電解槽專用大電流開關的設計要點分析及在實踐中的應用

梁 軍

(四川啟明星鋁業有限責任公司，四川 眉山 620010)

從1886年發明冰晶石-氧化鋁溶鹽電解法以來，電解鋁技術有了重大的發展，尤其是在電解槽的生產能力方面有了很大的提高。研究發現通過提高電解槽電流是電解鋁增產的主要因素，而且隨著電流的增加，每千克鋁的電能消耗量明顯減少。所以鋁電解槽容量逐年增加：從最早的4～8 kA、320 kA、350 kA再到當前的500 kA、600 kA、660 kA系列電解槽。大型電解槽在投資效益方面具有單位產能投資少、噸鋁成本折舊資金少、設備維護成本低、勞力成本低等多項優勢。但是隨著電解槽容量的不斷加大，大型電解槽電壓的針振和擺動日益成為生產過程不穩定的重要因素，電解槽運行穩定性成為大型化的瓶頸，其穩定性研究已經成為設計和生產中越來越重要的課題[1]。

由于電解槽的供電采用大電流的直流電源，在系列全電流的情況下，閉合和斷開短路口會產生能量很高的直流電弧甚至可能發生爆炸。電解槽開槽用大電流開關(以下稱：開關組)是鋁冶煉行業不停電停開槽的專用設備，可實現系列不停電(全電流)情況下，電解槽的停、啟作業。它是一套安裝到電解槽陽極和陰極之間的分流設備，并在電解槽的槽電壓足夠低時，進行短路口的操作，從而實現電解槽的停止或投運。該開關組包括5臺單體開關、1臺控制柜、5根控制電纜，以及附屬的5套卡具。開關組配置的單體開關與卡具數量與特定的電解槽進電點數相對應。本文結合對大電流開關的實際運用以及大修和日常維護實踐，對該型大電流開關主要特點，以及檢修要點進行分析。

1 設備功能和參數

1.1 設備的功能

適用于電解槽的計劃停、啟作業，但不能用于電解槽出現事故時的緊急停槽，其實質是在電解槽不停電的情況下，利用該設備大電流通載的能力，對需要啟動焙燒的電解槽進行一定時限旁路分流的一套專用設備。

1.2 主要參數

1)最大允許通過電流：300 kA。

2)額定工況，單臺開關組壓降：≤200 mV。

3)主觸頭數量：6對/臺開關；壽命：≥1 000次。

4)滅弧觸頭使用壽命：≥100次。

5)連續通流時間：≤30 min。

6)安裝形式：垂直安裝。

7)防磁功能：良好。

8)操動機構：脈沖式直流電能量；合閘位子保持力(4 000±200) N；分閘位子保持力(1 000±100) N。

其結構如圖1所示。處于安裝就位狀態的5組開關如圖2所示。

圖1 開關結構示意圖

圖2 處于安裝就位狀態的5組開關

2 設備的主要特點及防護措施

作為電解槽啟動作業的旁路設備，設備的安全通流量必須大于或等于系列電流；同時，也應該滿足電解車間高溫、高粉塵、強磁場惡劣的工況，以確保電解槽啟動作業的安全。

2.1 防磁措施

為了保證設備能夠在電解車間強磁場環境下正常工作，該設備強化了防磁功能。主要體現在如下方面。

1)開關組采用脈沖直流電為操縱動能，電路由整流、儲能和調壓單元組成，為開關提供在強磁場環境下的閉合、分閘的操縱動能；避免了交流電器件在強磁環境中，不動作或動作不可靠的情況。

2)開關操動機構：觸頭動作筒內前、后端分別安裝了1塊永磁體，分別對應合/分2個狀態。在開關合閘狀態時，提供約4 000 N的保持力；在開關分閘狀態時，提供約1 000 N保持力。從而保證了該設備在300 kA直流電產生的強磁場環境下，準確可靠的合閘/分閘工作狀態。

3)開關等內部多個結構采用弱導磁的特種不銹鋼材料，確保開關在吊裝和工作時，不受磁場影響。

4)開關和控制柜的外罩均采用弱導磁的不銹鋼材料，增強其防磁功能。

加之開關內導電體均為銅質材料，可有效地防止操作機構吸附鐵質器件或雜質，造成機械卡阻或短路、接地故障，確保開關正常工作狀態。同時也能將強磁環境中的吊裝作業的影響，降低到最小程度。

2.2 防塵措施

電解車間工況存在金屬粉塵，如果不采取嚴格的防塵措施極易引起短路，為此筆者采取了如下措施。

1)主控制柜的防塵措施到位，各部位的密封條設置合理、可靠。

2)控制電纜插頭、插座采用航空插件，保證可靠的防塵和連接效果。

3)控制柜設置了一臺小型風機，控制柜正常通電作業時，通過風機的過濾系統，保持控制柜內部壓力大于外表壓力，防止在電解車間作業過程中，粉塵的進入。

3 控制方法和系統的特點

1)控制柜采用PLC控制技術，模塊化設計，控制原理如圖3所示。能夠實現同時控制多臺或單臺開關的分/合操作，不同步時間<20 ms，能夠確保多組單開關在實際應用中可靠、穩定運行。柜面安裝的觸摸屏，直觀的人機對話界面可供操作或檢修人員方便地查看操作次數、合/分閘電壓、線路故障等參數信息；還可通過管理系統，查詢合/分閘歷史記錄，以確定設備合理的維護保養時間。

圖3 控制原理方框圖

2)外部的信號采集中繼及輸出器件均采用了光電耦合固態器件，避免了使用的電磁式元器件在強磁場中的干擾或誤動[2]。

3)線路通斷檢測：為了保證設備的正常工作狀態，以確保每次電解槽啟動作業的安全；控制系統設置了故障診斷單元，即斷路檢測回路，將采集到的各單元開關到控制柜之間的連接狀態信號反饋至中央處理器，通過在操作顯示屏上顯示故障信息，便于操作人員觀察和確認系統的工作狀態。

4)主觸頭：主觸頭的表面采用了低電阻、耐燒蝕的復合材料，通過銅釬焊的方法，焊接在銅質的導電板上。

開關的觸頭分為動觸頭和靜觸頭2種。

5)預滅弧觸頭：由于直流電無過零點，使得分/合閘時的滅弧較交流電更為困難。該設備是在磁場中使用，觸頭在合閘/分閘瞬間，電解槽直流電磁場產生的磁吹效應提供部分滅弧功能[3]；由于6對主觸頭承擔了約60 kA的電流，因此仍需要解決合閘/分閘時產生的電弧對觸頭的燒蝕問題。為了保證開關組在分/合閘時可靠滅弧，延長主觸頭的壽命，開關設置了一只與主觸頭并聯的預滅弧觸頭，預滅弧觸頭由1只真空斷路器承擔。合閘時，預滅弧觸頭先于主觸頭接觸；分閘時，預滅弧觸頭后于主觸頭脫離，充分利用真空斷路器良好的滅弧性能，能夠有效地延長比較昂貴的主觸頭的壽命。直觀的人機交流界面極大地方便了操作、故障判斷和維護作業。

4 檢修過程中出現的問題與維護檢修方法

4.1 電控部分的維護、檢修

該設備的電控部分主要包含控制柜及附屬的電纜。

1)接通控制柜電源，進入系統管理菜單，查閱歷史故障記錄，處理好設備遺留故障。

2)接通充電回路，電路開始對電容器充電，正常情況下，40～60 s左右，操作回路的分閘、合閘電壓即可達到350～360 V，隨即線路檢測回路也檢測完畢，若各開關線路連接正常，此時觸摸屏界面顯示全部為綠色。若出現紅燈閃爍，表眀線路有故障(見圖4)，第4組單開關分閘回路檢測3路信號顯示出現了2綠1紅，表明有1路有故障，但這種情況尚不足以影響到分(合)閘的動作；如果3路中有2路及以上出現故障，則必須全面檢查和排除故障。

3)根據故障歷史記錄，檢查相應的控制電纜。檢查項目主要如下：外觀絕緣，航空插頭、插座；查看絕緣是否有破損，插頭、插座的完好，各線路的通斷情況；及時更換損壞的電纜、插頭和插座。

圖4 線路檢測故障界面

4)檢查柜內各元器件的狀態，是否有松動、燒蝕或過熱痕跡；及時更換損壞或老化的元器件。

5)檢查柜體密封情況，吹掃柜內灰塵。檢查風機工作是否正常。

注意：每次操作或維護、檢修作業完畢后，要把充/放電轉換開關打到放電位置，對電容器進行放電，并確認放電至0 V左右，以免造成電容器余電傷人事件。

4.2 開關組及附屬卡具的維護、檢修要點

1)開關外觀檢查，檢查外罩是否有松動的情況，檢查開關組的絕緣情況。

2)打開外罩，檢查操作機構各傳動軸、銷軸及其絕緣件的完好情況。因開關操動力較大，對操作機構的檢查要格外仔細；及時更換變形、開裂的零件。

3)通過觸摸屏管理系統，查閱開關組操作次數。檢查各主觸頭有無嚴重燒蝕或過熱情況，用平銼和砂紙，對有輕微燒蝕的觸頭接觸面進行打磨。檢查觸頭間隙，必要時要對觸頭的間隙重新進行調整；保證各組觸頭有比較均勻的接觸電阻，以免造成正常作業時分流不均、接觸電阻大的開關組燒毀，引發系列停電重大事故。

對觸頭的檢查也要結合實際操作時開關組的工作狀態；在開關組斷開時，內部出現正常的弧光和煙氣；但是如果個別開關產生的弧光或煙氣較大時，就要做好相應的記錄，在設備進行檢修時，針對性地檢查和處理。

當主觸頭燒蝕面積達到10%以上、復合材料與基體有裂紋時，應及時更換。燒蝕嚴重的主觸頭如圖5所示。

從圖5可看出，燒蝕嚴重的主觸頭，銅質的導電板因過熱，動靜觸頭和導電底板都產生了比較嚴重的氧化，觸頭表面的合金材料逐漸與基體分離；如果不進行更換，則會產生接觸不良—過熱氧化—接觸不良的惡性循環，導致該組觸頭燒毀，其他觸頭過流的，又引發開關組分流不均的“雪崩”效應，最終導致電解槽啟動作業意外開路，全系列停電的惡性事故

圖5 燒蝕嚴重的主觸頭

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安裝主觸頭時，必須使用壓力機進行壓裝，壓力值設定為200 kg左右。動靜觸頭安裝到位后，對各對動靜觸頭的間隙進行調整，調整的標準在10～10.5 mm。

動靜觸頭燒蝕比較嚴重時，需要拆下修理。用銼刀修平復合材料凹凸不平的表面，最后再用200目左右的砂紙打磨。觸頭安裝就位后，應檢查各對觸頭的接觸面積。使用2張白紙中間夾1張復寫紙，貼在靜觸頭與動觸頭之間處，對開關進行合閘/分閘操作，檢查復寫紙在白紙上留下的痕跡，判斷接觸面積的大小。

開關的第1代動靜觸頭接觸面為矩形，而第2代使用的接觸面為圓形，雖然接觸面積略小了點，由于提高了觸頭和導電底板安裝部位的加工精度，因此觸頭與安裝導電底板的有效接觸面積載流量也得到了提高。

4)檢查滅弧觸頭及其連接軟線，當滅弧觸頭燒蝕面積達到25%以上或瓷瓶有破損、裂紋時，應及時更換。

數次發現主觸頭燒蝕嚴重，最后檢查到均是因為滅弧觸頭連接軟線燒斷，造成6對主觸頭均出現了嚴重的燒蝕情況，而不得不全部更換。

5)檢查開關組的絕緣情況，其接地絕緣值不低于5 MΩ。

6)在檢查和確認開關組內無遺留物后，及時將開關外罩安裝就位。當在外罩揭開的情況下進行操作時，人員應與開關組保持安全距離，以免開關組在巨大的操作力作用下，開關松動的零部件飛出傷人。

5 結語

通過結合對大電流開關的實際運用以及大修和日常維護實踐，對該型大電流開關的設計思想和主要特點，以及檢修要點進行了分析，對其維護檢修中存在的關鍵性技術問題進行了總結，為電解槽專用大電流開關在維護維修方面提供可靠的參考，具有一定的現實意義。