大容量鋁電解系列母線系統(tǒng)絕緣優(yōu)化及應(yīng)用

張思源,涂嘉慶,梁 凱,藍(lán)美娟

(浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016)

隨著中國(guó)鋁工業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和嚴(yán)控產(chǎn)能等措施的逐步深入[1],國(guó)家對(duì)電解鋁新建項(xiàng)目的審批愈加嚴(yán)格,并且需要匹配產(chǎn)能指標(biāo)。為了充分利用產(chǎn)能指標(biāo),同時(shí)降低人力成本,電解鋁行業(yè)開(kāi)始效仿西方國(guó)家的電解鋁企業(yè)生產(chǎn)模式,通過(guò)提高陽(yáng)極電流密度追求產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益最大化。目前電解鋁新建項(xiàng)目的電流密度均在0.8 A/cm2以上,預(yù)計(jì)以后新建項(xiàng)目產(chǎn)能要達(dá)到0.85 A/cm2以上,同時(shí)電流強(qiáng)度也均為500 kA級(jí)別以上,系列電壓也達(dá)到了1600 V左右[2]。在這種高電流密度、高系列電壓下,母線絕緣技術(shù)及應(yīng)用對(duì)電解系列安全生產(chǎn)重要性尤為突出。母線的良好絕緣直接影響到電平衡、磁流體穩(wěn)定性、人身安全和設(shè)備安全,甚至有造成電解系列停、減產(chǎn)的可能[3]。

因此,需要更加規(guī)范的絕緣形式及絕緣材料才能滿足母線在新技術(shù)趨勢(shì)下的絕緣要求。本文以國(guó)內(nèi)某鋁廠的絕緣系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)項(xiàng)目為例,重點(diǎn)研究能夠滿足高電流密度和大容量電解槽的母線絕緣技術(shù),為現(xiàn)運(yùn)行系列如何有效消除生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患,減少一部分電能的浪費(fèi)提出建議。同時(shí)提出能夠滿足新建項(xiàng)目和規(guī)劃項(xiàng)目的絕緣方式,為大容量電解系列的安全生產(chǎn)提供有力保障。

1 問(wèn)題提出

國(guó)內(nèi)某鋁廠500 kA電解系列自投產(chǎn)后,運(yùn)行穩(wěn)定并于最近逐漸進(jìn)入第一個(gè)大修周期。但隨著槽齡的增加,電解系列中逐漸出現(xiàn)如下問(wèn)題:

(1)母線系統(tǒng)零點(diǎn)漂移。對(duì)系列進(jìn)電端和出電端的電壓進(jìn)行跟蹤,發(fā)現(xiàn)進(jìn)出電端電壓絕對(duì)值差異很大,并且不穩(wěn)定,經(jīng)常出現(xiàn)大幅度的變化,嚴(yán)重影響電解系列的安全性和供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

(2)某次工區(qū)通電操作,造成連接母線從支墩上脫落,如圖1所示;

圖1 連接母線滑動(dòng)脫落圖

(3)電解槽打火常有發(fā)生,并且持續(xù)漏電,造成局部熔斷;

(4)電解槽槽蓋板和槽殼經(jīng)檢測(cè)帶電,造成電流效率降低;

(5)關(guān)鍵位置對(duì)地絕緣電阻遠(yuǎn)小于基本要求的1 MΩ,其中部分位置還存在導(dǎo)電介質(zhì);

(6)短路口時(shí)有擊傷發(fā)生,影響系列安全,如圖2所示。

圖2 短路口位置擊傷圖

而電解系統(tǒng)絕緣的基本要求如表1所示,對(duì)比表中要求和實(shí)際測(cè)試結(jié)果,電解槽打火、槽間蓋板帶電、槽殼帶電、母線對(duì)地絕緣值等都與基本要求差距很大,更何況該系列屬于超大容量電解槽。因此對(duì)比結(jié)果明顯說(shuō)明了該電解系列的電解槽和母線絕緣方面已出現(xiàn)系統(tǒng)性問(wèn)題。

表1 電解槽及母線系統(tǒng)絕緣基本要求

鑒于以上問(wèn)題,從2019年開(kāi)始,該企業(yè)對(duì)電解系列進(jìn)行系統(tǒng)性的排查,并利用電解槽大修的機(jī)會(huì),對(duì)上部結(jié)構(gòu)和槽殼進(jìn)行絕緣材料的替換和修復(fù),消除槽結(jié)構(gòu)本體的漏電風(fēng)險(xiǎn)并恢復(fù)電解槽本身的絕緣性能。但母線系統(tǒng)由于其特殊性,為保證安全,除進(jìn)行排查外,在重點(diǎn)位置制定了絕緣專(zhuān)項(xiàng)升級(jí)優(yōu)化方案。

2 母線系統(tǒng)重點(diǎn)位置絕緣升級(jí)優(yōu)化方案

結(jié)合近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)安全事故及總結(jié)的寶貴經(jīng)驗(yàn),為解決零點(diǎn)漂移、漏電、短路口擊燒等絕緣安全問(wèn)題,母線系統(tǒng)需要首先解決連接母線滑動(dòng)脫落的問(wèn)題,然后重點(diǎn)升級(jí)優(yōu)化立柱及短路母線的絕緣、連接母線的絕緣和補(bǔ)償母線的絕緣[4]。

2.1 連接母線

該鋁廠發(fā)生圖1所示的連接母線滑落的事故,究其原因是沒(méi)有考慮到平行的連接母線之間電磁力的相互作用。這些平行母線在通電情況下之間作用力如公式(1)和公式(2)所示。

(1)

F=BIL

(2)

式中:u0——真空磁導(dǎo)率,H/A,一般情況下u0=4πe-7;

I——電流強(qiáng)度,A;

R——計(jì)算位置與導(dǎo)線的距離,m;

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;

L——母線長(zhǎng)度,m;

F——電磁力,N。

根據(jù)上述公式,該鋁廠的連接母線受力結(jié)果如表2所示。

表2 短路母線絕緣形式

本項(xiàng)目采用500 kA電解槽,該槽型的通廊和過(guò)道連接母線平行并排6根,并均分500 kA電流,相鄰兩根母線間距均為3 m左右,如圖3所示。表1顯示在單根連接母線83,333 A電流,2根連接母線間距3 m時(shí),長(zhǎng)度為18 m的母線在通電的瞬間將受到8333 N的水平推力。由于各母線電流方向相同,所受的水平推力為吸引力。按0.1的摩擦系數(shù)和400 mm×660 mm的母線截面計(jì)算,母線所受最大摩擦力為12,575 N,因此只考慮1根平行相鄰的連接母線時(shí),母線所受水平推力F小于最大摩擦力,因此該情況下母線不產(chǎn)生加速度,所受靜摩擦力等于水平推力。

圖3 母線受力分析示意圖

考慮2個(gè)相鄰母線時(shí),2根母線的累加水平推力達(dá)到了12,500 N,與最大摩擦力基本相等,此時(shí)母線基本處于臨界狀態(tài)。

但當(dāng)考慮3個(gè)臨時(shí)母線時(shí),母線所受累加水平推力F達(dá)到了15,278 N,F大于最大靜摩擦力12,574 N,母線將產(chǎn)生加速度和位移,加速度為0.211 m/s2。

當(dāng)考慮所有相鄰的5根母線時(shí),累加水平力達(dá)到了19,028 N,加速度達(dá)到了0.503 m/s2。如此的加速度勢(shì)必造成水平放置的母線移動(dòng),并導(dǎo)致薄弱處母線滑落,形成了該鋁廠的安全事故。

因此在本次升級(jí)項(xiàng)目中,對(duì)連接母線及絕緣進(jìn)行了如下改造:

(1)使用千斤頂,電動(dòng)葫蘆等工具,配合絕緣設(shè)備將滑落母線恢復(fù)回位;

(2)根據(jù)不同母線受力情況,將連接母線的支墩均升級(jí)成圖4所示的U型支墩或L型支墩。通過(guò)對(duì)母線側(cè)部進(jìn)行約束,防止母線因受水平力滑落;

圖4 異型支墩絕緣形式

(3)連接母線自身增加固定夾,將母線固定為整束。如圖5所示,用緊固件將角鋼及母線固定,然后在角鋼和母線之間插入兩層SMC絕緣板進(jìn)行隔離,以確保外側(cè)角鋼和雙頭螺柱的絕緣;

圖5 連接母線固定夾及絕緣形式

(4)在母線下方自下而上設(shè)BMC絕緣板、石棉橡膠板、SMC絕緣板,共三層絕緣;在母線的側(cè)面同樣設(shè)三層絕緣板,其中兩層為SMC絕緣板,中間一層為BMC絕緣板,以確保母線對(duì)地絕緣。

經(jīng)過(guò)上述升級(jí)改造后,從根本上杜絕了母線再次滑落的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)連接母線對(duì)地電阻經(jīng)檢測(cè)達(dá)到了2 MΩ以上,達(dá)到了基本要求的2倍,為系列安全運(yùn)行提供了有力保障。

2.2 立柱及短路母線

立柱母線和短路母線總是結(jié)合在一起發(fā)揮作用,但在電解槽的正常生產(chǎn)和短路時(shí),立柱母線和短路母線發(fā)揮的作用又不相同,導(dǎo)致該位置的絕緣處理比較復(fù)雜,一旦處理不好容易引起漏電打火等情況。為了消除安全隱患,保證系列安全,立柱及短路母線的絕緣作如下升級(jí):

(1)由于本體槽的短路塊置于上游槽的槽周?chē)妇€上,雖然設(shè)計(jì)上兩者之間存在一定空間,但為保證不接觸,在短路塊下方增加1層30 mm厚BMC絕緣板,如圖6。

圖6 立柱及短路母線絕緣升級(jí)基本方案

(2)使用2層疊加的SMC絕緣板互相垂直插入到立柱母線和短路母線壓接塊之間,替代之前的單層方案,2塊SMC絕緣板見(jiàn)圖6中的*所示。

(3)使用SMC絕緣套管結(jié)合復(fù)合絕緣螺柱的形式,替代之前的鋼制螺柱,進(jìn)一步提高絕緣能力。該位置使用的2層垂直疊加的SMC板以及SMC絕緣套管結(jié)合復(fù)合絕緣螺柱的具體形式如圖7和圖8所示。

圖8 SMC絕緣板及復(fù)合絕緣螺柱絕緣形式

經(jīng)過(guò)上述升級(jí)后,該位置對(duì)地電阻同樣達(dá)到了2 MΩ以上,同樣達(dá)到了基本要求的2倍,同時(shí)消除了短路口爆炸的安全隱患。

2.3 補(bǔ)償母線

該鋁廠補(bǔ)償母線的電流強(qiáng)度非常大,但補(bǔ)償母線和系列母線又不是同一電位,一旦發(fā)生絕緣安全事故,易引起爆炸事故,對(duì)系列的安全影響極大。對(duì)于本項(xiàng)目,考慮從以下三方面入手:

(1)補(bǔ)償母線同樣受到系列母線的電磁力影響,需要將支墩升級(jí)成與連接母線類(lèi)似的異型支墩絕緣方式;

(2)完善升級(jí)補(bǔ)償母線的絕緣隔離系統(tǒng),進(jìn)一步消除補(bǔ)償母線與系列母線或第三方接觸的風(fēng)險(xiǎn);

(3)在補(bǔ)償母線與系列母線交叉處使用優(yōu)化后的絕緣形式,防止不同點(diǎn)位的交叉位置有金屬搭接。

如圖9所示,在原有絕緣設(shè)施之外,本次在平行的補(bǔ)償母線之間增加了SMC絕緣套管,并增加了補(bǔ)償母線側(cè)部的SMC隔離板,將外補(bǔ)償母線與工人正常操作完全隔離。同時(shí)為確保安全,增加的該設(shè)施與補(bǔ)償母線是平行且同長(zhǎng)度的。

圖9 外補(bǔ)償母線絕緣隔離系統(tǒng)剖視圖

通廊、系列端頭處的補(bǔ)償母線會(huì)與系列母線存在交叉,雖然兩條母線的標(biāo)高不同,但存在巨大的電位差。因此在交叉處對(duì)補(bǔ)償母線和系列母線進(jìn)行幾乎全封閉的絕緣升級(jí),如圖10所示。首先使用4塊L型BMC絕緣塊置于母線四周,然后使用SMC絕緣板、SMC絕緣角鋼和PET塑鋼帶進(jìn)行固定和封閉,保證兩條母線在交叉點(diǎn)位置零接觸。

圖10 外補(bǔ)償母線與系列母線交叉處絕緣板形式

3 優(yōu)化效果

本項(xiàng)目通過(guò)以上三個(gè)重點(diǎn)位置的優(yōu)化升級(jí),并利用大修機(jī)會(huì)對(duì)電解系列的電解槽和母線系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性排查,取得了如下效果:

(1)解決了目前系列中出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移、槽體漏電等絕緣安全問(wèn)題,消除了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全隱患;

(2)連接母線脫落回位,并從根本上杜絕了過(guò)道母線、連接母線和外補(bǔ)償母線脫落問(wèn)題的再次發(fā)生;

(3)經(jīng)過(guò)檢測(cè),過(guò)道連接母線、短路口等位置對(duì)地絕緣>2 MΩ,達(dá)到了規(guī)范要求;

(4)消除了外補(bǔ)償母線與本體母線之間搭接漏電問(wèn)題,為系列的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了可靠保證。

4 結(jié) 論

安全生產(chǎn)是企業(yè)發(fā)展的重要保障,母線絕緣處理是電解鋁廠安全管理中的重中之重,直接決定著企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。本優(yōu)化項(xiàng)目的成功實(shí)施可以得出如下結(jié)論:

(1)大容量電解系列平行母線之間的電磁力相互作用不可忽視,項(xiàng)目建設(shè)階段需要充分考慮連接母線、補(bǔ)償母線、回路母線以及臨時(shí)母線之間的相互作用,并采取抑制措施,防止母線滑落;

(2)由于車(chē)間粉塵等存在,大容量電解槽短路口、母線交叉口等重點(diǎn)位置需要至少2層以上的絕緣措施交叉配置才能防止打火、短接等情況發(fā)生,絕緣配置可以參照本文中闡述的形式,該形式經(jīng)過(guò)驗(yàn)證對(duì)地絕緣達(dá)到2 MΩ以上,是基本要求的2倍,并成功應(yīng)用;

(3)絕緣材料的性能指標(biāo)是所有絕緣形式的基礎(chǔ),必須符合國(guó)標(biāo)要求。采用合格的絕緣材料同時(shí)結(jié)合有效的絕緣處理,才能夠有力保障目前電解系列的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。