電石生產中的大電流檢測技術

王明安

（宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓 644004）

中國是全球最大的電石生產與消費國，在國家碳達峰、碳中和的政策下，電石生產作為高能耗高污染的行業，屬于限制的行業之一。因此，對電石爐生產過程的優化，使之達到平穩運行、增產降耗，對于電石行業尤為重要。

電石生產是利用電弧熱和電阻熱，即電流通過電極輸入爐內產生電弧，釋放能量進行冶煉，所以控制好輸入電流，達到穩定的電弧，釋放一定的能量，使爐內達到最合適的溫度成為首要因素。隨著電石爐爐型的轉變、容量的增大，電石爐的自然功率因數cosφ2呈偏低的現象，致使電網側功率因數cosφ1也隨之偏低，不能滿足國家電網功率因數達0.9的要求。為滿足國家電網功率因數的要求，從減少線路損耗、節約電能考慮，現在大多數都采用在電爐變壓器低壓側進行無功補償，即在電爐變壓器低壓側安裝無功補償裝置，補償點位置設置在斷網末端，盡量靠近電極處，這樣既可以減少在電爐短網及變壓器繞組中產生的損耗，又能增加電爐變壓器的有功輸出和提高功率因數。但設置低壓無功補償裝置后，變壓器低壓側的電流就不是真正的電極電流。隨著補償電流的加入，將改變一次側電流與電極電流的映射關系，是電極電流與補償電流的矢量和，此時，電極電流將達到數萬安培。

電極電流是電爐操作的重要參數，目前檢測方法有3種。

（1）根據短網電流和電極電流的關系，在補償點后端，選取短網中并聯導體中的一根，設置電流互感器，單根測量后，通過理論計算間接測量電極電流值；

（2）利用電爐變壓器一次側電流與二次側電流成等比關系，結合低壓補償電流，在一次側、補償側均設置電流互感器，通過理論計算間接測量電極電流值；

（3）采用大電流檢測裝置，即利用大電流測量技術，用低壓大電流傳感器直接測量補償點后二次側電流。

以上3種電極電流檢測方法中，第一種是采用電流互感器，由于電爐變壓器容量較大，補償后的電流更大，雖然測量為單根銅管電流，但電流互感器要求變比大于8 000/5 A，這種電流互感器造價較高、具有較強的安裝局限；第二種也是采用電流互感器，由于是測量一次側電流和補償側電流，電流較小，造價低、安裝不受局限，但因為是多個測量，每個測量均存在誤差，多個誤差的疊加，使測量精度偏低；第三種是采用大電流傳感器，由于引入電力電子技術，可以檢測直接補償后的電極電流，測量誤差小、范圍寬、安裝方便、可適應現場惡劣環境。通過比較可見，第三種檢測方式最優。

鑒于第三種檢測方式的優點，以下針對大電流檢測技術的工作原理、結構形式、抗干擾和提高精度措施以及在電石生產中的運用情況進行介紹。

1 大電流測量

大電流測量技術是現代電磁測量領域的重要組成部分，它實際上是將電流的測量問題轉變為磁場的測量問題，通過一定的手段測量它的磁密、磁通或磁勢，再經過轉換得到電流的大小。

根據所在環境工作電壓等級，電石行業主要采用低壓大電流測量，這種測量元件通常采用兩種電流傳感器，即霍爾元件和羅氏線圈。

1.1 霍爾元件[1]

霍爾元件是一種半導體磁電器件，它可以檢測磁場及其變化，用于各種與磁場有關的場合中。

（1）霍爾元件的工作原理

霍爾元件是應用霍爾效應的半導體。所謂霍爾效應，是指磁場作用與載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。簡單的說，就是在平板半導體介質中，電子移動（電場）的方向受磁力的作用（磁場）而改變，并使傳導的載子（電子或空穴）集中在平板上下兩邊形成電位差，如圖1所示。

圖1 霍爾效應原理圖

具體的工作原理：將電流IH通過一導電物質，在對與電流IH成正角方向施加磁場B后，由弗萊銘左手定則，在洛仁子力的作用下，使電子或空穴向箭頭符號所示方向移動并擠向固定輸出端，則電流與磁場兩者的直角方向將產生電位差UH，這個電壓UH則稱為霍爾電壓。霍爾電壓的大小與所加的控制電流IH、磁感應強度B均成正比線性關系，即：

式中：IH為控制電流；B為磁感應強度；KH為霍爾元件的靈敏度。

（2）交流大電流的測量

在電石生產中所測量的電流是低壓交流大電流，屬于交流強磁場，對于這種交流強磁場的大電測量采用的是霍爾直接式直流強磁場的測量原理。

從圖2知道，被測電流i1在鐵芯中產生一個磁感應強度B1，即

圖2 霍爾直接式直流強磁場的測量原理

式中：C1為常數。

霍爾元件的輸出電壓uH由公式（1）和公式（2）得：

電壓uH通過放大器A放大后，其輸出電壓u1為：

則

式中：C2為常數。

將電壓u1再通過交直流電壓轉換器后，其輸出電壓U0為：

從上式可知，電壓U0與被測交流大電流i1的有效值I1成正比，將電壓U0輸入數字電壓表中即可達到測量交流大電流i1的目的。

（3）提高霍爾元件測量精度的措施

由圖2可知，霍爾直接式交流大電流測量中i1轉換為霍爾輸出電壓UH，受霍爾元件的影響，霍爾輸出電壓UH裝換為輸出電壓U0，則受放大器A、交直流電壓轉換器、電阻R1、R2等電子元件的影響，而且回路中放大器A的放大倍數K越大，霍爾直接檢測交流大電流的系統誤差會越大。因此，為提高霍爾元件測量精度、降低信號轉換回路電子元件的誤差，需要從測量元件和信號轉換回路電子元件的選材、制作、性能等方面著手。具體措施如下。

a.選用剩磁接近于零的高導磁材料制作鐵芯。

b.選用線性度好、高穩定度的霍爾元件。

c.選用頻率特性好、高增益、低漂移、低噪聲的放大器。

d.電阻R1、R2選用EE系列高穩定度的精密金屬膜電阻。

e.選用集成式真有效值交直流電壓轉換器，將一定頻率范圍內的交流電壓信號轉換為與其有效值相應的直流電壓信號，其測量對象可以是正弦波、三角波、矩形波及復雜的周期波形，且抗波形畸變能力強。

1.2 羅氏線圈[2]

羅氏線圈也叫電流測量線圈、微分電流傳感器，是一個將導線均勻纏繞在非鐵磁性材料骨架上的空心環形線圈，可直接套在被測量的導體上。羅氏線圈主要用于測量交流電流，它測量范圍寬、精度高；穩定可靠，響應頻帶寬；體積小、重量輕、安全環保；同時具有測量和繼電保護功能，易于實現微機化、網絡化。

（1）羅氏線圈的工作原理

羅氏線圈的工作原理是利用導體內交流電流的變化而改變周圍磁場，線圈導線再感應變化的磁場產生感應電動勢，再通過電動勢的數學運算，最終還原導體中的電流。

羅氏線圈測量電流的理論依據是電磁感應定律和安培環路定律。

當被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時，在環形繞組所包圍的體積內將產生相應變化的磁場，強度為H，由安培環路定律得：

由公式（10）可知，電動勢就是電流對時間的微分。

當檢測線圈為環形，其截面為矩形時，見圖3。

圖3 羅氏線圈結構示意圖

互感系數M和自感系數L分別為：

式中：H為線圈內部的磁場強度；B為線圈內部的磁感應強度；μ為真空磁導率；N為線圈匝數；E（t）為線圈兩端的感應電壓。

（2）積分器的工作原理

由于羅氏線圈感應出的電動勢很小，為準確將羅氏線圈感應的電動勢輸出還原為測量的交流電壓，還必須在積分器前面增加一個放大電路，即反相積分電路，如圖4所示。

圖4 反相積分電路示意圖

反相積分電路的輸出電壓與輸入電壓成積分關系，當ui為恒定直流電壓時，輸出電壓隨時間作線性變化，其上升和下降斜率隨R、C和ui的改變而變化。

（3）抗干擾及提高精度措施

電磁干擾因素是影響羅氏線圈在實際中應用的主要障礙。根據分析干擾磁場對羅氏線圈的影響，在線圈制造時采取相應的抗干擾措施，就能滿足羅氏線圈的檢測精度和抗擾度。

a.均勻繞制線圈、不斷增大繞線致密度，減小線圈產生的磁場與平行干擾磁場的耦合。

b.繞制差分返回匝的方式抵消軸向干擾磁場與線圈之間的互感，或選用銅箔返回匝提高線圈的檢測精度和抗擾度。

c.對羅氏線圈以及傳感器電子部分均進行電磁屏蔽。

d.對A/D轉換模塊，由一次母線經鐵芯線圈直接耦合，并且經濾波穩壓后提供給模擬信號采控部分。

1.3 霍爾元件與羅氏線圈的性能比較

根據霍爾元件和羅氏線圈兩種大電流傳感器的工作原理，其性能上存在著一定的差異。

表1 霍爾元件與羅氏線圈的性能比較

2 大電流傳感器在電石生產中的運用

引入低壓補償技術的電石爐冶煉，電極電流的數值由于電石爐的容量及補償容量的增大將越來越大，及時、準確地掌握電極電流對于電石爐的操作更為重要。運用大電流傳感器直接檢測電極電流，將實時、直接地反映電石生產的各種電氣參數，使生產人員及時掌握電石爐內生產情況，正確指導生產。

2.1 大電流檢測裝置

在電石生產中使用的大電流檢測設備是大電流檢測裝置，由大電流傳感器和電流變送箱兩個部分組成，其檢測回路如圖5所示。

圖5 大電流檢測裝置的檢測回路示意圖

（1）大電流傳感器。由鋁合金外殼運用環氧樹脂將霍爾元件或羅氏線圈作為測量元件的磁路、電路澆注為一體的一種測量裝置。

這種測量裝置的電流測量范圍能達1 000～20 000 A，測量精度±0.2%，過載能力150%，交流頻響達0～20 kHz，響應時間＜10 μs，溫度漂移＜0.05%/℃，輸出信號為5 V.DC或4～20 mA.DC，完全滿足大容量電石爐補償后大電流直接測量的范圍、精度及過載能力。由于霍爾元件或羅氏線圈的測量都是利用磁場感應的原理，為減少現場環境對測量值的影響，其內部磁路均有采用特殊的磁路屏蔽技術，可實現高穩定度、高線性度；并且其結構形式采用開口式，分上下兩部分，安裝方便，可根據現場短網系統的布置結構，不拆卸短網系統，直接安裝在單根銅管上。

（2）電流變送箱。由多只分電流智能表、1只總電流智能表、1只電壓表組成的具有信號接收、轉換、傳輸的一個信號顯示箱，其中分電流智能表的數量根據短網銅管的根數確定。

電流變送箱中的電流智能表均可根據電流實際運行大小配置測量范圍，其輸入信號為5 V.DC或4～20 mA.DC，輸出信號為4～20 mA.DC模擬信號或RS485接口、Modbus通訊信號，測量精度0.5級。通過電流傳感器檢測的電流信號，利用信號轉換模塊后接入分電流智能表，經電流智能表的信號轉換及邏輯計算后，顯示單支銅管電流，并通過控制線直接接入總電流智能表，再經總電流智能表累計計算后，顯示單相電極電流。其中單支銅管的電流、單相電極的電流均可以通過控制線或通訊線，采用4～20 mA.DC模擬信號或RS485接口、Modbus通訊信號傳輸至自動控制系統，實時反應電石生產中的各種電流運行數據，并通過在自動控制系統內建立數學模型，經過邏輯計算還可顯示其他操作數據，達到指導生產運行的目的。

2.2 大電流檢測裝置的運用

安裝在短網補償后端的大電流檢測裝置，其實時反應的電流是經過低壓補償后的電極電流，經自動控制系統實時顯示，可以直接反映電石爐三根電極實時運行電流的大小。

根據電極直徑計算公式，可知

式中：D為電極直徑，cm；I為電極電流，A；σ為電流密度，A/cm2。

電極的直徑與電極電流有著密切的聯系，即在一定合理的電流密度時，電極直徑的大小直接決定通過電極電流的大小，如果電極電流超過一定數值，電極將出現事故，存在電極軟斷或硬斷等不安全因素，此時操作人員就必須作出提升電極、降低負荷等相應的操作。因此，實時、準確地反映電極電流的大小，可以正確指導操作人員進行電極升降的操作、電石爐變壓器檔位的調整、電石爐輸入容量的控制，避免電極、電爐事故的發生，及時掌握電石爐爐況的異常變化。

基于二次側檢測電流數據通過電氣理論的分析，還可以進行電氣參數的延伸，推導出電極阻抗、電極電阻、電極功率等其他技術參數，并經過自動控制系統建立相應的數學模型，再結合其他檢測數據，還可以實時反映爐內三相電極的輸入功率及不平衡度、每相電極對爐底的阻抗大小、每相電極的估計位置、熔池的大小等其他電石爐的爐內情況，指導操作人員及時調整爐內的輸入容量、無功補償的投切及輸入容量、三根電極的升降、混合料的加入或電石成品的出爐等，很好地控制爐內的電化學反應，以達到爐內生產的平穩運行。

大電流傳感器的實測電流不僅可以反映電石爐的生產情況，還可以反映電極側導電元件的運行情況。每根銅管的電流檢測數據可以反映短網系統中每根銅管、水冷電纜、電極側銅管及各段連接件處等實際運行時的單個回路阻抗情況，如單個回路電流異常偏低，則說明單個回路中阻抗增大，可能存在水冷電纜斷線、連接件某處接觸電阻增大等異常情況。技術人員就可以根據實時檢測數據與正常檢測數據的對比，根據差異性，及時分析單個回路的運行情況，判斷有無異常，避免或降低電氣線路事故的發生。

3 結語

在電石生產中，生產運行的平穩、操作控制的精準越來越重要，不能精確檢測和實時反饋自動化系統的電極電流檢測技術將被淘汰。運用大電流檢測技術的大電流檢測裝置是具有大電流精密計量的一種檢測裝置，它將廣泛應用于電石生產中，對電石生產的過程優化和自動控制研究發揮重要的作用。