鋁電解系列應急短路母線系統的設計與應用

李 揚

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

1 引言

鋁電解系列是由數百臺電解槽串聯組成的，幾十臺電解槽串聯形成一個工區。電解車間母線系統根據安裝位置不同分為車間母線和槽周圍母線。工區內的各電解槽由槽周圍母線系統進行連接，工區之間通過車間母線的連接形成一個生產系列。

正常情況下，當系列中某臺電解槽發生漏爐時，可通過槽周圍母線系統中自帶的短路母線將漏爐電解槽短接掉，從而保證系列電解槽正常生產。但當電解槽發生事故、立柱母線短路口發生故障時，母線系統自帶的短路母線系統已無法正常使用，此時，需在事故電解槽上架設應急短路母線，從而將事故電解槽短接掉。

近幾年來，因現場人員誤操作或管理不當引起的電解槽事故頻發。2021年11月份，云南某鋁廠500kA鋁電解系列，因電解槽漏爐、短路口爆炸，造成全系列33萬噸電解鋁產能停產，雖經數天搶險和處理后系列開始帶電復產，但造成的經濟損失和社會影響是巨大的。因此，應急母線系統的研發，可在電解槽事故中及時將事故槽短接掉，縮小事故影響范圍，降低因事故對企業帶來的經濟損失，具有重大的經濟效益和社會效益。

母線系統事故的危險點主要集中在槽周繞行母線及陰極軟帶熔斷和立柱母線短路口爆炸兩種情況。尤其是后者，在各種事故中幾率最大，占比最高，因此，電解鋁廠需制作與母線系統配套的應急短路母線。

2 應急短路母線的設計

當上述兩種事故發生時，原母線系統的短路母線已無法承擔短路作業，需在事故槽及周圍槽架設應急短路母線。鋁電解槽事故類型是多樣的，事故影響的范圍也不確定。因此，如何設計一套全面、系統且靈活的應急短路母線系統是設計的難點。根據事故類型及影響范圍的不同，所適合的應急短路母線也不同，有時甚至需要多種應急短路母線配合使用。根據連接位置的不同，應急短路母線可以分為以下幾種類型。

2.1 中間槽“跨槽”應急短路母線

當事故槽所在位置為中間槽，立柱短路口破損嚴重，立柱母線主體結構破損嚴重時，需選用中間槽“跨槽”應急短路母線裝置。將本裝置架設在事故槽上游槽及下游槽的陽極大母線之間，從而將事故槽完全短接掉。裝置兩端均采用壓接方式安裝。圖1為某600kA鋁電解槽中間槽“跨槽”應急短路母線示意圖。

圖1 中間槽“跨槽”應急短路母線示意圖

2.2 中間槽“單槽”應急短路母線

當事故槽所在位置為中間槽，立柱短路口破損，但立柱母線主體結構完整時，可選用結構較為簡單的中間槽“單槽”應急母線裝置對事故系列進行搶救。

將本裝置架設在事故槽出電側（B側）陽極大母線與下游槽對應立柱母線之間，事故的上、下游槽仍可正常運行。圖2為某600kA鋁電解槽中間槽“單槽”應急短路母線示意圖。

圖2 中間槽“單槽”應急短路母線示意圖

2.3 端頭槽應急短路母線

當事故槽所在位置為端頭槽，立柱短路口破損嚴重，短路口已不能正常運行時，需選用端頭槽應急母線裝置。本裝置根據安裝位置的不同，分為進電端端頭槽應急母線裝置和出電端端頭槽應急母線裝置。

通過本裝置的安裝，對因端頭槽母線破損引起的系列事故進行搶救。本裝置需安裝在事故槽陽極大母線與上、下游車間母線立柱之間。圖3～4為某600kA鋁電解槽端頭槽應急短路母線示意圖。

圖3 進電端端頭槽應急短路母線示意圖

圖4 出電端端頭槽應急短路母線示意圖

3 應急短路母線的應用

鋁電解生產過程中可能發生突發母線系統事故的類型是多種多樣的，雖無法預判，但通過將上述三種應急短路母線配合使用，基本可以滿足常見母線系統事故的應急處理要求。

3.1 槽周繞行母線中非短路母線破損時

鋁電解槽槽周圍母線系統中，都配有短路母線系統，鋁電解槽正常停槽時，流經立柱的電流，通過立柱母線短路口聯通至各個支路的短路母線后，再匯入下游槽的立柱母線上。

因此，當槽周繞行母線中非短路母線破損，且立柱母線短路口完好時，可利用槽周圍母線自帶的短路母線系統進行正常短路，停槽后修復損壞母線即可。此時，不需要使用應急短路母線。

3.2 槽周繞行母線中短路母線破損時

當槽周繞行母線中的短路母線破損時，立柱短路口流經的電流已無法通過繞行母線通往下游槽立柱，此時，可利用單槽應急短路母線進行短接，停槽后修復損壞母線。

電流從上游槽流經事故槽立柱母線后，無法從立柱短路口進行短接。通過在事故槽陽極大母線與下游槽立柱母線之間架設單槽應急母線裝置，將事故電解槽立柱上的電流直接導入至下游槽立柱中。此時事故電解槽的上、下游電解槽仍可正常通電。

可正常通電的電解槽能否生產還取決于其他方面的情況，如磁場分布狀況、周圍環境等，如不能生產則需使用該槽立柱母線短路口進行短路停槽。

3.3 立柱母線短路口破損時

當立柱母線短路口破損時，可利用跨槽應急短路母線和單槽應急短路母線聯合使用進行短接。當事故造成的影響較小，僅單臺槽立柱短路口破損，立柱母線本體較為完好時，可利用單槽應急短路母線將單臺事故槽短接，其上下游槽均可正常通電；當事故造成的影響較大，立柱母線本體也存在破損時，可利用跨槽應急短路母線進行跨槽短接；當事故造成的影響波及多臺電解槽時，可根據立柱的破損情況，選擇多組跨槽應急短路母線和單槽應急短路母線聯合使用進行短接。

3.4 事故槽為進電端端頭槽時

當事故槽為進電端端頭槽時，可利用進電端端頭槽應急短路母線和單槽應急短路母線聯合使用進行短接。當事故造成的影響較小，僅進電端端頭槽立柱短路口破損，立柱母線本體較為完好時，可利用單槽應急短路母線將單臺事故槽短接，其上下游槽均可正常通電；當事故造成的影響較大，立柱母線本體也存在破損時，可利用端頭槽應急短路母線進行短接；當事故造成的影響波及多臺電解槽時，可根據立柱的破損情況，選擇多組單槽應急短路母線和單組端頭槽應急短路母線聯合使用進行短接。

電流通過進電端端頭槽應急短路母線從上游的車間母線直接導入事故槽的陽極母線，然后通過單槽應急短路母線將電流導入下游槽立柱母線。

3.5 事故槽為出電端端頭槽時

當事故槽為出電端端頭槽時，可利用出電端端頭槽應急短路母線和跨槽應急短路母線聯合使用進行短接。

當事故造成的影響較小，事故槽的立柱本體無破損時，電流通過事故槽立柱后，無法通過短路母線進行短接，電流從陽極母線流向B側，經出電端端頭槽應急短路母線，將電流送至下游車間母線上，從而將事故槽短接。短接后的事故槽，可正常修復受損母線。

當事故造成的影響較大，事故槽的立柱本體受損時，需在事故槽與上游槽上架設跨槽應急短路母線，再配合出電端端頭槽應急短路母線將電流送至下游車間母線上，此時，事故槽及上游槽均需停槽。

4 應急短路母線配套裝置

應急短路母線在安裝及拆卸過程中，需考慮其吊運、壓接、支撐、調節及絕緣等配套裝置的設置。

4.1 吊運

現場需設置轉運小車，當事故發生時，第一時間將合適的應急短路母線運送至事故槽附近；同時，所在工區的天車需配合完成應急短路母線的吊運。

4.2 壓接

應急短路母線兩側壓接口需進行研磨，粗糙度Ra≤3.2μm。通常兩側均選用方管梁和雙頭螺栓進行壓接。

4.3 支撐及調節

應急短路母線裝置中需設置配套的支撐及調節裝置，因應急短路母線中，通常會設置兩處鋁軟帶用于調整裝置長度配合安裝空間，因此，支撐裝置可將鋁母線、鋁板及鋁軟帶固定形成一個整體裝置，從而方便現場吊運安裝。該裝置需滿足固定、支撐及調節三項功能，同時可將吊耳設置在該裝置上。該裝置兩側設置了弧形調節孔，可適當調節支撐裝置行程，裝置上設置一處調節手輪，手輪與壓接裝置配合將應急短路母線與上下游槽壓接面壓緊。圖5為支撐調節裝置示意圖。

圖5 支撐調節裝置示意圖

4.4 絕緣防護

應急短路母線通常架設在電解槽上方，為了確保安全，在應急短路母線下方設置絕緣防護罩，并放置警示牌，提醒人員無特殊情況不可在應急短路母線下方行走。圖6為絕緣防護罩示意圖。

圖6 絕緣防護罩示意圖

5 結束語

近幾年來，因槽周母線損壞引起的電解鋁廠事故時有發生，電解槽漏槽并發生火災，導致全系列緊急停產，對企業生產經營造成嚴重影響。

應急短路母線是一項可以挽救因事故造成母線損壞、造成電解系列癱瘓的有效措施。預先準備好各種類型的應急短路母線可有效減少由于事故所帶來的損失，同時，企業應制定安全生產事故應急預案，提高員工日常的安全防范意識，加強巡檢及各崗位間的溝通，避免因誤操作引起的電解槽生產安全事故。