彭周煒,周力行

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

鋁電解槽的電氣絕緣主要由母線絕緣、陽極絕緣、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對企業(yè)造成嚴重影響,但高壓放炮故障一旦發(fā)生,即會導(dǎo)致電解槽系列無法正常送電,嚴重時引發(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),造成的損失無法估量。因此,有必要對電解槽短路口的絕緣狀態(tài)進行準確有效的監(jiān)測。

目前對于電解槽短路口的絕緣狀態(tài)監(jiān)測,有學(xué)者提出對鋁電解生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況,如焙燒過程嚴重偏流、漏爐和作業(yè)過程極距偏高等,進行自動識別,實現(xiàn)短路口爆炸風(fēng)險的提前判別和預(yù)警[3],還有學(xué)者提出在短路口處裝配電壓報警器,對于高于目標電壓的槽進行識別并報警[4],以上方法僅能對電解槽的異常進行實時監(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)通過提高短路口絕緣水平、定時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,對于電解槽短路口絕緣狀態(tài)的診斷和預(yù)警尚無一個成熟的方法。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,是一個漸進的過程,當(dāng)絕緣劣化到一定程度時,短路口絕緣在效應(yīng)電壓作用下才可能會被擊穿。因此,在短路口絕緣劣化臨界狀態(tài)前檢測出絕緣缺陷,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的短路口絕緣故障診斷與預(yù)警方法,該方法通過檢測發(fā)生陽極效應(yīng)的電解槽的短路口電壓信號,對信號進行處理分析后,識別出絕緣具有劣化的短路口,對短路口絕緣狀態(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,每個電解槽均有六個短路口,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行時,各短路口通過絕緣板隔開,短路口兩端電壓即為槽電壓。但短路口還需通過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橫向豁口,導(dǎo)致金屬粉塵等雜質(zhì)容易進入[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)生陽極效應(yīng)時,短路口電壓會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強較大,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,對系列幾乎無影響。當(dāng)短路口間隙中積聚的金屬粉塵數(shù)量更多時,即絕緣劣化更為嚴重時,電極間的間距進一步縮小,幾乎達到橋接,此時局部放電現(xiàn)象會由于場強的增加更易發(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,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,部分槽電壓可能升至系列電壓,可達上千伏,絕緣嚴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靜電力的改變不斷運動[7],電場畸變程度較其他類型粉塵更為嚴重,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)測方法,通過檢測效應(yīng)槽各個短路口的電壓信號,計算標準差后判斷短路口發(fā)生局部放電的時刻,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,統(tǒng)計一定時間內(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)場工況下,電解廠房處于強磁場、多粉塵和高溫等復(fù)雜環(huán)境,電解槽的陽極效應(yīng)時常發(fā)生,每次持續(xù)5～8 min,其中效應(yīng)電壓較為穩(wěn)定的時間為2～3 min,這段時間為電壓穩(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,電壓信號中會存在一定的脈沖干擾和噪聲,噪聲幅值不超過500 mV。圖2為某電解鋁廠4009#槽陽極效應(yīng)時電壓穩(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,且噪聲干擾嚴重。

圖2 4009#槽陽極效應(yīng)時電壓穩(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中均能檢測到,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計算標準差σx及所有信號中產(chǎn)生的最大噪聲幅值Unmax,并繪制短路口電壓標準差波形,當(dāng)σx≥|1.5Unmax|時,記錄該時刻為異常時刻,其余時刻短路口電壓信號檢測到的脈沖視為電解槽產(chǎn)生的干擾脈沖,因此,僅需統(tǒng)計各短路口在異常時刻產(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)和小波基對于去噪效果具有至關(guān)重要的影響[8]。對于槽電壓的去噪,文中選擇通用閾值λ作為去噪閾值。

(1)

式中:σ為噪聲信號的標準差,Nj為信號小波分解j層的小波細節(jié)系數(shù)的長度。

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[9]。根據(jù)槽電壓的噪聲性質(zhì),文中選擇小波函數(shù)為對稱性較好的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#槽陽極效應(yīng)時電壓穩(wěn)定期內(nèi)電壓去噪波形

當(dāng)電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時,絕緣良好的短路口不會發(fā)生局部放電現(xiàn)象,不會產(chǎn)生電壓脈沖,槽內(nèi)產(chǎn)生的干擾脈沖已被濾去,因此不會檢測到任何脈沖信號。對于絕緣有一定程度劣化的短路口,在一定的時間內(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,對各短路口波形進行去噪后,結(jié)合現(xiàn)場工況,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

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

2 實驗驗證

2.1 實驗準備

本實驗?zāi)M現(xiàn)場短路口模型,使用間距為10 mm的兩塊鋁板作為電極,鋁板中間開孔后插入絕緣螺桿并固定,在其中一個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。實驗裝置圖如圖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的電壓源串聯(lián)至電路中,用于采集電壓信號的示波器并聯(lián)至模型兩端。最后注入60 V的直流電壓信號并施加標準差為320 mV的隨機噪聲信號,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,模型兩端電壓模擬電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時產(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 實驗裝置圖

2.2 實驗結(jié)果及分析

各模型的電壓信號波形如圖6所示,干擾脈沖和可能存在的放電脈沖均能檢測到,最大噪聲幅值Unmax為0.5 V。對波形數(shù)據(jù)求得標準差,繪制出的電壓標準差波形如圖7。

圖6 模型A～F的電壓波形

圖7電壓標準差波形

如圖7所示,其中有7個時刻的標準差σx≥|1.5Unmax|=0.75 V,記錄其為異常時刻。對各模型電壓信號進行小波去噪后,統(tǒng)計各模型在這些時刻出現(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。

通過實驗結(jié)果可以得出,當(dāng)短路口模型處于不同的絕緣狀態(tài)時,均能滿足相應(yīng)的判據(jù)條件,驗證了方法的合理性和準確性。

3 結(jié) 論

對于目前鋁電解槽短路口絕緣狀態(tài)難以實時監(jiān)測這一問題,文中提出了一種可行的方法,即在電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時,檢測其各個短路口的電壓信號,根據(jù)電壓標準差波形得到短路口產(chǎn)生局部放電的時刻,將信號去噪后提取放電脈沖數(shù)據(jù),并與提出的判據(jù)進行匹配,從而可較為準確地評估短路口的絕緣狀態(tài)。該方法可以有效地對絕緣有劣化的短路口進行預(yù)警,為預(yù)防短路口爆炸事故提供了一種可靠的措施。