铝电解系列全电流开/停槽技术技术原理一

2010-09-15 09:14阅读：

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铝电解系列全电流开/停槽技术
技术原理
杨涛
（贵阳铝镁设计研究院，贵阳550083）
摘要：本文介绍了电解铝系列的设计和生产特点，从理论上归纳了现有条件下进行系列全电流开/停槽的困难，以及需要解决的核心问题，并据此得出技术方案、方案实施时的具体步骤和各状态下电流、电势的转移情况。
关键词：电势；电流；状态分解；电压等级；各通路电流变化；
对系列全电流开/停槽技术的迫切需求是由电解铝系列设计和生产特点所决定的：铝电解槽内衬寿命有限，需要周期性停槽更换，更换完成后需要重新开槽启动；由于电解系列是由多台电解槽串联而成，当串联通路中的某台电解槽需要停槽或开槽时，传统的工艺只能将全系列停电，才能将该台电解槽从串联系列切断或接入，实现开槽或停槽。然而，全系列停电带来无功电能消耗、原铝减产、PFC全氟化碳气体大量排放、冲击电网、槽况波动等不利影响。
在传统工艺中，铝电解生产全系列不停电开/停槽一直是世界难题，国际国内铝工业界进行了大量电解系列全电流情况下的开槽和停槽研究和实践，如直接机

械开闭装置、熔断器保护装置、降电压方式和降电流等几种方式，但受工艺方法和安全性的制约，存在短路口燃弧能量高，可靠性差、适用性差、人工操作安全性差等缺点。
基于电解槽的设计和运行特点，开发出的特有技术和装备，实现了系列全电流下进行安全开槽和停槽操作，为企业带来节能、增产和减排的社会经济效益，现将本技术的原理和实施过程介绍如下。
1、基本原理
铝电解系列的每台电解槽均设计了并联旁路—多条槽底短路母线，各条槽底母线通过软带连接短路块，如下电路原理图所示：

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图1 系列中正常运行槽和停电大修槽的电路原理简图
当电解槽正常生产运行时，短路块和立柱之间插有绝缘插板，不通过电流，但电流仅通过电解槽以进行电化学反应；而停槽时，短路块和立柱之间通过螺栓压接通流，系列电流通过槽底短路母线进入到下游槽。短路块和立柱之间的间隙称之为短路口。如果在直流大电流下直接开合短路口，会引起高能量的直流电弧，导致人员和设备安全事故。与交流电不同，直流电弧能量较高且难熄灭。
因此，要在系列全电流下实现开槽和停槽，就要进行断开和闭合短路口操作，而如何在操作短路口过程中，降低立柱与短路块之间的直流电弧燃弧能量成为理论研究的核心问题。
根据电接触理论^[1]，可得到以下基本概念：
l 短路口接触面开合前后的电势及其变化梯度越小，燃弧总能量越小；
l 短路口接触面开合前后的电流及其变化梯度越小，燃弧总能量越小；
l 短路口接触面开合过程时间越短，燃弧总能量越小。
电弧总能量是在整个开合过程中（T），电弧产生的总能量，其值是电弧功率变化曲线在时间[0，T]区间内的积分，其值等于阴影面积。

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图2 理论电弧功率曲线
另据文献《电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响》^[2]的结论：“电压等级的提高将极大程度上提高电弧的燃弧时间和电弧能量。……相同的工作电流，电压等级提高1.5倍，电弧持续时间增长2.5倍多，增速约为前者的2倍；……在一定电压等级下，电弧燃弧时间和电弧能量随电流上升而增长，比电压引起的增幅要小。”
根据上述文献结论，可确定以下技术目标：
① 降低短路口接触面开合前后的电势；
② 降低短路口接触面开合前后的电流变化梯度；
③ 实现短路口快速、非人工、远程控制开闭。
2、技术内容

2.1 技术内容

根据上述技术目标，可确立技术内容如下：
① 在立柱和短路块之间，设置一条并联旁路，目的是降低短路口接触面开合前后的电势等级和电流变化梯度，使开合短路口过程中所产生的电弧能量降低。
② 设计短路口快速同步机械开闭机构，实现多个短路口的快速开闭动作，减少短路口开闭行程周期T，减少燃弧总能量；实现短路口非人工、远程控制开闭，提高安全性；另外，也可实现与换流开关组的联动控制。

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图3 装置方案原理图
如图3，电解槽开停槽时该装置直接安装在短路口处。停槽时，首先闭合换流开关，以降低短路口的电势能，再由机械驱动短路块快速闭合，将运行电解槽从系列中短路；开槽时，同样首先闭合换流开关，以降低短路口电势能，再由机械驱动短路口断开，最后断开换流开关，将大修电解槽接入电解系列。

2.2 与传统工艺比较

将本技术与传统工艺相比，其技术特点和优势列表如下：
表1 本技术与传统工艺比较表

项目	传统工艺	本技术
系列电流条件	系列零电流	系列全电流
降低短路口燃弧能量的手段	将系列电流降为零，短路口电势为零	使用换流开关分流，降低短路口电势到较低等级
短路口闭合或断开操作	人工操作短路口开闭	使用机械机构远程控制短路口开闭
对系列其它槽影响	使全系列电解槽停产和导致效应和PFC排放增加	无影响
对电网影响	会冲击电网	无影响
对自备电厂影响	会导致自备电厂停运	无影响
对整流机组影响	对缩短通流设备寿命	无影响

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