铝电解槽多点接地故障位置的检测方法

2021-08-25何立婧颜非亚

轻金属 2021年7期

何立婧,罗建,颜非亚,何嵩

(1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 400044；2.贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州贵阳 550081)

铝电解槽接地故障是铝电解企业最常见的故障之一。电解槽接地故障会引起直流母线漏电,使槽产铝量减小,降低企业经济效益[1]。为了提高铝电解企业经济效益,有必要及时检测出铝电解槽接地的故障位置,以便快速排除铝电解槽接地故障。

目前国内铝电解企业主要采用三种检测方法来应对铝电解槽接地问题。第一种是通过兆欧表或外加信号检测电解槽对地绝缘电阻,由对地绝缘电阻大小来判定铝电解槽是否存在接地故障[2],此检测方法很难确定铝电解槽接地的故障位置。第二种是检测电解槽对地绝缘电压,通过不同点所测的电解槽对地绝缘电压来判断铝电解槽接地故障位置,如文献3利用检测端的电压差来判定铝电解槽打壳气缸的绝缘异常,对于铝电解槽多点接地情况这种检测方法几乎无能为力。第三种是零点漂移检测法,通过检测不同点接地电压的大小来计算铝电解槽接地故障的位置[4],但该检测方法很难确定铝电解槽多点接地故障位置。

综上,目前尚未有一种有效的检测方法来确定铝电解槽多点接地故障位置,由此,有必要寻找一种新的检测方法来确定铝电解槽多点接地故障的位置。本文利用电桥平衡的原理[5],利用多个检测电桥并联与铝电解槽地端连接的方法来检测铝电解槽接地故障位置。当铝电解槽发生单点或多点接地后,其接地阻抗发生变化,从而导致相应点的检测电桥产生不平衡,依据检测电桥电流的幅值和相位的变化规律,可确定铝电解槽单点或多点接地故障位置。

1 铝电解槽接地故障位置检测原理

铝电解槽供电方式是一种特殊的不接地直流供电系统,直流供电电源为±600 V,其强大的电流是通过直流母线和电解槽构成回路,如图1所示(某铝电解企业的铝电解槽供电原理图)[6]。

图1 铝电解槽供电原理图

正常情况铝电解槽的对地绝缘良好,接地电阻通常为兆欧级。当铝电解槽绝缘损坏时,接地阻抗减小,绝缘损坏愈严重,接地阻抗愈小。

本文利用电桥平衡原理检测铝电解槽接地故障位置。当有电解槽发生接地时,原本平衡的电桥不平衡,其电桥电流的幅值和相位都可能出现变化,依据电桥电流幅值和相位的变化特征就可检测出铝电解槽接地故障位置。如图2为铝电解槽接地故障位置检测的原理图。

图2 铝电解槽接地故障位置检测的原理图

其中:1#～n#——n个电解槽;

A——电流传感器,检测电桥电流;

Zd1～Zdn——电解槽对地电阻;

Cd1～Cdn——电解槽对地电容；

Zb1～Zbn——等值桥臂电阻。

两个相邻桥臂电阻、两个相邻槽对地电阻和一个电流传感器共同构成一组电桥。如图n个桥臂电阻,n个电解槽和n-1个电流传感器,共同构成了n-1组并联电桥。外加一个已知频率和幅值的交流电压源。

当电解槽正常运行,n-1组电桥均处于平衡状态,流过电流传感器的电流几乎为零。当有铝电解槽发生一点或多点接地故障时,相应的电桥处于非平衡的状态,电桥电流的幅值和相位将可能出现变化,依据电桥电流幅值和相位的变化特征就可检测出铝电解槽一点或多点接地故障位置。本文将在下一节给出铝电解槽发生一点或多点接地故障时的相应电桥电流幅值和相位的变化特征规律。

由于电桥电流所检测的电流数值十分微弱,有可能小到微安级,本文采用改进的自适应滤波算法{7}来计算电桥电流的幅值和相位,以提高电桥电流的检测精度。

2 铝电解槽接地故障位置的仿真分析

以十个铝电解槽为例,运用MATLAB对铝电解槽接地故障位置的电桥电流幅值和相位变化特征规律进行分析。

其中:交流电压源幅值200 V,频率250 Hz;

直流电源幅值为600 V;

Zb——桥臂电阻,200 Ω;

1*～10*——10个电解槽;

1#～9#——9个电流传感器,用来检测电桥电流;

C1～C10和L1～L10——模拟的隔离直流器件,分别为0.01 F,0.001 L;

Cd1～Cd10——对地电容,5 mF;

Zd1～Zd2——正常情况电解槽对地阻抗,4 MΩ;

Rd——模拟的大地电阻,0.1 Ω。

将从1槽流向n槽的电流方向设为正向;反之,为负向。

2.1 接地故障时的电桥电流幅值和相位变化特征规律

(1)正常情况下

电桥电流数据见表1。

表1 正常情况下电桥电流数据

如表1所示,铝电解槽无接地故障的正常情况下,电桥平衡,所有电桥电流几乎都小于或等于1微安,其值几乎为零。因此,当所有电桥电流幅值几乎为零时,铝电解槽无接地故障发生。

(2)单点接地(8槽接地)

Zd8’=0.001 Ω,电桥电流数据见表2。

表2 8槽接地故障时电桥电流数据

当8槽发生接地时,如表2所示,电桥1到7的电流方向为正,其电流幅值处于有规律的均匀增大变化,电桥8和9的电流方向为负,其电流幅值处于有规律的均匀减小变化,电桥7与电桥8间的电流方向发生由正到负改变。

(3)两点接地(4和8槽接地)

Zd4’=Zd8’=0.001Ω,电桥电流数据见表3。

表3 4和8槽接地故障时电桥电流数据

4 和8槽发生接地时,如表3所示,电桥1到3的电流方向为正,其电流幅值处于有规律的均匀增大变化,电桥4的电流方向为负,电桥3与电桥4间的电流方向发生由正到负改变;电桥5到7的电流方向为正,其电流幅值处于有规律的均匀增大变化,电桥8和9的电流方向为负,其电流幅值处于有规律的均匀减小变化,电桥7与电桥8间的电流方向发生由正到负改变。

(4)三点接地(4,6,8槽接地)

Zd4’=Zd6’=Zd8’=0.001Ω,电桥电流数据如表4。

表4 4,6和8槽接地故障时电桥电流数据

4,6和8槽发生接地时,如表4所示,电桥1到3的电流方向为正,其电流幅值处于有规律的均匀增大变化,电桥4和5的电流方向为正,其电流幅值处于有规律的均匀增大变化,电桥3与电桥4间的电流幅值发生不均匀减小改变;电桥6电流方向为负,电桥5与电桥6间的电流方向发生由正到负改变;电桥7的电流方向为正,电桥8和9的电流方向为负,其电流幅值处于有规律的均匀减小变化,电桥7与电桥8间的电流方向发生由正到负改变。

铝电解槽发生一点或多点接地故障时,从1槽流向n槽的方向观察以上的故障点相应电桥电流幅值和相位的变化特征,可总结得到如下规律:

(1)只要电解槽相连两个电桥电流方向由正到负改变,该电解槽有接地故障。

(2)对于电桥电流方向都为正或负的情况,只要电解槽相连两个电桥电流幅值出现不均匀减小或增大变化,该电解槽有接地故障。

2.2 接地阻抗变化

当电解槽发生接地故障时,由于电解槽的绝缘损坏情况不同,接地阻抗也有所不同。为了反映不同接地阻抗对电桥电流幅值和相位的影响,本文在电解槽8发生接地故障时,改变电解槽8的接地阻抗,其各个电桥电流幅值和相位的变化如表5所示。

表5 改变接地故障点接地阻抗时电桥电流数据

由表5可见,当接地阻抗小于100 kΩ时,电桥1到7的电流方向为正,其电流幅值处于有规律的均匀增大变化,电桥8和9的电流方向为负,其电流幅值处于有规律的均匀减小变化,电桥7与电桥8间的电流方向发生由正到负改变,可正确反映电解槽8发生的接地故障。当接地阻抗大于500 kΩ时,电桥电流幅值已在1微安附近,这与铝电解槽无接地故障的正常情况相差无几。

由上可得出,当接地阻抗小于100 kΩ时,电解槽接地故障位置能正确判断,当接地阻抗大于500 kΩ时,电解槽接地故障已与正常情况混淆。