彭周炜,周力行

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410000)

铝电解槽的电气绝缘主要由母线绝缘、阳极绝缘、阴极绝缘、浓相输送管及打壳下料装置绝缘和短路口绝缘等组成,其中短路口绝缘在日常生产管理中最为复杂,对铝电解的安全生产起着至关重要的作用[1]。由于高温多粉尘的特殊工作环境,铝电解槽短路口绝缘逐渐劣化,易引起短路放电现象,即放炮故障[2]。放炮现象分为由效应电压引发的低压放炮故障和由系列电压引发的高压放炮故障。低压放炮故障一般不会对企业造成严重影响,但高压放炮故障一旦发生,即会导致电解槽系列无法正常送电,严重时引发短路口爆炸,影响企业安全生产。近几年,铝电解槽短路口爆炸事故频发,造成的损失无法估量。因此,有必要对电解槽短路口的绝缘状态进行准确有效的监测。

目前对于电解槽短路口的绝缘状态监测,有学者提出对铝电解生产过程中出现的异常情况,如焙烧过程严重偏流、漏炉和作业过程极距偏高等,进行自动识别,实现短路口爆炸风险的提前判别和预警[3],还有学者提出在短路口处装配电压报警器,对于高于目标电压的槽进行识别并报警[4],以上方法仅能对电解槽的异常进行实时监控,不能有效反映短路口的绝缘状态。

在工业生产中,多数企业通过提高短路口绝缘水平、定时停槽更换绝缘和增加应急装置[5]等方法预防或降低短路口的绝缘故障,对于电解槽短路口绝缘状态的诊断和预警尚无一个成熟的方法。通常,短路口绝缘劣化有金属粉尘积聚和绝缘板老化等情况,是一个渐进的过程,当绝缘劣化到一定程度时,短路口绝缘在效应电压作用下才可能会被击穿。因此,在短路口绝缘劣化临界状态前检测出绝缘缺陷,可完全预防放炮故障发生。文中基于此原理提出了一种基于局放脉冲检测的短路口绝缘故障诊断与预警方法,该方法通过检测发生阳极效应的电解槽的短路口电压信号,对信号进行处理分析后,识别出绝缘具有劣化的短路口,对短路口绝缘状态起到有效预警作用。

1 短路口绝缘状态监测原理

铝电解槽系列为直流供电系统,在系列电流为350 kA的电解厂中,每个电解槽均有六个短路口,且短路口间隙很短,仅有数毫米,其结构如图1所示。

图1 铝电解槽短路口结构示意图

由于电流等级很高,槽与槽之间一般为多列母线连接的形式,以保障电流的稳定传输。当铝电解槽系列在正常运行时,各短路口通过绝缘板隔开,短路口两端电压即为槽电压。但短路口还需通过绝缘螺杆与螺栓固定,为了操作的方便,短路口绝缘板留有两个横向豁口,导致金属粉尘等杂质容易进入[6],短路口绝缘发生劣化。

正常情况下,短路口电压为4 V左右,当电解槽发生阳极效应时,短路口电压会急剧上升至正常电压的5倍～10倍,在该电压的作用下,绝缘劣化的短路口间隙中金属粉尘积聚处的局部场强较大,空气首先电离,产生局部放电。该情况下产生的放电脉冲一般幅值较低,对系列几乎无影响。当短路口间隙中积聚的金属粉尘数量更多时,即绝缘劣化更为严重时,电极间的间距进一步缩小,几乎达到桥接,此时局部放电现象会由于场强的增加更易发展为沿面闪络现象,短路口间隙处于被击穿的临界点,极易发生低压放炮故障。当电解槽系列内部发生断路时,部分槽电压可能升至系列电压,可达上千伏,绝缘严重劣化的短路口将发生高压放炮故障,易引发短路口爆炸事故。此外,金属粉尘粒子由于各项静电力的改变不断运动[7],电场畸变程度较其他类型粉尘更为严重,导致短路口发生局部放电和沿面闪络的电压更低,进一步加剧短路口绝缘劣化程度。基于此情况,文中提出一种铝电解槽短路口绝缘状态的监测方法,通过检测效应槽各个短路口的电压信号,计算标准差后判断短路口发生局部放电的时刻,利用小波阈值去噪的方法滤去噪声后,分析电压波形中的脉冲信号,统计一定时间内的脉冲次数和最大脉冲峰-峰值,综合判断短路口的绝缘状态。

在现场工况下,电解厂房处于强磁场、多粉尘和高温等复杂环境,电解槽的阳极效应时常发生,每次持续5～8 min,其中效应电压较为稳定的时间为2～3 min,这段时间为电压稳定期,槽电压基本保持不变,但由于槽内的化学反应不稳定,电压信号中会存在一定的脉冲干扰和噪声,噪声幅值不超过500 mV。图2为某电解铝厂4009#槽阳极效应时电压稳定期内(1 min)的电压波形图。由图可知,槽电压在电压稳定期内出现了脉冲,且噪声干扰严重。

图2 4009#槽阳极效应时电压稳定期内电压波形

图2中电解槽本身产生的脉冲并非短路口局部放电产生的脉冲,该脉冲在所有短路口的电压信号中均能检测到,因此需将此类干扰脉冲排除。文中根据采集到的各短路口电压信号计算标准差σx及所有信号中产生的最大噪声幅值Unmax,并绘制短路口电压标准差波形,当σx≥|1.5Unmax|时,记录该时刻为异常时刻,其余时刻短路口电压信号检测到的脉冲视为电解槽产生的干扰脉冲,因此,仅需统计各短路口在异常时刻产生的脉冲次数。

目前,小波阈值去噪法已被广泛应用于局部放电信号的去噪中,并取得了较好的效果。在该方法中,选择合适的阈值、阈值处理方式、分解层数和小波基对于去噪效果具有至关重要的影响[8]。对于槽电压的去噪,文中选择通用阈值λ作为去噪阈值。

(1)

式中:σ为噪声信号的标准差,Nj为信号小波分解j层的小波细节系数的长度。

阈值处理方式分为硬阈值法和软阈值法,文中选择软阈值法以获得更平滑的去噪信号[9]。根据槽电压的噪声性质,文中选择小波函数为对称性较好的sym4,小波分解层数为7层,利用MATLAB中的wden阈值去噪函数,最终得到的去噪电压波形如图3。由图可知,通过小波阈值去噪法得到的槽电压波形已滤去了绝大部分的噪声。

图3 4009#槽阳极效应时电压稳定期内电压去噪波形

当电解槽发生阳极效应时,绝缘良好的短路口不会发生局部放电现象,不会产生电压脉冲,槽内产生的干扰脉冲已被滤去,因此不会检测到任何脉冲信号。对于绝缘有一定程度劣化的短路口,在一定的时间内,产生的脉冲次数N和最大脉冲峰-峰值Upmax与短路口的绝缘劣化程度成正比。

因此,对各短路口波形进行去噪后,结合现场工况,关于短路口在电压稳定期内(取1 min)的脉冲次数N和最大脉冲峰-峰值Upmax提出相应判据,以评估短路口的绝缘状态,判断流程图如图4。

图4 短路口绝缘状态判断流程图

实际上,在短路口局部放电的过程中,会连续产生多个电压脉冲,该过程为一个完整的放电过程,由于其时间间隔很短(通常为μs级),在采集的波形图像中仅能观察到一个脉冲,因此在统计中将这整个过程视为产生了一次脉冲。将上述判据与现场工况相结合,当短路口绝缘良好时,无需进行任何操作;当短路口绝缘出现轻度劣化时,仅需对短路口进行简单的人工除尘操作;当短路口绝缘劣化程度较高时,则需利用风源对该短路口进行完全除尘并更换绝缘板。

2 实验验证

2.1 实验准备

本实验模拟现场短路口模型,使用间距为10 mm的两块铝板作为电极,铝板中间开孔后插入绝缘螺杆并固定,在其中一个模型中的绝缘螺杆上撒入大量钙粉(记为模型A),使粉尘基本覆盖螺杆表面,模拟短路口绝缘劣化程度较高的情况;另一模型中的绝缘螺杆上撒入适量钙粉(记为模型B),使粉尘附着螺杆的一部分,模拟短路口绝缘轻度劣化的情况;其余四个模型中的绝缘螺杆上撒入少量钙粉(记为模型C、D、E、F),仅有极少量粉尘附着在螺杆上,模拟短路口绝缘良好的情况。实验装置图如图5所示,分别将各模型与R2=50 Ω的电阻并联,再将R1=50 Ω的电阻串联至电路中,起到分压和防止短路的作用。将用于输出直流电压的电压源和用于输出脉冲和噪声信号的电压源串联至电路中,用于采集电压信号的示波器并联至模型两端。最后注入60 V的直流电压信号并施加标准差为320 mV的随机噪声信号,分别在12、30和48 s施加峰-峰值为4 V,脉宽为20 ms的脉冲信号,模型两端电压模拟电解槽发生阳极效应时产生的效应电压,记录示波器采集的各模型电压波形并分析。

图5 实验装置图

2.2 实验结果及分析

各模型的电压信号波形如图6所示,干扰脉冲和可能存在的放电脉冲均能检测到,最大噪声幅值Unmax为0.5 V。对波形数据求得标准差,绘制出的电压标准差波形如图7。

图6 模型A～F的电压波形

图7电压标准差波形

如图7所示,其中有7个时刻的标准差σx≥|1.5Unmax|=0.75 V,记录其为异常时刻。对各模型电压信号进行小波去噪后,统计各模型在这些时刻出现的脉冲次数N和最大脉冲峰-峰值Upmax。

模型C、D、E、F的电压信号经小波阈值去噪后得到的波形如图8。

图8 模型C、D、E、F的平均电压去噪波形

由图8可知,在异常时刻下模型C、D、E、F产生的脉冲次数N=0,根据判据可得,该类模型模拟的短路口绝缘状态良好,与预设条件相符合。

模型B的电压信号经小波阈值去噪后得到的波形如图9。

图9 模型B的电压去噪波形

由图9可知,在异常时刻下模型B产生的脉冲次数N=2,最大脉冲峰-峰值Upmax=2.67 V,满足0

模型A的电压信号经小波阈值去噪后得到的波形如图10。

图10 模型A的电压去噪波形

由图10可知,在异常时刻下模型A产生的脉冲次数N=5,最大脉冲峰-峰值Upmax=5.07 V,满足N≥4和Upmax≥4 V的判据,因此可以判定模型A模拟的短路口绝缘处于劣化程度较高的状态,与预设条件相符合。

通过实验结果可以得出,当短路口模型处于不同的绝缘状态时,均能满足相应的判据条件,验证了方法的合理性和准确性。

3 结 论

对于目前铝电解槽短路口绝缘状态难以实时监测这一问题,文中提出了一种可行的方法,即在电解槽发生阳极效应时,检测其各个短路口的电压信号,根据电压标准差波形得到短路口产生局部放电的时刻,将信号去噪后提取放电脉冲数据,并与提出的判据进行匹配,从而可较为准确地评估短路口的绝缘状态。该方法可以有效地对绝缘有劣化的短路口进行预警,为预防短路口爆炸事故提供了一种可靠的措施。