彭周煒,周力行

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

鋁電解槽的電氣絕緣主要由母線絕緣、陽(yáng)極絕緣、陰極絕緣、濃相輸送管及打殼下料裝置絕緣和短路口絕緣等組成,其中短路口絕緣在日常生產(chǎn)管理中最為復(fù)雜,對(duì)鋁電解的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用[1]。由于高溫多粉塵的特殊工作環(huán)境,鋁電解槽短路口絕緣逐漸劣化,易引起短路放電現(xiàn)象,即放炮故障[2]。放炮現(xiàn)象分為由效應(yīng)電壓引發(fā)的低壓放炮故障和由系列電壓引發(fā)的高壓放炮故障。低壓放炮故障一般不會(huì)對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重影響,但高壓放炮故障一旦發(fā)生,即會(huì)導(dǎo)致電解槽系列無(wú)法正常送電,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)短路口爆炸,影響企業(yè)安全生產(chǎn)。近幾年,鋁電解槽短路口爆炸事故頻發(fā),造成的損失無(wú)法估量。因此,有必要對(duì)電解槽短路口的絕緣狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的監(jiān)測(cè)。

目前對(duì)于電解槽短路口的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè),有學(xué)者提出對(duì)鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況,如焙燒過(guò)程嚴(yán)重偏流、漏爐和作業(yè)過(guò)程極距偏高等,進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別,實(shí)現(xiàn)短路口爆炸風(fēng)險(xiǎn)的提前判別和預(yù)警[3],還有學(xué)者提出在短路口處裝配電壓報(bào)警器,對(duì)于高于目標(biāo)電壓的槽進(jìn)行識(shí)別并報(bào)警[4],以上方法僅能對(duì)電解槽的異常進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,不能有效反映短路口的絕緣狀態(tài)。

在工業(yè)生產(chǎn)中,多數(shù)企業(yè)通過(guò)提高短路口絕緣水平、定時(shí)停槽更換絕緣和增加應(yīng)急裝置[5]等方法預(yù)防或降低短路口的絕緣故障,對(duì)于電解槽短路口絕緣狀態(tài)的診斷和預(yù)警尚無(wú)一個(gè)成熟的方法。通常,短路口絕緣劣化有金屬粉塵積聚和絕緣板老化等情況,是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,當(dāng)絕緣劣化到一定程度時(shí),短路口絕緣在效應(yīng)電壓作用下才可能會(huì)被擊穿。因此,在短路口絕緣劣化臨界狀態(tài)前檢測(cè)出絕緣缺陷,可完全預(yù)防放炮故障發(fā)生。文中基于此原理提出了一種基于局放脈沖檢測(cè)的短路口絕緣故障診斷與預(yù)警方法,該方法通過(guò)檢測(cè)發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的電解槽的短路口電壓信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析后,識(shí)別出絕緣具有劣化的短路口,對(duì)短路口絕緣狀態(tài)起到有效預(yù)警作用。

1 短路口絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

鋁電解槽系列為直流供電系統(tǒng),在系列電流為350 kA的電解廠中,每個(gè)電解槽均有六個(gè)短路口,且短路口間隙很短,僅有數(shù)毫米,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁電解槽短路口結(jié)構(gòu)示意圖

由于電流等級(jí)很高,槽與槽之間一般為多列母線連接的形式,以保障電流的穩(wěn)定傳輸。當(dāng)鋁電解槽系列在正常運(yùn)行時(shí),各短路口通過(guò)絕緣板隔開(kāi),短路口兩端電壓即為槽電壓。但短路口還需通過(guò)絕緣螺桿與螺栓固定,為了操作的方便,短路口絕緣板留有兩個(gè)橫向豁口,導(dǎo)致金屬粉塵等雜質(zhì)容易進(jìn)入[6],短路口絕緣發(fā)生劣化。

正常情況下,短路口電壓為4 V左右,當(dāng)電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí),短路口電壓會(huì)急劇上升至正常電壓的5倍～10倍,在該電壓的作用下,絕緣劣化的短路口間隙中金屬粉塵積聚處的局部場(chǎng)強(qiáng)較大,空氣首先電離,產(chǎn)生局部放電。該情況下產(chǎn)生的放電脈沖一般幅值較低,對(duì)系列幾乎無(wú)影響。當(dāng)短路口間隙中積聚的金屬粉塵數(shù)量更多時(shí),即絕緣劣化更為嚴(yán)重時(shí),電極間的間距進(jìn)一步縮小,幾乎達(dá)到橋接,此時(shí)局部放電現(xiàn)象會(huì)由于場(chǎng)強(qiáng)的增加更易發(fā)展為沿面閃絡(luò)現(xiàn)象,短路口間隙處于被擊穿的臨界點(diǎn),極易發(fā)生低壓放炮故障。當(dāng)電解槽系列內(nèi)部發(fā)生斷路時(shí),部分槽電壓可能升至系列電壓,可達(dá)上千伏,絕緣嚴(yán)重劣化的短路口將發(fā)生高壓放炮故障,易引發(fā)短路口爆炸事故。此外,金屬粉塵粒子由于各項(xiàng)靜電力的改變不斷運(yùn)動(dòng)[7],電場(chǎng)畸變程度較其他類型粉塵更為嚴(yán)重,導(dǎo)致短路口發(fā)生局部放電和沿面閃絡(luò)的電壓更低,進(jìn)一步加劇短路口絕緣劣化程度?；诖饲闆r,文中提出一種鋁電解槽短路口絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法,通過(guò)檢測(cè)效應(yīng)槽各個(gè)短路口的電壓信號(hào),計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差后判斷短路口發(fā)生局部放電的時(shí)刻,利用小波閾值去噪的方法濾去噪聲后,分析電壓波形中的脈沖信號(hào),統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖次數(shù)和最大脈沖峰-峰值,綜合判斷短路口的絕緣狀態(tài)。

在現(xiàn)場(chǎng)工況下,電解廠房處于強(qiáng)磁場(chǎng)、多粉塵和高溫等復(fù)雜環(huán)境,電解槽的陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)常發(fā)生,每次持續(xù)5～8 min,其中效應(yīng)電壓較為穩(wěn)定的時(shí)間為2～3 min,這段時(shí)間為電壓穩(wěn)定期,槽電壓基本保持不變,但由于槽內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)不穩(wěn)定,電壓信號(hào)中會(huì)存在一定的脈沖干擾和噪聲,噪聲幅值不超過(guò)500 mV。圖2為某電解鋁廠4009#槽陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)電壓穩(wěn)定期內(nèi)(1 min)的電壓波形圖。由圖可知,槽電壓在電壓穩(wěn)定期內(nèi)出現(xiàn)了脈沖,且噪聲干擾嚴(yán)重。

圖2 4009#槽陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)電壓穩(wěn)定期內(nèi)電壓波形

圖2中電解槽本身產(chǎn)生的脈沖并非短路口局部放電產(chǎn)生的脈沖,該脈沖在所有短路口的電壓信號(hào)中均能檢測(cè)到,因此需將此類干擾脈沖排除。文中根據(jù)采集到的各短路口電壓信號(hào)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差σx及所有信號(hào)中產(chǎn)生的最大噪聲幅值Unmax,并繪制短路口電壓標(biāo)準(zhǔn)差波形,當(dāng)σx≥|1.5Unmax|時(shí),記錄該時(shí)刻為異常時(shí)刻,其余時(shí)刻短路口電壓信號(hào)檢測(cè)到的脈沖視為電解槽產(chǎn)生的干擾脈沖,因此,僅需統(tǒng)計(jì)各短路口在異常時(shí)刻產(chǎn)生的脈沖次數(shù)。

目前,小波閾值去噪法已被廣泛應(yīng)用于局部放電信號(hào)的去噪中,并取得了較好的效果。在該方法中,選擇合適的閾值、閾值處理方式、分解層數(shù)和小波基對(duì)于去噪效果具有至關(guān)重要的影響[8]。對(duì)于槽電壓的去噪,文中選擇通用閾值λ作為去噪閾值。

(1)

式中:σ為噪聲信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差,Nj為信號(hào)小波分解j層的小波細(xì)節(jié)系數(shù)的長(zhǎng)度。

閾值處理方式分為硬閾值法和軟閾值法,文中選擇軟閾值法以獲得更平滑的去噪信號(hào)[9]。根據(jù)槽電壓的噪聲性質(zhì),文中選擇小波函數(shù)為對(duì)稱性較好的sym4,小波分解層數(shù)為7層,利用MATLAB中的wden閾值去噪函數(shù),最終得到的去噪電壓波形如圖3。由圖可知,通過(guò)小波閾值去噪法得到的槽電壓波形已濾去了絕大部分的噪聲。

圖3 4009#槽陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)電壓穩(wěn)定期內(nèi)電壓去噪波形

當(dāng)電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí),絕緣良好的短路口不會(huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象,不會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖,槽內(nèi)產(chǎn)生的干擾脈沖已被濾去,因此不會(huì)檢測(cè)到任何脈沖信號(hào)。對(duì)于絕緣有一定程度劣化的短路口,在一定的時(shí)間內(nèi),產(chǎn)生的脈沖次數(shù)N和最大脈沖峰-峰值Upmax與短路口的絕緣劣化程度成正比。

因此,對(duì)各短路口波形進(jìn)行去噪后,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況,關(guān)于短路口在電壓穩(wěn)定期內(nèi)(取1 min)的脈沖次數(shù)N和最大脈沖峰-峰值Upmax提出相應(yīng)判據(jù),以評(píng)估短路口的絕緣狀態(tài),判斷流程圖如圖4。

圖4 短路口絕緣狀態(tài)判斷流程圖

實(shí)際上,在短路口局部放電的過(guò)程中,會(huì)連續(xù)產(chǎn)生多個(gè)電壓脈沖,該過(guò)程為一個(gè)完整的放電過(guò)程,由于其時(shí)間間隔很短(通常為μs級(jí)),在采集的波形圖像中僅能觀察到一個(gè)脈沖,因此在統(tǒng)計(jì)中將這整個(gè)過(guò)程視為產(chǎn)生了一次脈沖。將上述判據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)工況相結(jié)合,當(dāng)短路口絕緣良好時(shí),無(wú)需進(jìn)行任何操作;當(dāng)短路口絕緣出現(xiàn)輕度劣化時(shí),僅需對(duì)短路口進(jìn)行簡(jiǎn)單的人工除塵操作;當(dāng)短路口絕緣劣化程度較高時(shí),則需利用風(fēng)源對(duì)該短路口進(jìn)行完全除塵并更換絕緣板。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)短路口模型,使用間距為10 mm的兩塊鋁板作為電極,鋁板中間開(kāi)孔后插入絕緣螺桿并固定,在其中一個(gè)模型中的絕緣螺桿上撒入大量鈣粉(記為模型A),使粉塵基本覆蓋螺桿表面,模擬短路口絕緣劣化程度較高的情況;另一模型中的絕緣螺桿上撒入適量鈣粉(記為模型B),使粉塵附著螺桿的一部分,模擬短路口絕緣輕度劣化的情況;其余四個(gè)模型中的絕緣螺桿上撒入少量鈣粉(記為模型C、D、E、F),僅有極少量粉塵附著在螺桿上,模擬短路口絕緣良好的情況。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示,分別將各模型與R2=50 Ω的電阻并聯(lián),再將R1=50 Ω的電阻串聯(lián)至電路中,起到分壓和防止短路的作用。將用于輸出直流電壓的電壓源和用于輸出脈沖和噪聲信號(hào)的電壓源串聯(lián)至電路中,用于采集電壓信號(hào)的示波器并聯(lián)至模型兩端。最后注入60 V的直流電壓信號(hào)并施加標(biāo)準(zhǔn)差為320 mV的隨機(jī)噪聲信號(hào),分別在12、30和48 s施加峰-峰值為4 V,脈寬為20 ms的脈沖信號(hào),模型兩端電壓模擬電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)電壓,記錄示波器采集的各模型電壓波形并分析。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

各模型的電壓信號(hào)波形如圖6所示,干擾脈沖和可能存在的放電脈沖均能檢測(cè)到,最大噪聲幅值Unmax為0.5 V。對(duì)波形數(shù)據(jù)求得標(biāo)準(zhǔn)差,繪制出的電壓標(biāo)準(zhǔn)差波形如圖7。

圖6 模型A～F的電壓波形

圖7電壓標(biāo)準(zhǔn)差波形

如圖7所示,其中有7個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)差σx≥|1.5Unmax|=0.75 V,記錄其為異常時(shí)刻。對(duì)各模型電壓信號(hào)進(jìn)行小波去噪后,統(tǒng)計(jì)各模型在這些時(shí)刻出現(xiàn)的脈沖次數(shù)N和最大脈沖峰-峰值Upmax。

模型C、D、E、F的電壓信號(hào)經(jīng)小波閾值去噪后得到的波形如圖8。

圖8 模型C、D、E、F的平均電壓去噪波形

由圖8可知,在異常時(shí)刻下模型C、D、E、F產(chǎn)生的脈沖次數(shù)N=0,根據(jù)判據(jù)可得,該類模型模擬的短路口絕緣狀態(tài)良好,與預(yù)設(shè)條件相符合。

模型B的電壓信號(hào)經(jīng)小波閾值去噪后得到的波形如圖9。

圖9 模型B的電壓去噪波形

由圖9可知,在異常時(shí)刻下模型B產(chǎn)生的脈沖次數(shù)N=2,最大脈沖峰-峰值Upmax=2.67 V,滿足0

模型A的電壓信號(hào)經(jīng)小波閾值去噪后得到的波形如圖10。

圖10 模型A的電壓去噪波形

由圖10可知,在異常時(shí)刻下模型A產(chǎn)生的脈沖次數(shù)N=5,最大脈沖峰-峰值Upmax=5.07 V,滿足N≥4和Upmax≥4 V的判據(jù),因此可以判定模型A模擬的短路口絕緣處于劣化程度較高的狀態(tài),與預(yù)設(shè)條件相符合。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,當(dāng)短路口模型處于不同的絕緣狀態(tài)時(shí),均能滿足相應(yīng)的判據(jù)條件,驗(yàn)證了方法的合理性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

對(duì)于目前鋁電解槽短路口絕緣狀態(tài)難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這一問(wèn)題,文中提出了一種可行的方法,即在電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí),檢測(cè)其各個(gè)短路口的電壓信號(hào),根據(jù)電壓標(biāo)準(zhǔn)差波形得到短路口產(chǎn)生局部放電的時(shí)刻,將信號(hào)去噪后提取放電脈沖數(shù)據(jù),并與提出的判據(jù)進(jìn)行匹配,從而可較為準(zhǔn)確地評(píng)估短路口的絕緣狀態(tài)。該方法可以有效地對(duì)絕緣有劣化的短路口進(jìn)行預(yù)警,為預(yù)防短路口爆炸事故提供了一種可靠的措施。