光学电流测量仪在400 kA电解槽的应用探索*

易吉龙，王红波，龙昌红，史绍源，史承良，王思一，张保光

（云南云铝涌鑫铝业有限公司，云南 建水 654300）

铝电解生产过程是一个复杂的电化学、强耦合的动态过程，为监控电解槽的正常运行，需要对其电流分布参数进行监测和分析[1]。目前电解铝企业主要采用间接测量方式，通过使用直流毫伏表测量等距离的压降，压降大的说明流过的电流大导电好，压降小的说明流过的电流小导电不好，主要应用于阳极导杆压降的测量，处理电解槽电压摆动[2]。对于进电母线、阴极出电软带的电流测量基本没有测量工具[3]。同时等距离测量存在因导杆表面氧化、接触不好、接线松动、测量位置受限等导致测量误差较大，测量数据对生产的指导作用有限，急需一种能适应强磁场、大电流、测量精度高的便携式移动测量仪表解决数据测量问题。

1 主要测量设备的应用情况

目前电流测量工具主要有电磁互感器和电子式互感器[4]。电磁式互感器主要利用电磁感应原理进行测量，不能直接测量直流电流。电子式互感器分为有源和无源两种[5]，其中有源的也是利用电磁感应原理进行测量，测量不了直流电流[6]。无源电子式互感器都是利用法拉第效应的原理进行测量[7]，均可测量直流电流，但是磁光玻璃式的测量因采用光学玻璃测量精度较低，测量范围小，也很难满足电解槽直流大电流的测量。只有全光纤式的才能满足使用要求。目前测量电流工具的对比如表1。

表1 电流测量工具对比Tab.1 Comparison of current measurement tools

通过表1不难发现，既要适应电解车间直流大电流的测量，同时又需要抗电磁干扰性好，能适应母线大小和位置关系，要求测量仪器具有很好的线性度，所以便携式光学电流测量仪能最大程度满足使用要求。光纤电流传感器是利用光纤的偏转特性，根据光纤法拉第电磁效应，电流产生的磁场，引起光纤偏转角发生变化，从而间接地测量导体的电流大小[8]。光纤电流传感器具有测量电流范围较大，可以同时测量直流、交流和高频成分，而且具有安装结构简单、使用方便、测量精度较高、可靠性高等优势，广泛应用于大电流直流输电线的电流测量、冶金行业的大电流测量。

2 便携式光纤电流测量仪特点及原理

2.1 便携式测量仪特点

目前光纤电流传感器主要采用固定位置方式进行测量，主要使用在整流机组进、出线总电流及单台机组测量，市场上没有专用于电解铝行业针对进电立柱母线、阳极导杆以及阴极软带等大电流测量的移动式测量设备[9]。电流作为电解槽磁场和能量的提供者，运行过程出现较大偏差时直接影响电解槽的稳定运行，特别是随着电解铝技术的不断进步，槽型也在增大，一旦出现较大偏流将给电解系列生产带来较大隐患。某公司联合设备厂家开发出便携式测量工具。具体参数如表2。

表2 便携式光学测试仪配置参数Tab.2 Parameters configuration of portable optical test instruments

2.2 便携式测量仪原理

便携式测量仪的原理：光纤电流传感器是一种基于Faraday磁光效应的无源式电流传感器，当电流通过导体时由于电生磁原理会在导体周边形成与电流大小成一对一关系的等量磁场，而磁场可以与光纤介质形成Faraday磁光效应，故而可基于该原理通过测量磁场大小间接测量流经导体的电流值。基于安倍环路定理，可将感测光纤弯曲形成闭合光回路，不仅可以更准确地测量导体周边磁场的大小，而且可以屏蔽相邻导体阴极电流产生的磁场干扰，为破损电解槽精准定位、判别提供强有力的数据支撑，误差控制范围0.35%～0.90%。测量示意图如图1所示。

图1 测量示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement

2.3 便携式测量仪的测量方式

1）作业前清理方钢软带及母线积料；

2）检查光纤电流测量仪是否正常，将光纤闭合电流表显示数值为零；

3）一人在槽下部持设备，一人在槽上部配合将光纤环绕电解槽阴极钢棒或软带一周，形成闭环同时待显示稳定后读数；

4）重复操作，测量全部阴极钢棒电流（kA），读取测量数值并做好记录。

3 电流测量仪在电压波摆中的应用

400 kA大型预焙槽阳极电流分布测量示意图如图2，阳极电流分布是否均匀对电解槽的稳定性有极大影响，因为阳极电流分布不均，通过引起“电-磁-流”的连环式变化使溶体波动剧烈，导致电压剧烈波动（如图3），严重时可能导致电解槽“滚铝”。

图2 阳极测量示意图Fig.2 Schematic diagram for anode measurement

图3 电解槽历史曲线Fig.3 Historical curve of electrolytic cell

通过采用毫伏电压表测量等距压降，找不到波摆的具体阳极，根据测量数据处理阳极导杆压降不能消除波摆。通过采用测量阳极电流分布，如表3，对电流分布值大的A1、A12进行调极处理，波摆消除，消除后的电流分布如表4。

表3 718#阳极电流分布表处理前Tab.3 Current distribution list for 718#anode current before treatment kA

表4 718#阳极电流分布表处理后Tab.4 Current distribution list for 718#anode current after treatment kA

4 电流测量仪在立柱母线电流测量的应用

相邻两个铝电解槽立柱母线电流（图4），从设计的理论上讲对应点电流应该相等。通过测量相邻两台电解槽立柱电流值，如果对应点电流值不相等，那么会引起磁场变化，电解槽运行稳定性变差。如表5、表6所示，806#电解槽立柱电流分布第3颗偏差较大，主要是电解槽在运行过程中48颗阳极的导电不可能绝对均匀，同时炉底结壳等因素也会导致电流分布偏差大。为确保电解槽平稳运行，对于806#电解槽工艺控制应作出相应调整，让第三颗立柱电流逐步降低至66 kA左右。可以通过采取提高设定电压、增加在产铝量等措施。再定期对其电流分布进行跟踪测量，直到电流分布均匀。

图4 立柱母线测量示意图Fig.4 Schematic diagram for measurement of column generating line

表5 805#立柱电流测量统计表Tab.5 Current measurement statistical table for 805#column kA

表6 806#立柱电流测量统计表Tab.6 Current measurement statistical table for 806#column kA

5 电流测量仪在阴极出电软带测量的应用

铝电解生产，要求电流均匀通过阴极钢棒。如果阴极钢棒通过电流过大，该位置发热量大，炉底沉淀的结壳少，电流进一步加大可能导致阴极破损；通过阴极钢棒电流过小，则该位置易产生沉淀，沉淀会进一步增加此处电阻，导致导电进一步减少，会产生偏流，干扰电解槽正常运行，电解槽出现早期破损。通过测量新启动槽315#电解槽阴极电流分布（表7），其中A1处阴极电流只有3.2 kA，复测A1处钢铝压接块压降为56 mV，判定该处施工质量不合格，经与施工方协调处理，通过A1处电流增加至7.8 kA，通过阴极电流均匀，对电解槽平稳运行具有积极意义。

图5 阴极电流测量示意图Fig.5 Schematic diagram for cathode current measurement

表7 315#阴极电流分布表Tab.7 315#cathode current distribution list kA

阴极电流测量数据，可以作为检测判断电解槽破损点方法。当炉底破损到一定程度后，会形成阴极炭块与阴极钢棒间的铝液通道，通过该处电流量增大。通过测量电解槽破损前后电流分布、对比、排查，寻找电解槽破损点，如表8、表9是227#电解槽破损前后电流分布，通过对比，A15、16处阴极电流分布值升高1.0 kA及0.5 kA，提极检查炉底，A15第二爪下阴极断裂，通过割除A15位置处钢棒，同时对A15、16阳极对应的阴极进行保护和修复，仅一个月227#电解槽铁含量恢复到0.1%以内（图6），有效延长了电解槽寿命。

图6 227#电解槽铁含量变化折线图Fig.6 Variation broken line graph of iron content in 227#electrolytic cell

表8 227#电解槽破损前阴极电流分布表Tab.8 Cathode current distribution list for 227#electrolytic cell before it broken kA

表9 227#电解槽破损后阴极电流分布表Tab.9 Cathode current distribution list for 227#electrolytic cell after it broken kA

6 结语

在400 kA铝电解槽生产过程中，通过使用便携式光纤电流测量仪表对各进、出电回路进行测量，再结合电解槽状态和工艺控制参数调整，能有效解决电解槽偏流导致的一系列问题，便携式光纤电流测量仪表的运用，对400 kA铝电解槽安全、平稳运行，延长槽寿命具有积极意义，对铝电解其它槽型电流分布测量具有很好的推广使用价值。主要有以下三个方面：

1）通过对电解槽立柱进电电流测量，可以为铝电解工艺控制提供立柱电流分布理论依据，建立单槽档案，异常时可对电解槽整体电流分布进行局部调整，提高电解槽稳定性；

2）通过测量电解槽阳极电流值的分布，找到电流值偏离正常均值的阳极，结合阳极导杆和水平母线的接触情况以及电解槽的工艺参数、炉底情况进行处理，可以快速处理因阳极电流分布不均引起电压波摆，提高电解槽生产效率；

3）通过对电解槽阴极电流的测量，正常运行时进行测量建立单槽档案，异常时再次测量进行对比，可以协助寻找电解槽阴极破损位置，通过在线修补，延长电解槽寿命。