电石生产中的大电流检测技术

王明安

（宜宾天原集团股份有限公司，四川 宜宾 644004）

中国是全球最大的电石生产与消费国，在国家碳达峰、碳中和的政策下，电石生产作为高能耗高污染的行业，属于限制的行业之一。因此，对电石炉生产过程的优化，使之达到平稳运行、增产降耗，对于电石行业尤为重要。

电石生产是利用电弧热和电阻热，即电流通过电极输入炉内产生电弧，释放能量进行冶炼，所以控制好输入电流，达到稳定的电弧，释放一定的能量，使炉内达到最合适的温度成为首要因素。随着电石炉炉型的转变、容量的增大，电石炉的自然功率因数cosφ2呈偏低的现象，致使电网侧功率因数cosφ1也随之偏低，不能满足国家电网功率因数达0.9的要求。为满足国家电网功率因数的要求，从减少线路损耗、节约电能考虑，现在大多数都采用在电炉变压器低压侧进行无功补偿，即在电炉变压器低压侧安装无功补偿装置，补偿点位置设置在断网末端，尽量靠近电极处，这样既可以减少在电炉短网及变压器绕组中产生的损耗，又能增加电炉变压器的有功输出和提高功率因数。但设置低压无功补偿装置后，变压器低压侧的电流就不是真正的电极电流。随着补偿电流的加入，将改变一次侧电流与电极电流的映射关系，是电极电流与补偿电流的矢量和，此时，电极电流将达到数万安培。

电极电流是电炉操作的重要参数，目前检测方法有3种。

（1）根据短网电流和电极电流的关系，在补偿点后端，选取短网中并联导体中的一根，设置电流互感器，单根测量后，通过理论计算间接测量电极电流值；

（2）利用电炉变压器一次侧电流与二次侧电流成等比关系，结合低压补偿电流，在一次侧、补偿侧均设置电流互感器，通过理论计算间接测量电极电流值；

（3）采用大电流检测装置，即利用大电流测量技术，用低压大电流传感器直接测量补偿点后二次侧电流。

以上3种电极电流检测方法中，第一种是采用电流互感器，由于电炉变压器容量较大，补偿后的电流更大，虽然测量为单根铜管电流，但电流互感器要求变比大于8 000/5 A，这种电流互感器造价较高、具有较强的安装局限；第二种也是采用电流互感器，由于是测量一次侧电流和补偿侧电流，电流较小，造价低、安装不受局限，但因为是多个测量，每个测量均存在误差，多个误差的叠加，使测量精度偏低；第三种是采用大电流传感器，由于引入电力电子技术，可以检测直接补偿后的电极电流，测量误差小、范围宽、安装方便、可适应现场恶劣环境。通过比较可见，第三种检测方式最优。

鉴于第三种检测方式的优点，以下针对大电流检测技术的工作原理、结构形式、抗干扰和提高精度措施以及在电石生产中的运用情况进行介绍。

1 大电流测量

大电流测量技术是现代电磁测量领域的重要组成部分，它实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题，通过一定的手段测量它的磁密、磁通或磁势，再经过转换得到电流的大小。

根据所在环境工作电压等级，电石行业主要采用低压大电流测量，这种测量元件通常采用两种电流传感器，即霍尔元件和罗氏线圈。

1.1 霍尔元件[1]

霍尔元件是一种半导体磁电器件，它可以检测磁场及其变化，用于各种与磁场有关的场合中。

（1）霍尔元件的工作原理

霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。所谓霍尔效应，是指磁场作用与载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。简单的说，就是在平板半导体介质中，电子移动（电场）的方向受磁力的作用（磁场）而改变，并使传导的载子（电子或空穴）集中在平板上下两边形成电位差，如图1所示。

图1 霍尔效应原理图

具体的工作原理：将电流IH通过一导电物质，在对与电流IH成正角方向施加磁场B后，由弗莱铭左手定则，在洛仁子力的作用下，使电子或空穴向箭头符号所示方向移动并挤向固定输出端，则电流与磁场两者的直角方向将产生电位差UH，这个电压UH则称为霍尔电压。霍尔电压的大小与所加的控制电流IH、磁感应强度B均成正比线性关系，即：

式中：IH为控制电流；B为磁感应强度；KH为霍尔元件的灵敏度。

（2）交流大电流的测量

在电石生产中所测量的电流是低压交流大电流，属于交流强磁场，对于这种交流强磁场的大电测量采用的是霍尔直接式直流强磁场的测量原理。

从图2知道，被测电流i1在铁芯中产生一个磁感应强度B1，即

图2 霍尔直接式直流强磁场的测量原理

式中：C1为常数。

霍尔元件的输出电压uH由公式（1）和公式（2）得：

电压uH通过放大器A放大后，其输出电压u1为：

则

式中：C2为常数。

将电压u1再通过交直流电压转换器后，其输出电压U0为：

从上式可知，电压U0与被测交流大电流i1的有效值I1成正比，将电压U0输入数字电压表中即可达到测量交流大电流i1的目的。

（3）提高霍尔元件测量精度的措施

由图2可知，霍尔直接式交流大电流测量中i1转换为霍尔输出电压UH，受霍尔元件的影响，霍尔输出电压UH装换为输出电压U0，则受放大器A、交直流电压转换器、电阻R1、R2等电子元件的影响，而且回路中放大器A的放大倍数K越大，霍尔直接检测交流大电流的系统误差会越大。因此，为提高霍尔元件测量精度、降低信号转换回路电子元件的误差，需要从测量元件和信号转换回路电子元件的选材、制作、性能等方面着手。具体措施如下。

a.选用剩磁接近于零的高导磁材料制作铁芯。

b.选用线性度好、高稳定度的霍尔元件。

c.选用频率特性好、高增益、低漂移、低噪声的放大器。

d.电阻R1、R2选用EE系列高稳定度的精密金属膜电阻。

e.选用集成式真有效值交直流电压转换器，将一定频率范围内的交流电压信号转换为与其有效值相应的直流电压信号，其测量对象可以是正弦波、三角波、矩形波及复杂的周期波形，且抗波形畸变能力强。

1.2 罗氏线圈[2]

罗氏线圈也叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个将导线均匀缠绕在非铁磁性材料骨架上的空心环形线圈，可直接套在被测量的导体上。罗氏线圈主要用于测量交流电流，它测量范围宽、精度高；稳定可靠，响应频带宽；体积小、重量轻、安全环保；同时具有测量和继电保护功能，易于实现微机化、网络化。

（1）罗氏线圈的工作原理

罗氏线圈的工作原理是利用导体内交流电流的变化而改变周围磁场，线圈导线再感应变化的磁场产生感应电动势，再通过电动势的数学运算，最终还原导体中的电流。

罗氏线圈测量电流的理论依据是电磁感应定律和安培环路定律。

当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内将产生相应变化的磁场，强度为H，由安培环路定律得：

由公式（10）可知，电动势就是电流对时间的微分。

当检测线圈为环形，其截面为矩形时，见图3。

图3 罗氏线圈结构示意图

互感系数M和自感系数L分别为：

式中：H为线圈内部的磁场强度；B为线圈内部的磁感应强度；μ为真空磁导率；N为线圈匝数；E（t）为线圈两端的感应电压。

（2）积分器的工作原理

由于罗氏线圈感应出的电动势很小，为准确将罗氏线圈感应的电动势输出还原为测量的交流电压，还必须在积分器前面增加一个放大电路，即反相积分电路，如图4所示。

图4 反相积分电路示意图

反相积分电路的输出电压与输入电压成积分关系，当ui为恒定直流电压时，输出电压随时间作线性变化，其上升和下降斜率随R、C和ui的改变而变化。

（3）抗干扰及提高精度措施

电磁干扰因素是影响罗氏线圈在实际中应用的主要障碍。根据分析干扰磁场对罗氏线圈的影响，在线圈制造时采取相应的抗干扰措施，就能满足罗氏线圈的检测精度和抗扰度。

a.均匀绕制线圈、不断增大绕线致密度，减小线圈产生的磁场与平行干扰磁场的耦合。

b.绕制差分返回匝的方式抵消轴向干扰磁场与线圈之间的互感，或选用铜箔返回匝提高线圈的检测精度和抗扰度。

c.对罗氏线圈以及传感器电子部分均进行电磁屏蔽。

d.对A/D转换模块，由一次母线经铁芯线圈直接耦合，并且经滤波稳压后提供给模拟信号采控部分。

1.3 霍尔元件与罗氏线圈的性能比较

根据霍尔元件和罗氏线圈两种大电流传感器的工作原理，其性能上存在着一定的差异。

表1 霍尔元件与罗氏线圈的性能比较

2 大电流传感器在电石生产中的运用

引入低压补偿技术的电石炉冶炼，电极电流的数值由于电石炉的容量及补偿容量的增大将越来越大，及时、准确地掌握电极电流对于电石炉的操作更为重要。运用大电流传感器直接检测电极电流，将实时、直接地反映电石生产的各种电气参数，使生产人员及时掌握电石炉内生产情况，正确指导生产。

2.1 大电流检测装置

在电石生产中使用的大电流检测设备是大电流检测装置，由大电流传感器和电流变送箱两个部分组成，其检测回路如图5所示。

图5 大电流检测装置的检测回路示意图

（1）大电流传感器。由铝合金外壳运用环氧树脂将霍尔元件或罗氏线圈作为测量元件的磁路、电路浇注为一体的一种测量装置。

这种测量装置的电流测量范围能达1 000～20 000 A，测量精度±0.2%，过载能力150%，交流频响达0～20 kHz，响应时间＜10 μs，温度漂移＜0.05%/℃，输出信号为5 V.DC或4～20 mA.DC，完全满足大容量电石炉补偿后大电流直接测量的范围、精度及过载能力。由于霍尔元件或罗氏线圈的测量都是利用磁场感应的原理，为减少现场环境对测量值的影响，其内部磁路均有采用特殊的磁路屏蔽技术，可实现高稳定度、高线性度；并且其结构形式采用开口式，分上下两部分，安装方便，可根据现场短网系统的布置结构，不拆卸短网系统，直接安装在单根铜管上。

（2）电流变送箱。由多只分电流智能表、1只总电流智能表、1只电压表组成的具有信号接收、转换、传输的一个信号显示箱，其中分电流智能表的数量根据短网铜管的根数确定。

电流变送箱中的电流智能表均可根据电流实际运行大小配置测量范围，其输入信号为5 V.DC或4～20 mA.DC，输出信号为4～20 mA.DC模拟信号或RS485接口、Modbus通讯信号，测量精度0.5级。通过电流传感器检测的电流信号，利用信号转换模块后接入分电流智能表，经电流智能表的信号转换及逻辑计算后，显示单支铜管电流，并通过控制线直接接入总电流智能表，再经总电流智能表累计计算后，显示单相电极电流。其中单支铜管的电流、单相电极的电流均可以通过控制线或通讯线，采用4～20 mA.DC模拟信号或RS485接口、Modbus通讯信号传输至自动控制系统，实时反应电石生产中的各种电流运行数据，并通过在自动控制系统内建立数学模型，经过逻辑计算还可显示其他操作数据，达到指导生产运行的目的。

2.2 大电流检测装置的运用

安装在短网补偿后端的大电流检测装置，其实时反应的电流是经过低压补偿后的电极电流，经自动控制系统实时显示，可以直接反映电石炉三根电极实时运行电流的大小。

根据电极直径计算公式，可知

式中：D为电极直径，cm；I为电极电流，A；σ为电流密度，A/cm2。

电极的直径与电极电流有着密切的联系，即在一定合理的电流密度时，电极直径的大小直接决定通过电极电流的大小，如果电极电流超过一定数值，电极将出现事故，存在电极软断或硬断等不安全因素，此时操作人员就必须作出提升电极、降低负荷等相应的操作。因此，实时、准确地反映电极电流的大小，可以正确指导操作人员进行电极升降的操作、电石炉变压器档位的调整、电石炉输入容量的控制，避免电极、电炉事故的发生，及时掌握电石炉炉况的异常变化。

基于二次侧检测电流数据通过电气理论的分析，还可以进行电气参数的延伸，推导出电极阻抗、电极电阻、电极功率等其他技术参数，并经过自动控制系统建立相应的数学模型，再结合其他检测数据，还可以实时反映炉内三相电极的输入功率及不平衡度、每相电极对炉底的阻抗大小、每相电极的估计位置、熔池的大小等其他电石炉的炉内情况，指导操作人员及时调整炉内的输入容量、无功补偿的投切及输入容量、三根电极的升降、混合料的加入或电石成品的出炉等，很好地控制炉内的电化学反应，以达到炉内生产的平稳运行。

大电流传感器的实测电流不仅可以反映电石炉的生产情况，还可以反映电极侧导电元件的运行情况。每根铜管的电流检测数据可以反映短网系统中每根铜管、水冷电缆、电极侧铜管及各段连接件处等实际运行时的单个回路阻抗情况，如单个回路电流异常偏低，则说明单个回路中阻抗增大，可能存在水冷电缆断线、连接件某处接触电阻增大等异常情况。技术人员就可以根据实时检测数据与正常检测数据的对比，根据差异性，及时分析单个回路的运行情况，判断有无异常，避免或降低电气线路事故的发生。

3 结语

在电石生产中，生产运行的平稳、操作控制的精准越来越重要，不能精确检测和实时反馈自动化系统的电极电流检测技术将被淘汰。运用大电流检测技术的大电流检测装置是具有大电流精密计量的一种检测装置，它将广泛应用于电石生产中，对电石生产的过程优化和自动控制研究发挥重要的作用。