部的磁場，使得電控柜內部的電氣元件處于無磁或弱磁環境中，有利于抑制磁場對PLC通訊狀態的影響，同時也有利于提高電控柜內部電氣設備的使用壽命。

(5)電控柜位置

在對電解車間磁場分析時可知，導磁材料表面磁場強度較大，離電解槽進電母線越近，磁場越大。所以為了減小電控柜與大梁表面的接觸面積，遠離地面，電控柜不采用大梁側面側掛形式，而安裝在橋架上。另外，由電解車間磁場分析可知，供電側是橋架磁場強度最低的，為了降低電氣設備周圍環境的磁場，可以將電控柜安裝在靠供電側一側。

(6)PLC二次屏蔽

雖然采取以上措施，但電控柜內仍然避免不了存在一定的磁場，選用良好的導磁材料做成金屬罩，罩在各站點PLC外面，對PLC進行二次磁屏蔽，從而抑制磁場對PLC通訊的干擾，提高PLC運行穩定性。

(7)PLC的安裝

將各站點PLC用絕緣材料墊起來，使PLC與電控柜之間絕緣，通過通訊電纜屏蔽層的連接，各站點PLC處于同一電位，有利于抑制磁場對PLC通訊的干擾。

(8)信號線的屏蔽

信號電纜特別是模擬量信號電纜選用優質屏蔽電纜，電纜沿導磁的金屬線槽或橋架敷設，抑制強磁場對信號傳輸的干擾，避免產生較高靜電電壓而燒毀電氣設備。

4 結束語

通過對電解車間磁場的研究和分析，進一步了解了強磁場對電解機組電氣設備的影響，并根據分析結果提出了具體的措施和解決方案，最近幾年，采取了以上提出的各項措施，通過實際應用，提高了電解機組電氣系統的穩定性，提高了電氣設備的使用壽命，得到了良好的運行效果。相信在以后的設計工作中，會研究出更多、更有效的措施來抑制電解車間強磁場對電解機組的影響，電控系統會越來越穩定，甚至完全不受磁場影響。

[1] 白保東，關世海，劉萬年，王建，趙寒，劉忠君.大型鋁電解操作天車的電磁場計算及受力分析[J].金屬材料與冶金工程，2010，(5)：2.

[2] 趙新民.磁場環境對鋁電解多功能機組運行的影響[J].有色設備，2010：(1)：7.

[3] 閆照文，蘇東林，李朗如，楊溢.基于SNSYS分析的鋁電解槽電磁場計算方法[J].電機與控制學報，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 瑩(1979-)，男，遼寧錦州人，高級工程師，大學本科，主要從事電解天車、堆垛天車、焙燒天車、球磨機等設備電控系統的設計和調試工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司主管工程師。

TF821

B

1003-8884(2015)05-0006-04