何立婧,羅 建,顏非亞,何 嵩

(1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044；2.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

鋁電解槽接地故障是鋁電解企業(yè)最常見的故障之一。電解槽接地故障會(huì)引起直流母線漏電,使槽產(chǎn)鋁量減小,降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1]。為了提高鋁電解企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,有必要及時(shí)檢測出鋁電解槽接地的故障位置,以便快速排除鋁電解槽接地故障。

目前國內(nèi)鋁電解企業(yè)主要采用三種檢測方法來應(yīng)對(duì)鋁電解槽接地問題。第一種是通過兆歐表或外加信號(hào)檢測電解槽對(duì)地絕緣電阻,由對(duì)地絕緣電阻大小來判定鋁電解槽是否存在接地故障[2],此檢測方法很難確定鋁電解槽接地的故障位置。第二種是檢測電解槽對(duì)地絕緣電壓,通過不同點(diǎn)所測的電解槽對(duì)地絕緣電壓來判斷鋁電解槽接地故障位置,如文獻(xiàn)3利用檢測端的電壓差來判定鋁電解槽打殼氣缸的絕緣異常,對(duì)于鋁電解槽多點(diǎn)接地情況這種檢測方法幾乎無能為力。第三種是零點(diǎn)漂移檢測法,通過檢測不同點(diǎn)接地電壓的大小來計(jì)算鋁電解槽接地故障的位置[4],但該檢測方法很難確定鋁電解槽多點(diǎn)接地故障位置。

綜上,目前尚未有一種有效的檢測方法來確定鋁電解槽多點(diǎn)接地故障位置,由此,有必要尋找一種新的檢測方法來確定鋁電解槽多點(diǎn)接地故障的位置。本文利用電橋平衡的原理[5],利用多個(gè)檢測電橋并聯(lián)與鋁電解槽地端連接的方法來檢測鋁電解槽接地故障位置。當(dāng)鋁電解槽發(fā)生單點(diǎn)或多點(diǎn)接地后,其接地阻抗發(fā)生變化,從而導(dǎo)致相應(yīng)點(diǎn)的檢測電橋產(chǎn)生不平衡,依據(jù)檢測電橋電流的幅值和相位的變化規(guī)律,可確定鋁電解槽單點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障位置。

1 鋁電解槽接地故障位置檢測原理

鋁電解槽供電方式是一種特殊的不接地直流供電系統(tǒng),直流供電電源為±600 V,其強(qiáng)大的電流是通過直流母線和電解槽構(gòu)成回路,如圖1所示(某鋁電解企業(yè)的鋁電解槽供電原理圖)[6]。

圖1 鋁電解槽供電原理圖

正常情況鋁電解槽的對(duì)地絕緣良好,接地電阻通常為兆歐級(jí)。當(dāng)鋁電解槽絕緣損壞時(shí),接地阻抗減小,絕緣損壞愈嚴(yán)重,接地阻抗愈小。

本文利用電橋平衡原理檢測鋁電解槽接地故障位置。當(dāng)有電解槽發(fā)生接地時(shí),原本平衡的電橋不平衡,其電橋電流的幅值和相位都可能出現(xiàn)變化,依據(jù)電橋電流幅值和相位的變化特征就可檢測出鋁電解槽接地故障位置。如圖2為鋁電解槽接地故障位置檢測的原理圖。

圖2 鋁電解槽接地故障位置檢測的原理圖

其中:1#～n#——n個(gè)電解槽;

A——電流傳感器,檢測電橋電流;

Zd1～Zdn——電解槽對(duì)地電阻;

Cd1～Cdn——電解槽對(duì)地電容；

Zb1～Zbn——等值橋臂電阻。

兩個(gè)相鄰橋臂電阻、兩個(gè)相鄰槽對(duì)地電阻和一個(gè)電流傳感器共同構(gòu)成一組電橋。如圖n個(gè)橋臂電阻,n個(gè)電解槽和n-1個(gè)電流傳感器,共同構(gòu)成了n-1組并聯(lián)電橋。外加一個(gè)已知頻率和幅值的交流電壓源。

當(dāng)電解槽正常運(yùn)行,n-1組電橋均處于平衡狀態(tài),流過電流傳感器的電流幾乎為零。當(dāng)有鋁電解槽發(fā)生一點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障時(shí),相應(yīng)的電橋處于非平衡的狀態(tài),電橋電流的幅值和相位將可能出現(xiàn)變化,依據(jù)電橋電流幅值和相位的變化特征就可檢測出鋁電解槽一點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障位置。本文將在下一節(jié)給出鋁電解槽發(fā)生一點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障時(shí)的相應(yīng)電橋電流幅值和相位的變化特征規(guī)律。

由于電橋電流所檢測的電流數(shù)值十分微弱,有可能小到微安級(jí),本文采用改進(jìn)的自適應(yīng)濾波算法{7}來計(jì)算電橋電流的幅值和相位,以提高電橋電流的檢測精度。

2 鋁電解槽接地故障位置的仿真分析

以十個(gè)鋁電解槽為例,運(yùn)用MATLAB對(duì)鋁電解槽接地故障位置的電橋電流幅值和相位變化特征規(guī)律進(jìn)行分析。

其中:交流電壓源幅值200 V,頻率250 Hz;

直流電源幅值為600 V;

Zb——橋臂電阻,200 Ω;

1*～10*——10個(gè)電解槽;

1#～9#——9個(gè)電流傳感器,用來檢測電橋電流;

C1～C10和L1～L10——模擬的隔離直流器件,分別為0.01 F,0.001 L;

Cd1～Cd10——對(duì)地電容,5 mF;

Zd1～Zd2——正常情況電解槽對(duì)地阻抗,4 MΩ;

Rd——模擬的大地電阻,0.1 Ω。

將從1槽流向n槽的電流方向設(shè)為正向;反之,為負(fù)向。

2.1 接地故障時(shí)的電橋電流幅值和相位變化特征規(guī)律

(1)正常情況下

電橋電流數(shù)據(jù)見表1。

表1 正常情況下電橋電流數(shù)據(jù)

如表1所示,鋁電解槽無接地故障的正常情況下,電橋平衡,所有電橋電流幾乎都小于或等于1微安,其值幾乎為零。因此,當(dāng)所有電橋電流幅值幾乎為零時(shí),鋁電解槽無接地故障發(fā)生。

(2)單點(diǎn)接地(8槽接地)

Zd8’=0.001 Ω,電橋電流數(shù)據(jù)見表2。

表2 8槽接地故障時(shí)電橋電流數(shù)據(jù)

當(dāng)8槽發(fā)生接地時(shí),如表2所示,電橋1到7的電流方向?yàn)檎?其電流幅值處于有規(guī)律的均勻增大變化,電橋8和9的電流方向?yàn)樨?fù),其電流幅值處于有規(guī)律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發(fā)生由正到負(fù)改變。

(3)兩點(diǎn)接地(4和8槽接地)

Zd4’=Zd8’=0.001Ω,電橋電流數(shù)據(jù)見表3。

表3 4和8槽接地故障時(shí)電橋電流數(shù)據(jù)

4 和8槽發(fā)生接地時(shí),如表3所示,電橋1到3的電流方向?yàn)檎?其電流幅值處于有規(guī)律的均勻增大變化,電橋4的電流方向?yàn)樨?fù),電橋3與電橋4間的電流方向發(fā)生由正到負(fù)改變;電橋5到7的電流方向?yàn)檎?其電流幅值處于有規(guī)律的均勻增大變化,電橋8和9的電流方向?yàn)樨?fù),其電流幅值處于有規(guī)律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發(fā)生由正到負(fù)改變。

(4)三點(diǎn)接地(4,6,8槽接地)

Zd4’=Zd6’=Zd8’=0.001Ω,電橋電流數(shù)據(jù)如表4。

表4 4,6和8槽接地故障時(shí)電橋電流數(shù)據(jù)

4,6和8槽發(fā)生接地時(shí),如表4所示,電橋1到3的電流方向?yàn)檎?其電流幅值處于有規(guī)律的均勻增大變化,電橋4和5的電流方向?yàn)檎?其電流幅值處于有規(guī)律的均勻增大變化,電橋3與電橋4間的電流幅值發(fā)生不均勻減小改變;電橋6電流方向?yàn)樨?fù),電橋5與電橋6間的電流方向發(fā)生由正到負(fù)改變;電橋7的電流方向?yàn)檎?電橋8和9的電流方向?yàn)樨?fù),其電流幅值處于有規(guī)律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發(fā)生由正到負(fù)改變。

鋁電解槽發(fā)生一點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障時(shí),從1槽流向n槽的方向觀察以上的故障點(diǎn)相應(yīng)電橋電流幅值和相位的變化特征,可總結(jié)得到如下規(guī)律:

(1)只要電解槽相連兩個(gè)電橋電流方向由正到負(fù)改變,該電解槽有接地故障。

(2)對(duì)于電橋電流方向都為正或負(fù)的情況,只要電解槽相連兩個(gè)電橋電流幅值出現(xiàn)不均勻減小或增大變化,該電解槽有接地故障。

2.2 接地阻抗變化

當(dāng)電解槽發(fā)生接地故障時(shí),由于電解槽的絕緣損壞情況不同,接地阻抗也有所不同。為了反映不同接地阻抗對(duì)電橋電流幅值和相位的影響,本文在電解槽8發(fā)生接地故障時(shí),改變電解槽8的接地阻抗,其各個(gè)電橋電流幅值和相位的變化如表5所示。

表5 改變接地故障點(diǎn)接地阻抗時(shí)電橋電流數(shù)據(jù)

由表5可見,當(dāng)接地阻抗小于100 kΩ時(shí),電橋1到7的電流方向?yàn)檎?其電流幅值處于有規(guī)律的均勻增大變化,電橋8和9的電流方向?yàn)樨?fù),其電流幅值處于有規(guī)律的均勻減小變化,電橋7與電橋8間的電流方向發(fā)生由正到負(fù)改變,可正確反映電解槽8發(fā)生的接地故障。當(dāng)接地阻抗大于500 kΩ時(shí),電橋電流幅值已在1微安附近,這與鋁電解槽無接地故障的正常情況相差無幾。

由上可得出,當(dāng)接地阻抗小于100 kΩ時(shí),電解槽接地故障位置能正確判斷,當(dāng)接地阻抗大于500 kΩ時(shí),電解槽接地故障已與正常情況混淆。

3 結(jié) 論

針對(duì)目前尚無有效檢測方法來確定鋁電解槽多點(diǎn)接地故障位置的問題,本文提出一種利用電橋平衡原理檢測鋁電解槽多點(diǎn)接地故障位置的方法。

鋁電解槽發(fā)生一點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障時(shí),從正方向上觀察故障點(diǎn)相應(yīng)電橋電流幅值和相位的變化特征,通過分析本文總結(jié)如下兩條規(guī)律:電解槽相連兩個(gè)電橋電流方向由正到負(fù)改變,該電解槽有接地故障;對(duì)于電橋電流方向都為正或負(fù)的情況,只要電解槽相連兩個(gè)電橋電流幅值出現(xiàn)不均勻減小或增大變化,該電解槽有接地故障。

當(dāng)接地阻抗小于100 kΩ時(shí),電解槽接地故障位置能正確判斷,當(dāng)接地阻抗大于500 kΩ時(shí),電解槽接地故障已與正常情況混淆。

相比于已有的其它檢測方法,所提方法為鋁電解槽多點(diǎn)接地故障位置的確定提供了一種實(shí)現(xiàn)途徑。