鋁電解槽多點接地故障位置的檢測方法

何立婧,羅 建,顏非亞,何 嵩

(1.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室,重慶 400044；2.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

鋁電解槽接地故障是鋁電解企業最常見的故障之一。電解槽接地故障會引起直流母線漏電,使槽產鋁量減小,降低企業經濟效益[1]。為了提高鋁電解企業經濟效益,有必要及時檢測出鋁電解槽接地的故障位置,以便快速排除鋁電解槽接地故障。

目前國內鋁電解企業主要采用三種檢測方法來應對鋁電解槽接地問題。第一種是通過兆歐表或外加信號檢測電解槽對地絕緣電阻,由對地絕緣電阻大小來判定鋁電解槽是否存在接地故障[2],此檢測方法很難確定鋁電解槽接地的故障位置。第二種是檢測電解槽對地絕緣電壓,通過不同點所測的電解槽對地絕緣電壓來判斷鋁電解槽接地故障位置,如文獻3利用檢測端的電壓差來判定鋁電解槽打殼氣缸的絕緣異常,對于鋁電解槽多點接地情況這種檢測方法幾乎無能為力。第三種是零點漂移檢測法,通過檢測不同點接地電壓的大小來計算鋁電解槽接地故障的位置[4],但該檢測方法很難確定鋁電解槽多點接地故障位置。

綜上,目前尚未有一種有效的檢測方法來確定鋁電解槽多點接地故障位置,由此,有必要尋找一種新的檢測方法來確定鋁電解槽多點接地故障的位置。本文利用電橋平衡的原理[5],利用多個檢測電橋并聯與鋁電解槽地端連接的方法來檢測鋁電解槽接地故障位置。當鋁電解槽發生單點或多點接地后,其接地阻抗發生變化,從而導致相應點的檢測電橋產生不平衡,依據檢測電橋電流的幅值和相位的變化規律,可確定鋁電解槽單點或多點接地故障位置。

1 鋁電解槽接地故障位置檢測原理

鋁電解槽供電方式是一種特殊的不接地直流供電系統,直流供電電源為±600 V,其強大的電流是通過直流母線和電解槽構成回路,如圖1所示(某鋁電解企業的鋁電解槽供電原理圖)[6]。

圖1 鋁電解槽供電原理圖

正常情況鋁電解槽的對地絕緣良好,接地電阻通常為兆歐級。當鋁電解槽絕緣損壞時,接地阻抗減小,絕緣損壞愈嚴重,接地阻抗愈小。

本文利用電橋平衡原理檢測鋁電解槽接地故障位置。當有電解槽發生接地時,原本平衡的電橋不平衡,其電橋電流的幅值和相位都可能出現變化,依據電橋電流幅值和相位的變化特征就可檢測出鋁電解槽接地故障位置。如圖2為鋁電解槽接地故障位置檢測的原理圖。

圖2 鋁電解槽接地故障位置檢測的原理圖

其中:1#～n#——n個電解槽;

A——電流傳感器,檢測電橋電流;

Zd1～Zdn——電解槽對地電阻;

Cd1～Cdn——電解槽對地電容；

Zb1～Zbn——等值橋臂電阻。

兩個相鄰橋臂電阻、兩個相鄰槽對地電阻和一個電流傳感器共同構成一組電橋。如圖n個橋臂電阻,n個電解槽和n-1個電流傳感器,共同構成了n-1組并聯電橋。外加一個已知頻率和幅值的交流電壓源。

當電解槽正常運行,n-1組電橋均處于平衡狀態,流過電流傳感器的電流幾乎為零。當有鋁電解槽發生一點或多點接地故障時,相應的電橋處于非平衡的狀態,電橋電流的幅值和相位將可能出現變化,依據電橋電流幅值和相位的變化特征就可檢測出鋁電解槽一點或多點接地故障位置。本文將在下一節給出鋁電解槽發生一點或多點接地故障時的相應電橋電流幅值和相位的變化特征規律。

由于電橋電流所檢測的電流數值十分微弱,有可能小到微安級,本文采用改進的自適應濾波算法{7}來計算電橋電流的幅值和相位,以提高電橋電流的檢測精度。

2 鋁電解槽接地故障位置的仿真分析

以十個鋁電解槽為例,運用MATLAB對鋁電解槽接地故障位置的電橋電流幅值和相位變化特征規律進行分析。

其中:交流電壓源幅值200 V,頻率250 Hz;

直流電源幅值為600 V;

Zb——橋臂電阻,200 Ω;

1*～10*——10個電解槽;

1#～9#——9個電流傳感器,用來檢測電橋電流;

C1～C10和L1～L10——模擬的隔離直流器件,分別為0.01 F,0.001 L;

Cd1～Cd10——對地電容,5 mF;

Zd1～Zd2——正常情況電解槽對地阻抗,4 MΩ;

Rd——模擬的大地電阻,0.1 Ω。

將從1槽流向n槽的電流方向設為正向;反之,為負向。

2.1 接地故障時的電橋電流幅值和相位變化特征規律

(1)正常情況下

電橋電流數據見表1。

表1 正常情況下電橋電流數據

如表1所示,鋁電解槽無接地故障的正常情況下,電橋平衡,所有電橋電流幾乎都小于或等于1微安,其值幾乎為零。因此,當所有電橋電流幅值幾乎為零時,鋁電解槽無接地故障發生。

(2)單點接地(8槽接地)

Zd8’=0.001 Ω,電橋電流數據見表2。

表2 8槽接地故障時電橋電流數據

當8槽發生接地時,如表2所示,電橋1到7的電流方向為正,其電流幅值處于有規律的均勻增大變化,電橋8和9的電流方向為負,其電流幅值處于有規律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發生由正到負改變。

(3)兩點接地(4和8槽接地)

Zd4’=Zd8’=0.001Ω,電橋電流數據見表3。

表3 4和8槽接地故障時電橋電流數據

4 和8槽發生接地時,如表3所示,電橋1到3的電流方向為正,其電流幅值處于有規律的均勻增大變化,電橋4的電流方向為負,電橋3與電橋4間的電流方向發生由正到負改變;電橋5到7的電流方向為正,其電流幅值處于有規律的均勻增大變化,電橋8和9的電流方向為負,其電流幅值處于有規律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發生由正到負改變。

(4)三點接地(4,6,8槽接地)

Zd4’=Zd6’=Zd8’=0.001Ω,電橋電流數據如表4。

表4 4,6和8槽接地故障時電橋電流數據

4,6和8槽發生接地時,如表4所示,電橋1到3的電流方向為正,其電流幅值處于有規律的均勻增大變化,電橋4和5的電流方向為正,其電流幅值處于有規律的均勻增大變化,電橋3與電橋4間的電流幅值發生不均勻減小改變;電橋6電流方向為負,電橋5與電橋6間的電流方向發生由正到負改變;電橋7的電流方向為正,電橋8和9的電流方向為負,其電流幅值處于有規律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發生由正到負改變。

鋁電解槽發生一點或多點接地故障時,從1槽流向n槽的方向觀察以上的故障點相應電橋電流幅值和相位的變化特征,可總結得到如下規律:

(1)只要電解槽相連兩個電橋電流方向由正到負改變,該電解槽有接地故障。

(2)對于電橋電流方向都為正或負的情況,只要電解槽相連兩個電橋電流幅值出現不均勻減小或增大變化,該電解槽有接地故障。

2.2 接地阻抗變化

當電解槽發生接地故障時,由于電解槽的絕緣損壞情況不同,接地阻抗也有所不同。為了反映不同接地阻抗對電橋電流幅值和相位的影響,本文在電解槽8發生接地故障時,改變電解槽8的接地阻抗,其各個電橋電流幅值和相位的變化如表5所示。

表5 改變接地故障點接地阻抗時電橋電流數據

由表5可見,當接地阻抗小于100 kΩ時,電橋1到7的電流方向為正,其電流幅值處于有規律的均勻增大變化,電橋8和9的電流方向為負,其電流幅值處于有規律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發生由正到負改變,可正確反映電解槽8發生的接地故障。當接地阻抗大于500 kΩ時,電橋電流幅值已在1微安附近,這與鋁電解槽無接地故障的正常情況相差無幾。

由上可得出,當接地阻抗小于100 kΩ時,電解槽接地故障位置能正確判斷,當接地阻抗大于500 kΩ時,電解槽接地故障已與正常情況混淆。

3 結 論

針對目前尚無有效檢測方法來確定鋁電解槽多點接地故障位置的問題,本文提出一種利用電橋平衡原理檢測鋁電解槽多點接地故障位置的方法。

鋁電解槽發生一點或多點接地故障時,從正方向上觀察故障點相應電橋電流幅值和相位的變化特征,通過分析本文總結如下兩條規律:電解槽相連兩個電橋電流方向由正到負改變,該電解槽有接地故障;對于電橋電流方向都為正或負的情況,只要電解槽相連兩個電橋電流幅值出現不均勻減小或增大變化,該電解槽有接地故障。

當接地阻抗小于100 kΩ時,電解槽接地故障位置能正確判斷,當接地阻抗大于500 kΩ時,電解槽接地故障已與正常情況混淆。

相比于已有的其它檢測方法,所提方法為鋁電解槽多點接地故障位置的確定提供了一種實現途徑。