基于罗氏线圈的矿热炉电极电流检测系统

宋令令

大连重工机电设备成套有限公司 辽宁大连 116013

矿热炉冶炼运行和电极培烧，无论是人工手动操作还是计算机自动控制运行，都离不开电极电流，电极电压的实时测量和检测。尤其是电极电流测量的准确与否，直接影响到电极的运行策略和冶炼的质量。矿热炉电极电流通常在数万到数十万之间随工艺状况而变化，且瞬时突变剧烈，因此如何检测是一个重要的问题。传统的矿热炉一般是通过在变压器一次侧安装电流互感器，测出一次侧电流，然后根据电极电流和一次侧电流的映射关系折算出电极电流。但在电炉二次侧加入无功补偿设备后，一次电流减小，尤其是各相补偿投入量不平衡时，改变了一次侧电流与电极电流的映射关系，这样以来按照传统方法折算出来的电极电流就不准确了。近年来，罗氏线圈由于具有线性度良好，内部不含铁芯，无磁饱和现象，测量频带宽，而且准确度高，在测量大电流时具有优良的稳态性能和暂态响应，绝缘结构简单，无安全隐患等优良特性，在交流大电流测量中得到了广泛应用。本文介绍了一种基于罗氏线圈的电极电流检测系统，能够比较精确的计算出电极电流，结合电极电压数据，配合功率模块，还能计算出电极功率，功率因数等电能参数[1]。

1 矿热炉供电系统

矿热炉整个供电由三台大容量单相变压器、短网、连接铜排及电极组成。三个电极U、V、W构成星形接法，变压器通过短网及同名端铜柱与电极相连。其中变压器I的A相与U电极相连，x相与W电极相连，变压器II的B相与V电极相连，y相与U电极相连，变压器III的C相与W电极相连，z相与V电极相连。根据基尔霍夫电流定律，电极电流等于相邻两个变压器异名端的电流矢量和。由于变压器二次侧额定电流很大，变压器每相出线铜排采用多组，每组端子管状水冷。两列之间间距为150mm左右，每个端子上下间距约为180mm。

2 罗氏线圈和积分器

罗氏线圈及配套积分器是一种通用的电流测量系统，应用的场合很广泛，它对待测电流的频率、电流大小、导体尺寸都无特殊要求。系统的输出信号与电流频率无直接关系，相位差小于0.1%，可测量波形复杂的电流信号，如瞬态冲击电流。罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，线圈的输出电压可以用公式Vout=M di/dt来表示。其中M为线圈的互感。di/dt则是电流的变比。通过采用一个专用的积分器将线圈输出的电压信号进行积分可以得到另一个交流电压信号，这个电压信号可以准确地再现被测量电流信号的波形。

3 矿热炉电极电流检测系统

矿热炉电极电流检测系统由变压器二次侧电流测量系统和电极电流矢量合成系统两部分构成。在每个变压器二次侧16个铜柱上安装罗氏线圈，通过积分电路板同相矢量迭加，测量变压器二次侧同名端相电流∑a1-8、∑x1-8,输出AC0-5V信号，用于后端合成电极电流；根据电极电流计算模型，将相邻两相变压器二次相电流矢量迭加合成真实的电极电流信号（线电流），该电极电流具备在现场就地显示和远传功能，远传信号为DC4-20mA，用于电极调节控制，同时也输出AC0-5V信号用于电能参数计算。整套系统在每个变压器室设置一台电流积分箱，测量本变压器的相关电流值。在中心控制室设置一台总控箱，箱内安置三台电流迭加器，分别对变压器I的A相电流与变压器II的y相电流相迭加，从而测量电极U的线电流，其他变压器电流的测量同上述；同时在总控制箱内安装功率模块，通过电极电流、电压，计算出每个电极单相功率(有功、无功、视在)、单相功率因数，同时将单相有功功率、无功功率、视在功率、单相功率因数通过标准RS485接口远传至计算机系统。计算所需电流信号取自三台电流积分器箱，电压信号取自电极电压测量箱[2]。

4 系统安装与使用

罗氏线圈安装时，传感器套入变压器的输出铜管a，x（单相变压器），并且保证传感器的输出信号线方向为同方向输出。将传感器引线接入变压器侧控制箱内的电流叠加器接线端子，红线接“+”，黄线、屏蔽层接“－”。电流叠加器未使用的输入端子，将＋、－端子短接。罗氏线圈在安装时可以适当弯曲，转弯半径大于30mm。尽可能的保证电流传感器安装后母线位于线圈中心。线圈安装时必须保证电流传感器出线方向一致，否则总加器的输出数值异常。完成变压器侧控制箱，总控制箱安装以及电缆布线后即可对系统进行调试。本电极电流测量系统经我公司多个矿热炉项目实际应用，所测数据输出信号稳定。采用基于电极电流的控制策略控制电极的升降运行，对炉子的控制更加精准，冶炼效果大大提升[3]。

5 结语

矿热炉电极电流在电极控制和电能电耗计算方面起着至关重要的作用，本文采用线性度良好，不饱和也无磁滞现象的罗氏线圈设计了矿热炉二次侧电流检测系统，根据测试数据表明系统具有很高的精度，实现了既定的功能，具有很高的应用价值。经我公司在矿热炉现场的实际应用，通过该方式测量的电极电流相比过去的测量方式更加准确、实时，并且该系统运行稳定，抗干扰强，应用性强，故障率低，支持MODBUS协议，能将电机电能参数上传控制系统，方便用户更加准确的了解矿热炉的运行状况，进而可以更好的控制矿热炉，以降低电耗、提高产品质量，所以该电极电流检测方式完全能够在矿热炉行业中推广应用。