光學電流測量儀在400 kA電解槽的應用探索*

易吉龍，王紅波，龍昌紅，史紹源，史承良，王思一，張保光

（云南云鋁涌鑫鋁業有限公司，云南 建水 654300）

鋁電解生產過程是一個復雜的電化學、強耦合的動態過程，為監控電解槽的正常運行，需要對其電流分布參數進行監測和分析[1]。目前電解鋁企業主要采用間接測量方式，通過使用直流毫伏表測量等距離的壓降，壓降大的說明流過的電流大導電好，壓降小的說明流過的電流小導電不好，主要應用于陽極導桿壓降的測量，處理電解槽電壓擺動[2]。對于進電母線、陰極出電軟帶的電流測量基本沒有測量工具[3]。同時等距離測量存在因導桿表面氧化、接觸不好、接線松動、測量位置受限等導致測量誤差較大，測量數據對生產的指導作用有限，急需一種能適應強磁場、大電流、測量精度高的便攜式移動測量儀表解決數據測量問題。

1 主要測量設備的應用情況

目前電流測量工具主要有電磁互感器和電子式互感器[4]。電磁式互感器主要利用電磁感應原理進行測量，不能直接測量直流電流。電子式互感器分為有源和無源兩種[5]，其中有源的也是利用電磁感應原理進行測量，測量不了直流電流[6]。無源電子式互感器都是利用法拉第效應的原理進行測量[7]，均可測量直流電流，但是磁光玻璃式的測量因采用光學玻璃測量精度較低，測量范圍小，也很難滿足電解槽直流大電流的測量。只有全光纖式的才能滿足使用要求。目前測量電流工具的對比如表1。

表1 電流測量工具對比Tab.1 Comparison of current measurement tools

通過表1不難發現，既要適應電解車間直流大電流的測量，同時又需要抗電磁干擾性好，能適應母線大小和位置關系，要求測量儀器具有很好的線性度，所以便攜式光學電流測量儀能最大程度滿足使用要求。光纖電流傳感器是利用光纖的偏轉特性，根據光纖法拉第電磁效應，電流產生的磁場，引起光纖偏轉角發生變化，從而間接地測量導體的電流大小[8]。光纖電流傳感器具有測量電流范圍較大，可以同時測量直流、交流和高頻成分，而且具有安裝結構簡單、使用方便、測量精度較高、可靠性高等優勢，廣泛應用于大電流直流輸電線的電流測量、冶金行業的大電流測量。

2 便攜式光纖電流測量儀特點及原理

2.1 便攜式測量儀特點

目前光纖電流傳感器主要采用固定位置方式進行測量，主要使用在整流機組進、出線總電流及單臺機組測量，市場上沒有專用于電解鋁行業針對進電立柱母線、陽極導桿以及陰極軟帶等大電流測量的移動式測量設備[9]。電流作為電解槽磁場和能量的提供者，運行過程出現較大偏差時直接影響電解槽的穩定運行，特別是隨著電解鋁技術的不斷進步，槽型也在增大，一旦出現較大偏流將給電解系列生產帶來較大隱患。某公司聯合設備廠家開發出便攜式測量工具。具體參數如表2。

表2 便攜式光學測試儀配置參數Tab.2 Parameters configuration of portable optical test instruments

2.2 便攜式測量儀原理

便攜式測量儀的原理：光纖電流傳感器是一種基于Faraday磁光效應的無源式電流傳感器，當電流通過導體時由于電生磁原理會在導體周邊形成與電流大小成一對一關系的等量磁場，而磁場可以與光纖介質形成Faraday磁光效應，故而可基于該原理通過測量磁場大小間接測量流經導體的電流值。基于安倍環路定理，可將感測光纖彎曲形成閉合光回路，不僅可以更準確地測量導體周邊磁場的大小，而且可以屏蔽相鄰導體陰極電流產生的磁場干擾，為破損電解槽精準定位、判別提供強有力的數據支撐，誤差控制范圍0.35%～0.90%。測量示意圖如圖1所示。

圖1 測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement

2.3 便攜式測量儀的測量方式

1）作業前清理方鋼軟帶及母線積料；

2）檢查光纖電流測量儀是否正常，將光纖閉合電流表顯示數值為零；

3）一人在槽下部持設備，一人在槽上部配合將光纖環繞電解槽陰極鋼棒或軟帶一周，形成閉環同時待顯示穩定后讀數；

4）重復操作，測量全部陰極鋼棒電流（kA），讀取測量數值并做好記錄。

3 電流測量儀在電壓波擺中的應用

400 kA大型預焙槽陽極電流分布測量示意圖如圖2，陽極電流分布是否均勻對電解槽的穩定性有極大影響，因為陽極電流分布不均，通過引起“電-磁-流”的連環式變化使溶體波動劇烈，導致電壓劇烈波動（如圖3），嚴重時可能導致電解槽“滾鋁”。

圖2 陽極測量示意圖Fig.2 Schematic diagram for anode measurement

圖3 電解槽歷史曲線Fig.3 Historical curve of electrolytic cell

通過采用毫伏電壓表測量等距壓降，找不到波擺的具體陽極，根據測量數據處理陽極導桿壓降不能消除波擺。通過采用測量陽極電流分布，如表3，對電流分布值大的A1、A12進行調極處理，波擺消除，消除后的電流分布如表4。

表3 718#陽極電流分布表處理前Tab.3 Current distribution list for 718#anode current before treatment kA

表4 718#陽極電流分布表處理后Tab.4 Current distribution list for 718#anode current after treatment kA

4 電流測量儀在立柱母線電流測量的應用

相鄰兩個鋁電解槽立柱母線電流（圖4），從設計的理論上講對應點電流應該相等。通過測量相鄰兩臺電解槽立柱電流值，如果對應點電流值不相等，那么會引起磁場變化，電解槽運行穩定性變差。如表5、表6所示，806#電解槽立柱電流分布第3顆偏差較大，主要是電解槽在運行過程中48顆陽極的導電不可能絕對均勻，同時爐底結殼等因素也會導致電流分布偏差大。為確保電解槽平穩運行，對于806#電解槽工藝控制應作出相應調整，讓第三顆立柱電流逐步降低至66 kA左右。可以通過采取提高設定電壓、增加在產鋁量等措施。再定期對其電流分布進行跟蹤測量，直到電流分布均勻。

圖4 立柱母線測量示意圖Fig.4 Schematic diagram for measurement of column generating line

表5 805#立柱電流測量統計表Tab.5 Current measurement statistical table for 805#column kA

表6 806#立柱電流測量統計表Tab.6 Current measurement statistical table for 806#column kA

5 電流測量儀在陰極出電軟帶測量的應用

鋁電解生產，要求電流均勻通過陰極鋼棒。如果陰極鋼棒通過電流過大，該位置發熱量大，爐底沉淀的結殼少，電流進一步加大可能導致陰極破損；通過陰極鋼棒電流過小，則該位置易產生沉淀，沉淀會進一步增加此處電阻，導致導電進一步減少，會產生偏流，干擾電解槽正常運行，電解槽出現早期破損。通過測量新啟動槽315#電解槽陰極電流分布（表7），其中A1處陰極電流只有3.2 kA，復測A1處鋼鋁壓接塊壓降為56 mV，判定該處施工質量不合格，經與施工方協調處理，通過A1處電流增加至7.8 kA，通過陰極電流均勻，對電解槽平穩運行具有積極意義。

圖5 陰極電流測量示意圖Fig.5 Schematic diagram for cathode current measurement

表7 315#陰極電流分布表Tab.7 315#cathode current distribution list kA

陰極電流測量數據，可以作為檢測判斷電解槽破損點方法。當爐底破損到一定程度后，會形成陰極炭塊與陰極鋼棒間的鋁液通道，通過該處電流量增大。通過測量電解槽破損前后電流分布、對比、排查，尋找電解槽破損點，如表8、表9是227#電解槽破損前后電流分布，通過對比，A15、16處陰極電流分布值升高1.0 kA及0.5 kA，提極檢查爐底，A15第二爪下陰極斷裂，通過割除A15位置處鋼棒，同時對A15、16陽極對應的陰極進行保護和修復，僅一個月227#電解槽鐵含量恢復到0.1%以內（圖6），有效延長了電解槽壽命。

圖6 227#電解槽鐵含量變化折線圖Fig.6 Variation broken line graph of iron content in 227#electrolytic cell

表8 227#電解槽破損前陰極電流分布表Tab.8 Cathode current distribution list for 227#electrolytic cell before it broken kA

表9 227#電解槽破損后陰極電流分布表Tab.9 Cathode current distribution list for 227#electrolytic cell after it broken kA

6 結語

在400 kA鋁電解槽生產過程中，通過使用便攜式光纖電流測量儀表對各進、出電回路進行測量，再結合電解槽狀態和工藝控制參數調整，能有效解決電解槽偏流導致的一系列問題，便攜式光纖電流測量儀表的運用，對400 kA鋁電解槽安全、平穩運行，延長槽壽命具有積極意義，對鋁電解其它槽型電流分布測量具有很好的推廣使用價值。主要有以下三個方面：

1）通過對電解槽立柱進電電流測量，可以為鋁電解工藝控制提供立柱電流分布理論依據，建立單槽檔案，異常時可對電解槽整體電流分布進行局部調整，提高電解槽穩定性；

2）通過測量電解槽陽極電流值的分布，找到電流值偏離正常均值的陽極，結合陽極導桿和水平母線的接觸情況以及電解槽的工藝參數、爐底情況進行處理，可以快速處理因陽極電流分布不均引起電壓波擺，提高電解槽生產效率；

3）通過對電解槽陰極電流的測量，正常運行時進行測量建立單槽檔案，異常時再次測量進行對比，可以協助尋找電解槽陰極破損位置，通過在線修補，延長電解槽壽命。