大容量鋁電解系列母線系統絕緣優化及應用

2021-04-06 02:53:54張思源涂嘉慶藍美娟

輕金屬 2021年3期

張思源,涂嘉慶,梁凱,藍美娟

(浙江安防職業技術學院，浙江溫州 325016)

隨著中國鋁工業供給側結構性改革和嚴控產能等措施的逐步深入[1],國家對電解鋁新建項目的審批愈加嚴格,并且需要匹配產能指標。為了充分利用產能指標,同時降低人力成本,電解鋁行業開始效仿西方國家的電解鋁企業生產模式,通過提高陽極電流密度追求產量及經濟效益最大化。目前電解鋁新建項目的電流密度均在0.8 A/cm2以上,預計以后新建項目產能要達到0.85 A/cm2以上,同時電流強度也均為500 kA級別以上,系列電壓也達到了1600 V左右[2]。在這種高電流密度、高系列電壓下,母線絕緣技術及應用對電解系列安全生產重要性尤為突出。母線的良好絕緣直接影響到電平衡、磁流體穩定性、人身安全和設備安全,甚至有造成電解系列停、減產的可能[3]。

因此,需要更加規范的絕緣形式及絕緣材料才能滿足母線在新技術趨勢下的絕緣要求。本文以國內某鋁廠的絕緣系統優化升級項目為例,重點研究能夠滿足高電流密度和大容量電解槽的母線絕緣技術,為現運行系列如何有效消除生產過程中的安全隱患,減少一部分電能的浪費提出建議。同時提出能夠滿足新建項目和規劃項目的絕緣方式,為大容量電解系列的安全生產提供有力保障。

1 問題提出

國內某鋁廠500 kA電解系列自投產后,運行穩定并于最近逐漸進入第一個大修周期。但隨著槽齡的增加,電解系列中逐漸出現如下問題:

(1)母線系統零點漂移。對系列進電端和出電端的電壓進行跟蹤,發現進出電端電壓絕對值差異很大,并且不穩定,經常出現大幅度的變化,嚴重影響電解系列的安全性和供電系統的穩定性;

(2)某次工區通電操作,造成連接母線從支墩上脫落,如圖1所示;

圖1 連接母線滑動脫落圖

(3)電解槽打火常有發生,并且持續漏電,造成局部熔斷;

(4)電解槽槽蓋板和槽殼經檢測帶電,造成電流效率降低;

(5)關鍵位置對地絕緣電阻遠小于基本要求的1 MΩ,其中部分位置還存在導電介質;

(6)短路口時有擊傷發生,影響系列安全,如圖2所示。

圖2 短路口位置擊傷圖

而電解系統絕緣的基本要求如表1所示,對比表中要求和實際測試結果,電解槽打火、槽間蓋板帶電、槽殼帶電、母線對地絕緣值等都與基本要求差距很大,更何況該系列屬于超大容量電解槽。因此對比結果明顯說明了該電解系列的電解槽和母線絕緣方面已出現系統性問題。

表1 電解槽及母線系統絕緣基本要求

鑒于以上問題,從2019年開始,該企業對電解系列進行系統性的排查,并利用電解槽大修的機會,對上部結構和槽殼進行絕緣材料的替換和修復,消除槽結構本體的漏電風險并恢復電解槽本身的絕緣性能。但母線系統由于其特殊性,為保證安全,除進行排查外,在重點位置制定了絕緣專項升級優化方案。

2 母線系統重點位置絕緣升級優化方案

結合近年來現場安全事故及總結的寶貴經驗,為解決零點漂移、漏電、短路口擊燒等絕緣安全問題,母線系統需要首先解決連接母線滑動脫落的問題,然后重點升級優化立柱及短路母線的絕緣、連接母線的絕緣和補償母線的絕緣[4]。

2.1 連接母線

該鋁廠發生圖1所示的連接母線滑落的事故,究其原因是沒有考慮到平行的連接母線之間電磁力的相互作用。這些平行母線在通電情況下之間作用力如公式(1)和公式(2)所示。

(1)

F=BIL

(2)

式中:u0——真空磁導率,H/A,一般情況下u0=4πe-7;

I——電流強度,A;

R——計算位置與導線的距離,m;

B——磁感應強度,T;

L——母線長度,m;

F——電磁力,N。

根據上述公式,該鋁廠的連接母線受力結果如表2所示。

表2 短路母線絕緣形式

本項目采用500 kA電解槽,該槽型的通廊和過道連接母線平行并排6根,并均分500 kA電流,相鄰兩根母線間距均為3 m左右,如圖3所示。表1顯示在單根連接母線83,333 A電流,2根連接母線間距3 m時,長度為18 m的母線在通電的瞬間將受到8333 N的水平推力。由于各母線電流方向相同,所受的水平推力為吸引力。按0.1的摩擦系數和400 mm×660 mm的母線截面計算,母線所受最大摩擦力為12,575 N,因此只考慮1根平行相鄰的連接母線時,母線所受水平推力F小于最大摩擦力,因此該情況下母線不產生加速度,所受靜摩擦力等于水平推力。

圖3 母線受力分析示意圖

考慮2個相鄰母線時,2根母線的累加水平推力達到了12,500 N,與最大摩擦力基本相等,此時母線基本處于臨界狀態。

但當考慮3個臨時母線時,母線所受累加水平推力F達到了15,278 N,F大于最大靜摩擦力12,574 N,母線將產生加速度和位移,加速度為0.211 m/s2。

當考慮所有相鄰的5根母線時,累加水平力達到了19,028 N,加速度達到了0.503 m/s2。如此的加速度勢必造成水平放置的母線移動,并導致薄弱處母線滑落,形成了該鋁廠的安全事故。

因此在本次升級項目中,對連接母線及絕緣進行了如下改造:

(1)使用千斤頂,電動葫蘆等工具,配合絕緣設備將滑落母線恢復回位;

(2)根據不同母線受力情況,將連接母線的支墩均升級成圖4所示的U型支墩或L型支墩。通過對母線側部進行約束,防止母線因受水平力滑落;

圖4 異型支墩絕緣形式

(3)連接母線自身增加固定夾,將母線固定為整束。如圖5所示,用緊固件將角鋼及母線固定,然后在角鋼和母線之間插入兩層SMC絕緣板進行隔離,以確保外側角鋼和雙頭螺柱的絕緣;

圖5 連接母線固定夾及絕緣形式

(4)在母線下方自下而上設BMC絕緣板、石棉橡膠板、SMC絕緣板,共三層絕緣;在母線的側面同樣設三層絕緣板,其中兩層為SMC絕緣板,中間一層為BMC絕緣板,以確保母線對地絕緣。

經過上述升級改造后,從根本上杜絕了母線再次滑落的風險,同時連接母線對地電阻經檢測達到了2 MΩ以上,達到了基本要求的2倍,為系列安全運行提供了有力保障。

2.2 立柱及短路母線

立柱母線和短路母線總是結合在一起發揮作用,但在電解槽的正常生產和短路時,立柱母線和短路母線發揮的作用又不相同,導致該位置的絕緣處理比較復雜,一旦處理不好容易引起漏電打火等情況。為了消除安全隱患,保證系列安全,立柱及短路母線的絕緣作如下升級:

(1)由于本體槽的短路塊置于上游槽的槽周圍母線上,雖然設計上兩者之間存在一定空間,但為保證不接觸,在短路塊下方增加1層30 mm厚BMC絕緣板,如圖6。

圖6 立柱及短路母線絕緣升級基本方案

(2)使用2層疊加的SMC絕緣板互相垂直插入到立柱母線和短路母線壓接塊之間,替代之前的單層方案,2塊SMC絕緣板見圖6中的*所示。

(3)使用SMC絕緣套管結合復合絕緣螺柱的形式,替代之前的鋼制螺柱,進一步提高絕緣能力。該位置使用的2層垂直疊加的SMC板以及SMC絕緣套管結合復合絕緣螺柱的具體形式如圖7和圖8所示。

圖8 SMC絕緣板及復合絕緣螺柱絕緣形式

經過上述升級后,該位置對地電阻同樣達到了2 MΩ以上,同樣達到了基本要求的2倍,同時消除了短路口爆炸的安全隱患。

2.3 補償母線

該鋁廠補償母線的電流強度非常大,但補償母線和系列母線又不是同一電位,一旦發生絕緣安全事故,易引起爆炸事故,對系列的安全影響極大。對于本項目,考慮從以下三方面入手:

(1)補償母線同樣受到系列母線的電磁力影響,需要將支墩升級成與連接母線類似的異型支墩絕緣方式;

(2)完善升級補償母線的絕緣隔離系統,進一步消除補償母線與系列母線或第三方接觸的風險;

(3)在補償母線與系列母線交叉處使用優化后的絕緣形式,防止不同點位的交叉位置有金屬搭接。

如圖9所示,在原有絕緣設施之外,本次在平行的補償母線之間增加了SMC絕緣套管,并增加了補償母線側部的SMC隔離板,將外補償母線與工人正常操作完全隔離。同時為確保安全,增加的該設施與補償母線是平行且同長度的。

圖9 外補償母線絕緣隔離系統剖視圖

通廊、系列端頭處的補償母線會與系列母線存在交叉,雖然兩條母線的標高不同,但存在巨大的電位差。因此在交叉處對補償母線和系列母線進行幾乎全封閉的絕緣升級,如圖10所示。首先使用4塊L型BMC絕緣塊置于母線四周,然后使用SMC絕緣板、SMC絕緣角鋼和PET塑鋼帶進行固定和封閉,保證兩條母線在交叉點位置零接觸。