李 揚(yáng)

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

1 引言

鋁電解系列是由數(shù)百臺(tái)電解槽串聯(lián)組成的，幾十臺(tái)電解槽串聯(lián)形成一個(gè)工區(qū)。電解車間母線系統(tǒng)根據(jù)安裝位置不同分為車間母線和槽周圍母線。工區(qū)內(nèi)的各電解槽由槽周圍母線系統(tǒng)進(jìn)行連接，工區(qū)之間通過車間母線的連接形成一個(gè)生產(chǎn)系列。

正常情況下，當(dāng)系列中某臺(tái)電解槽發(fā)生漏爐時(shí)，可通過槽周圍母線系統(tǒng)中自帶的短路母線將漏爐電解槽短接掉，從而保證系列電解槽正常生產(chǎn)。但當(dāng)電解槽發(fā)生事故、立柱母線短路口發(fā)生故障時(shí)，母線系統(tǒng)自帶的短路母線系統(tǒng)已無法正常使用，此時(shí)，需在事故電解槽上架設(shè)應(yīng)急短路母線，從而將事故電解槽短接掉。

近幾年來，因現(xiàn)場人員誤操作或管理不當(dāng)引起的電解槽事故頻發(fā)。2021年11月份，云南某鋁廠500kA鋁電解系列，因電解槽漏爐、短路口爆炸，造成全系列33萬噸電解鋁產(chǎn)能停產(chǎn)，雖經(jīng)數(shù)天搶險(xiǎn)和處理后系列開始帶電復(fù)產(chǎn)，但造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響是巨大的。因此，應(yīng)急母線系統(tǒng)的研發(fā)，可在電解槽事故中及時(shí)將事故槽短接掉，縮小事故影響范圍，降低因事故對(duì)企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

母線系統(tǒng)事故的危險(xiǎn)點(diǎn)主要集中在槽周繞行母線及陰極軟帶熔斷和立柱母線短路口爆炸兩種情況。尤其是后者，在各種事故中幾率最大，占比最高，因此，電解鋁廠需制作與母線系統(tǒng)配套的應(yīng)急短路母線。

2 應(yīng)急短路母線的設(shè)計(jì)

當(dāng)上述兩種事故發(fā)生時(shí)，原母線系統(tǒng)的短路母線已無法承擔(dān)短路作業(yè)，需在事故槽及周圍槽架設(shè)應(yīng)急短路母線。鋁電解槽事故類型是多樣的，事故影響的范圍也不確定。因此，如何設(shè)計(jì)一套全面、系統(tǒng)且靈活的應(yīng)急短路母線系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。根據(jù)事故類型及影響范圍的不同，所適合的應(yīng)急短路母線也不同，有時(shí)甚至需要多種應(yīng)急短路母線配合使用。根據(jù)連接位置的不同，應(yīng)急短路母線可以分為以下幾種類型。

2.1 中間槽“跨槽”應(yīng)急短路母線

當(dāng)事故槽所在位置為中間槽，立柱短路口破損嚴(yán)重，立柱母線主體結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重時(shí)，需選用中間槽“跨槽”應(yīng)急短路母線裝置。將本裝置架設(shè)在事故槽上游槽及下游槽的陽極大母線之間，從而將事故槽完全短接掉。裝置兩端均采用壓接方式安裝。圖1為某600kA鋁電解槽中間槽“跨槽”應(yīng)急短路母線示意圖。

圖1 中間槽“跨槽”應(yīng)急短路母線示意圖

2.2 中間槽“單槽”應(yīng)急短路母線

當(dāng)事故槽所在位置為中間槽，立柱短路口破損，但立柱母線主體結(jié)構(gòu)完整時(shí)，可選用結(jié)構(gòu)較為簡單的中間槽“單槽”應(yīng)急母線裝置對(duì)事故系列進(jìn)行搶救。

將本裝置架設(shè)在事故槽出電側(cè)（B側(cè)）陽極大母線與下游槽對(duì)應(yīng)立柱母線之間，事故的上、下游槽仍可正常運(yùn)行。圖2為某600kA鋁電解槽中間槽“單槽”應(yīng)急短路母線示意圖。

圖2 中間槽“單槽”應(yīng)急短路母線示意圖

2.3 端頭槽應(yīng)急短路母線

當(dāng)事故槽所在位置為端頭槽，立柱短路口破損嚴(yán)重，短路口已不能正常運(yùn)行時(shí)，需選用端頭槽應(yīng)急母線裝置。本裝置根據(jù)安裝位置的不同，分為進(jìn)電端端頭槽應(yīng)急母線裝置和出電端端頭槽應(yīng)急母線裝置。

通過本裝置的安裝，對(duì)因端頭槽母線破損引起的系列事故進(jìn)行搶救。本裝置需安裝在事故槽陽極大母線與上、下游車間母線立柱之間。圖3～4為某600kA鋁電解槽端頭槽應(yīng)急短路母線示意圖。

圖3 進(jìn)電端端頭槽應(yīng)急短路母線示意圖

圖4 出電端端頭槽應(yīng)急短路母線示意圖

3 應(yīng)急短路母線的應(yīng)用

鋁電解生產(chǎn)過程中可能發(fā)生突發(fā)母線系統(tǒng)事故的類型是多種多樣的，雖無法預(yù)判，但通過將上述三種應(yīng)急短路母線配合使用，基本可以滿足常見母線系統(tǒng)事故的應(yīng)急處理要求。

3.1 槽周繞行母線中非短路母線破損時(shí)

鋁電解槽槽周圍母線系統(tǒng)中，都配有短路母線系統(tǒng)，鋁電解槽正常停槽時(shí)，流經(jīng)立柱的電流，通過立柱母線短路口聯(lián)通至各個(gè)支路的短路母線后，再匯入下游槽的立柱母線上。

因此，當(dāng)槽周繞行母線中非短路母線破損，且立柱母線短路口完好時(shí)，可利用槽周圍母線自帶的短路母線系統(tǒng)進(jìn)行正常短路，停槽后修復(fù)損壞母線即可。此時(shí)，不需要使用應(yīng)急短路母線。

3.2 槽周繞行母線中短路母線破損時(shí)

當(dāng)槽周繞行母線中的短路母線破損時(shí)，立柱短路口流經(jīng)的電流已無法通過繞行母線通往下游槽立柱，此時(shí)，可利用單槽應(yīng)急短路母線進(jìn)行短接，停槽后修復(fù)損壞母線。

電流從上游槽流經(jīng)事故槽立柱母線后，無法從立柱短路口進(jìn)行短接。通過在事故槽陽極大母線與下游槽立柱母線之間架設(shè)單槽應(yīng)急母線裝置，將事故電解槽立柱上的電流直接導(dǎo)入至下游槽立柱中。此時(shí)事故電解槽的上、下游電解槽仍可正常通電。

可正常通電的電解槽能否生產(chǎn)還取決于其他方面的情況，如磁場分布狀況、周圍環(huán)境等，如不能生產(chǎn)則需使用該槽立柱母線短路口進(jìn)行短路停槽。

3.3 立柱母線短路口破損時(shí)

當(dāng)立柱母線短路口破損時(shí)，可利用跨槽應(yīng)急短路母線和單槽應(yīng)急短路母線聯(lián)合使用進(jìn)行短接。當(dāng)事故造成的影響較小，僅單臺(tái)槽立柱短路口破損，立柱母線本體較為完好時(shí)，可利用單槽應(yīng)急短路母線將單臺(tái)事故槽短接，其上下游槽均可正常通電；當(dāng)事故造成的影響較大，立柱母線本體也存在破損時(shí)，可利用跨槽應(yīng)急短路母線進(jìn)行跨槽短接；當(dāng)事故造成的影響波及多臺(tái)電解槽時(shí)，可根據(jù)立柱的破損情況，選擇多組跨槽應(yīng)急短路母線和單槽應(yīng)急短路母線聯(lián)合使用進(jìn)行短接。

3.4 事故槽為進(jìn)電端端頭槽時(shí)

當(dāng)事故槽為進(jìn)電端端頭槽時(shí)，可利用進(jìn)電端端頭槽應(yīng)急短路母線和單槽應(yīng)急短路母線聯(lián)合使用進(jìn)行短接。當(dāng)事故造成的影響較小，僅進(jìn)電端端頭槽立柱短路口破損，立柱母線本體較為完好時(shí)，可利用單槽應(yīng)急短路母線將單臺(tái)事故槽短接，其上下游槽均可正常通電；當(dāng)事故造成的影響較大，立柱母線本體也存在破損時(shí)，可利用端頭槽應(yīng)急短路母線進(jìn)行短接；當(dāng)事故造成的影響波及多臺(tái)電解槽時(shí)，可根據(jù)立柱的破損情況，選擇多組單槽應(yīng)急短路母線和單組端頭槽應(yīng)急短路母線聯(lián)合使用進(jìn)行短接。

電流通過進(jìn)電端端頭槽應(yīng)急短路母線從上游的車間母線直接導(dǎo)入事故槽的陽極母線，然后通過單槽應(yīng)急短路母線將電流導(dǎo)入下游槽立柱母線。

3.5 事故槽為出電端端頭槽時(shí)

當(dāng)事故槽為出電端端頭槽時(shí)，可利用出電端端頭槽應(yīng)急短路母線和跨槽應(yīng)急短路母線聯(lián)合使用進(jìn)行短接。

當(dāng)事故造成的影響較小，事故槽的立柱本體無破損時(shí)，電流通過事故槽立柱后，無法通過短路母線進(jìn)行短接，電流從陽極母線流向B側(cè)，經(jīng)出電端端頭槽應(yīng)急短路母線，將電流送至下游車間母線上，從而將事故槽短接。短接后的事故槽，可正常修復(fù)受損母線。

當(dāng)事故造成的影響較大，事故槽的立柱本體受損時(shí)，需在事故槽與上游槽上架設(shè)跨槽應(yīng)急短路母線，再配合出電端端頭槽應(yīng)急短路母線將電流送至下游車間母線上，此時(shí)，事故槽及上游槽均需停槽。

4 應(yīng)急短路母線配套裝置

應(yīng)急短路母線在安裝及拆卸過程中，需考慮其吊運(yùn)、壓接、支撐、調(diào)節(jié)及絕緣等配套裝置的設(shè)置。

4.1 吊運(yùn)

現(xiàn)場需設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)小車，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，第一時(shí)間將合適的應(yīng)急短路母線運(yùn)送至事故槽附近；同時(shí)，所在工區(qū)的天車需配合完成應(yīng)急短路母線的吊運(yùn)。

4.2 壓接

應(yīng)急短路母線兩側(cè)壓接口需進(jìn)行研磨，粗糙度Ra≤3.2μm。通常兩側(cè)均選用方管梁和雙頭螺栓進(jìn)行壓接。

4.3 支撐及調(diào)節(jié)

應(yīng)急短路母線裝置中需設(shè)置配套的支撐及調(diào)節(jié)裝置，因應(yīng)急短路母線中，通常會(huì)設(shè)置兩處鋁軟帶用于調(diào)整裝置長度配合安裝空間，因此，支撐裝置可將鋁母線、鋁板及鋁軟帶固定形成一個(gè)整體裝置，從而方便現(xiàn)場吊運(yùn)安裝。該裝置需滿足固定、支撐及調(diào)節(jié)三項(xiàng)功能，同時(shí)可將吊耳設(shè)置在該裝置上。該裝置兩側(cè)設(shè)置了弧形調(diào)節(jié)孔，可適當(dāng)調(diào)節(jié)支撐裝置行程，裝置上設(shè)置一處調(diào)節(jié)手輪，手輪與壓接裝置配合將應(yīng)急短路母線與上下游槽壓接面壓緊。圖5為支撐調(diào)節(jié)裝置示意圖。

圖5 支撐調(diào)節(jié)裝置示意圖

4.4 絕緣防護(hù)

應(yīng)急短路母線通常架設(shè)在電解槽上方，為了確保安全，在應(yīng)急短路母線下方設(shè)置絕緣防護(hù)罩，并放置警示牌，提醒人員無特殊情況不可在應(yīng)急短路母線下方行走。圖6為絕緣防護(hù)罩示意圖。

圖6 絕緣防護(hù)罩示意圖

5 結(jié)束語

近幾年來，因槽周母線損壞引起的電解鋁廠事故時(shí)有發(fā)生，電解槽漏槽并發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致全系列緊急停產(chǎn)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營造成嚴(yán)重影響。

應(yīng)急短路母線是一項(xiàng)可以挽救因事故造成母線損壞、造成電解系列癱瘓的有效措施。預(yù)先準(zhǔn)備好各種類型的應(yīng)急短路母線可有效減少由于事故所帶來的損失，同時(shí)，企業(yè)應(yīng)制定安全生產(chǎn)事故應(yīng)急預(yù)案，提高員工日常的安全防范意識(shí)，加強(qiáng)巡檢及各崗位間的溝通，避免因誤操作引起的電解槽生產(chǎn)安全事故。