王明安

（宜賓天原集團(tuán)股份有限公司，四川 宜賓 644004）

中國(guó)是全球最大的電石生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的政策下，電石生產(chǎn)作為高能耗高污染的行業(yè)，屬于限制的行業(yè)之一。因此，對(duì)電石爐生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，使之達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行、增產(chǎn)降耗，對(duì)于電石行業(yè)尤為重要。

電石生產(chǎn)是利用電弧熱和電阻熱，即電流通過(guò)電極輸入爐內(nèi)產(chǎn)生電弧，釋放能量進(jìn)行冶煉，所以控制好輸入電流，達(dá)到穩(wěn)定的電弧，釋放一定的能量，使?fàn)t內(nèi)達(dá)到最合適的溫度成為首要因素。隨著電石爐爐型的轉(zhuǎn)變、容量的增大，電石爐的自然功率因數(shù)cosφ2呈偏低的現(xiàn)象，致使電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)cosφ1也隨之偏低，不能滿足國(guó)家電網(wǎng)功率因數(shù)達(dá)0.9的要求。為滿足國(guó)家電網(wǎng)功率因數(shù)的要求，從減少線路損耗、節(jié)約電能考慮，現(xiàn)在大多數(shù)都采用在電爐變壓器低壓側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，即在電爐變壓器低壓側(cè)安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償點(diǎn)位置設(shè)置在斷網(wǎng)末端，盡量靠近電極處，這樣既可以減少在電爐短網(wǎng)及變壓器繞組中產(chǎn)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(shù)。但設(shè)置低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置后，變壓器低壓側(cè)的電流就不是真正的電極電流。隨著補(bǔ)償電流的加入，將改變一次側(cè)電流與電極電流的映射關(guān)系，是電極電流與補(bǔ)償電流的矢量和，此時(shí)，電極電流將達(dá)到數(shù)萬(wàn)安培。

電極電流是電爐操作的重要參數(shù)，目前檢測(cè)方法有3種。

（1）根據(jù)短網(wǎng)電流和電極電流的關(guān)系，在補(bǔ)償點(diǎn)后端，選取短網(wǎng)中并聯(lián)導(dǎo)體中的一根，設(shè)置電流互感器，單根測(cè)量后，通過(guò)理論計(jì)算間接測(cè)量電極電流值；

（2）利用電爐變壓器一次側(cè)電流與二次側(cè)電流成等比關(guān)系，結(jié)合低壓補(bǔ)償電流，在一次側(cè)、補(bǔ)償側(cè)均設(shè)置電流互感器，通過(guò)理論計(jì)算間接測(cè)量電極電流值；

（3）采用大電流檢測(cè)裝置，即利用大電流測(cè)量技術(shù)，用低壓大電流傳感器直接測(cè)量補(bǔ)償點(diǎn)后二次側(cè)電流。

以上3種電極電流檢測(cè)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(bǔ)償后的電流更大，雖然測(cè)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(jià)較高、具有較強(qiáng)的安裝局限；第二種也是采用電流互感器，由于是測(cè)量一次側(cè)電流和補(bǔ)償側(cè)電流，電流較小，造價(jià)低、安裝不受局限，但因?yàn)槭嵌鄠€(gè)測(cè)量，每個(gè)測(cè)量均存在誤差，多個(gè)誤差的疊加，使測(cè)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(shù)，可以檢測(cè)直接補(bǔ)償后的電極電流，測(cè)量誤差小、范圍寬、安裝方便、可適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境。通過(guò)比較可見(jiàn)，第三種檢測(cè)方式最優(yōu)。

鑒于第三種檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)，以下針對(duì)大電流檢測(cè)技術(shù)的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、抗干擾和提高精度措施以及在電石生產(chǎn)中的運(yùn)用情況進(jìn)行介紹。

1 大電流測(cè)量

大電流測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代電磁測(cè)量領(lǐng)域的重要組成部分，它實(shí)際上是將電流的測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)的測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)一定的手段測(cè)量它的磁密、磁通或磁勢(shì)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到電流的大小。

根據(jù)所在環(huán)境工作電壓等級(jí)，電石行業(yè)主要采用低壓大電流測(cè)量，這種測(cè)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(dǎo)體磁電器件，它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，用于各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中。

（1）霍爾元件的工作原理

霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用與載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在平板半導(dǎo)體介質(zhì)中，電子移動(dòng)（電場(chǎng)）的方向受磁力的作用（磁場(chǎng)）而改變，并使傳導(dǎo)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(yīng)原理圖

具體的工作原理：將電流IH通過(guò)一導(dǎo)電物質(zhì)，在對(duì)與電流IH成正角方向施加磁場(chǎng)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(hào)所示方向移動(dòng)并擠向固定輸出端，則電流與磁場(chǎng)兩者的直角方向?qū)a(chǎn)生電位差UH，這個(gè)電壓UH則稱為霍爾電壓?；魻栯妷旱拇笮∨c所加的控制電流IH、磁感應(yīng)強(qiáng)度B均成正比線性關(guān)系，即：

式中：IH為控制電流；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；KH為霍爾元件的靈敏度。

（2）交流大電流的測(cè)量

在電石生產(chǎn)中所測(cè)量的電流是低壓交流大電流，屬于交流強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)于這種交流強(qiáng)磁場(chǎng)的大電測(cè)量采用的是霍爾直接式直流強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量原理。

從圖2知道，被測(cè)電流i1在鐵芯中產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，即

圖2 霍爾直接式直流強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量原理

式中：C1為常數(shù)。

霍爾元件的輸出電壓uH由公式（1）和公式（2）得：

電壓uH通過(guò)放大器A放大后，其輸出電壓u1為：

則

式中：C2為常數(shù)。

將電壓u1再通過(guò)交直流電壓轉(zhuǎn)換器后，其輸出電壓U0為：

從上式可知，電壓U0與被測(cè)交流大電流i1的有效值I1成正比，將電壓U0輸入數(shù)字電壓表中即可達(dá)到測(cè)量交流大電流i1的目的。

（3）提高霍爾元件測(cè)量精度的措施

由圖2可知，霍爾直接式交流大電流測(cè)量中i1轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)K越大，霍爾直接檢測(cè)交流大電流的系統(tǒng)誤差會(huì)越大。因此，為提高霍爾元件測(cè)量精度、降低信號(hào)轉(zhuǎn)換回路電子元件的誤差，需要從測(cè)量元件和信號(hào)轉(zhuǎn)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(dǎo)磁材料制作鐵芯。

b.選用線性度好、高穩(wěn)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(wěn)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(zhuǎn)換器，將一定頻率范圍內(nèi)的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其有效值相應(yīng)的直流電壓信號(hào)，其測(cè)量對(duì)象可以是正弦波、三角波、矩形波及復(fù)雜的周期波形，且抗波形畸變能力強(qiáng)。

1.2 羅氏線圈[2]

羅氏線圈也叫電流測(cè)量線圈、微分電流傳感器，是一個(gè)將導(dǎo)線均勻纏繞在非鐵磁性材料骨架上的空心環(huán)形線圈，可直接套在被測(cè)量的導(dǎo)體上。羅氏線圈主要用于測(cè)量交流電流，它測(cè)量范圍寬、精度高；穩(wěn)定可靠，響應(yīng)頻帶寬；體積小、重量輕、安全環(huán)保；同時(shí)具有測(cè)量和繼電保護(hù)功能，易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化。

（1）羅氏線圈的工作原理

羅氏線圈的工作原理是利用導(dǎo)體內(nèi)交流電流的變化而改變周?chē)艌?chǎng)，線圈導(dǎo)線再感應(yīng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再通過(guò)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終還原導(dǎo)體中的電流。

羅氏線圈測(cè)量電流的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。

當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過(guò)羅氏線圈中心時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)將產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)，強(qiáng)度為H，由安培環(huán)路定律得：

由公式（10）可知，電動(dòng)勢(shì)就是電流對(duì)時(shí)間的微分。

當(dāng)檢測(cè)線圈為環(huán)形，其截面為矩形時(shí)，見(jiàn)圖3。

圖3 羅氏線圈結(jié)構(gòu)示意圖

互感系數(shù)M和自感系數(shù)L分別為：

式中：H為線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度；B為線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為真空磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)；E（t）為線圈兩端的感應(yīng)電壓。

（2）積分器的工作原理

由于羅氏線圈感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)很小，為準(zhǔn)確將羅氏線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)輸出還原為測(cè)量的交流電壓，還必須在積分器前面增加一個(gè)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(guān)系，當(dāng)ui為恒定直流電壓時(shí)，輸出電壓隨時(shí)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(shí)際中應(yīng)用的主要障礙。根據(jù)分析干擾磁場(chǎng)對(duì)羅氏線圈的影響，在線圈制造時(shí)采取相應(yīng)的抗干擾措施，就能滿足羅氏線圈的檢測(cè)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(chǎn)生的磁場(chǎng)與平行干擾磁場(chǎng)的耦合。

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

c.對(duì)羅氏線圈以及傳感器電子部分均進(jìn)行電磁屏蔽。

d.對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊，由一次母線經(jīng)鐵芯線圈直接耦合，并且經(jīng)濾波穩(wěn)壓后提供給模擬信號(hào)采控部分。

1.3 霍爾元件與羅氏線圈的性能比較

根據(jù)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(chǎn)中的運(yùn)用

引入低壓補(bǔ)償技術(shù)的電石爐冶煉，電極電流的數(shù)值由于電石爐的容量及補(bǔ)償容量的增大將越來(lái)越大，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握電極電流對(duì)于電石爐的操作更為重要。運(yùn)用大電流傳感器直接檢測(cè)電極電流，將實(shí)時(shí)、直接地反映電石生產(chǎn)的各種電氣參數(shù)，使生產(chǎn)人員及時(shí)掌握電石爐內(nèi)生產(chǎn)情況，正確指導(dǎo)生產(chǎn)。

2.1 大電流檢測(cè)裝置

在電石生產(chǎn)中使用的大電流檢測(cè)設(shè)備是大電流檢測(cè)裝置，由大電流傳感器和電流變送箱兩個(gè)部分組成，其檢測(cè)回路如圖5所示。

圖5 大電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)回路示意圖

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

這種測(cè)量裝置的電流測(cè)量范圍能達(dá)1 000～20 000 A，測(cè)量精度±0.2%，過(guò)載能力150%，交流頻響達(dá)0～20 kHz，響應(yīng)時(shí)間＜10 μs，溫度漂移＜0.05%/℃，輸出信號(hào)為5 V.DC或4～20 mA.DC，完全滿足大容量電石爐補(bǔ)償后大電流直接測(cè)量的范圍、精度及過(guò)載能力。由于霍爾元件或羅氏線圈的測(cè)量都是利用磁場(chǎng)感應(yīng)的原理，為減少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)測(cè)量值的影響，其內(nèi)部磁路均有采用特殊的磁路屏蔽技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度、高線性度；并且其結(jié)構(gòu)形式采用開(kāi)口式，分上下兩部分，安裝方便，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)短網(wǎng)系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)，不拆卸短網(wǎng)系統(tǒng)，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(hào)接收、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)囊粋€(gè)信號(hào)顯示箱，其中分電流智能表的數(shù)量根據(jù)短網(wǎng)銅管的根數(shù)確定。

電流變送箱中的電流智能表均可根據(jù)電流實(shí)際運(yùn)行大小配置測(cè)量范圍，其輸入信號(hào)為5 V.DC或4～20 mA.DC，輸出信號(hào)為4～20 mA.DC模擬信號(hào)或RS485接口、Modbus通訊信號(hào)，測(cè)量精度0.5級(jí)。通過(guò)電流傳感器檢測(cè)的電流信號(hào)，利用信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊后接入分電流智能表，經(jīng)電流智能表的信號(hào)轉(zhuǎn)換及邏輯計(jì)算后，顯示單支銅管電流，并通過(guò)控制線直接接入總電流智能表，再經(jīng)總電流智能表累計(jì)計(jì)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(guò)控制線或通訊線，采用4～20 mA.DC模擬信號(hào)或RS485接口、Modbus通訊信號(hào)傳輸至自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反應(yīng)電石生產(chǎn)中的各種電流運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過(guò)在自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)邏輯計(jì)算還可顯示其他操作數(shù)據(jù)，達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行的目的。

2.2 大電流檢測(cè)裝置的運(yùn)用

安裝在短網(wǎng)補(bǔ)償后端的大電流檢測(cè)裝置，其實(shí)時(shí)反應(yīng)的電流是經(jīng)過(guò)低壓補(bǔ)償后的電極電流，經(jīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示，可以直接反映電石爐三根電極實(shí)時(shí)運(yùn)行電流的大小。

根據(jù)電極直徑計(jì)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(lián)系，即在一定合理的電流密度時(shí)，電極直徑的大小直接決定通過(guò)電極電流的大小，如果電極電流超過(guò)一定數(shù)值，電極將出現(xiàn)事故，存在電極軟斷或硬斷等不安全因素，此時(shí)操作人員就必須作出提升電極、降低負(fù)荷等相應(yīng)的操作。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映電極電流的大小，可以正確指導(dǎo)操作人員進(jìn)行電極升降的操作、電石爐變壓器檔位的調(diào)整、電石爐輸入容量的控制，避免電極、電爐事故的發(fā)生，及時(shí)掌握電石爐爐況的異常變化。

基于二次側(cè)檢測(cè)電流數(shù)據(jù)通過(guò)電氣理論的分析，還可以進(jìn)行電氣參數(shù)的延伸，推導(dǎo)出電極阻抗、電極電阻、電極功率等其他技術(shù)參數(shù)，并經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合其他檢測(cè)數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)反映爐內(nèi)三相電極的輸入功率及不平衡度、每相電極對(duì)爐底的阻抗大小、每相電極的估計(jì)位置、熔池的大小等其他電石爐的爐內(nèi)情況，指導(dǎo)操作人員及時(shí)調(diào)整爐內(nèi)的輸入容量、無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐肚屑拜斎肴萘俊⑷姌O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(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到爐內(nèi)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

大電流傳感器的實(shí)測(cè)電流不僅可以反映電石爐的生產(chǎn)情況，還可以反映電極側(cè)導(dǎo)電元件的運(yùn)行情況。每根銅管的電流檢測(cè)數(shù)據(jù)可以反映短網(wǎng)系統(tǒng)中每根銅管、水冷電纜、電極側(cè)銅管及各段連接件處等實(shí)際運(yùn)行時(shí)的單個(gè)回路阻抗情況，如單個(gè)回路電流異常偏低，則說(shuō)明單個(gè)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(shù)人員就可以根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)與正常檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，根據(jù)差異性，及時(shí)分析單個(gè)回路的運(yùn)行情況，判斷有無(wú)異常，避免或降低電氣線路事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

在電石生產(chǎn)中，生產(chǎn)運(yùn)行的平穩(wěn)、操作控制的精準(zhǔn)越來(lái)越重要，不能精確檢測(cè)和實(shí)時(shí)反饋?zhàn)詣?dòng)化系統(tǒng)的電極電流檢測(cè)技術(shù)將被淘汰。運(yùn)用大電流檢測(cè)技術(shù)的大電流檢測(cè)裝置是具有大電流精密計(jì)量的一種檢測(cè)裝置，它將廣泛應(yīng)用于電石生產(chǎn)中，對(duì)電石生產(chǎn)的過(guò)程優(yōu)化和自動(dòng)控制研究發(fā)揮重要的作用。