基于光纤传感的500KA铝电解分布电流测量与应用

基于光纤传感的500KA铝电解分布电流测量与应用

石英超

云南文山铝业有限公司 

摘要：铝电解工业是具有战略意义的国民经济支柱性行业。直流电流强度是电解铝工艺的基础参数，电解槽分布电流的精确测量有利于提高生产效率和尽早发现电解槽隐患，确保安全生产。本文主要阐述一种基于光纤传感的测量设备在500KA电解槽的应用，实现电解槽阳极和阴极分布电流的精准测量。

关键词：光纤传感、500KA、电解电流分布测量

一、项目背景

    铝电解工业是具有战略意义的国民经济支柱性行业。直流电流强度是电解铝工艺的基础参数，电解槽分布电流的精确测量有利于提高生产效率和尽早发现电解槽隐患，确保安全生产。如图1所示，受高温、复杂电磁环境、狭窄安装空间影响，电解铝行业一直无法实现电解槽阳极和阴极分布电流的精准测量。

图1电解槽结构示意图

二、设备特点

手持光纤电流测量仪是一种基于法拉第磁致旋光效应和安培环路定律的大电流测量仪器。手持光纤电流测量仪突破了光学干涉仪光路和数字信号处理系统的集成化封装技术难题，实现测量仪的小型化和轻便化；针对不规则的被测导体和复杂电磁环境，测量仪柔性光缆能够灵活地实现光缆环绕和磁路闭合。手持光纤电流测量仪适用于不同电解槽槽型、不同位置电流的精确测量。

2.1抗电磁干扰能力强

手持光纤电流测量仪基于法拉第磁光效应测量由电流引起的磁场，又由安培环路定理可知，外部干扰磁场在传感光纤环围成的闭合曲线上的积分为零，偏振光的偏转角仅由穿过闭合传感光纤环的电流决定，因此光纤电流传感器具有很强的抗电磁干扰能力。

2.2测量频带宽

手持光纤电流测量仪内部采样速率高于1Msps，可以测量DC～300kHz频率范围内的电流信号（增加传感器带宽会引入高频噪声，请在订购传感器时选择合适的带宽）。

2.3测量动态范围大

手持光纤电流测量仪可测量1A到700kA范围内的电流。

2.4绝缘性能好、体积小、重量轻

手持光纤电流测量仪的传感部分和信号传输部分仅由光纤构成，光纤具有良好的电气绝缘性能。因此光纤电流测量仪在安装使用过程中无需额外绝缘结构，减小了系统的体积和重量。

2.5安装方便、灵活

手持光纤电流测量仪柔性传感环可在不断开一次电流母（导）线的情况下完成安装。柔性传感环便于缠绕在大截面、异形导体外侧，并对流过导体的电流进行测量。

2.6性能可靠、运行稳定

手持光纤电流测量仪采用光路集成封装技术，优良的封装工艺与集成技术是长期稳定性和可靠性的必要保证。

三、应用效果

3.1阴极电流分布测量

由于阴极碳块与捣鼓糊热膨胀系数不一致，随着电解槽的运行，粘接力越来越弱，从而形成破损通道。阴极电流分布曲线形态的变化能描述槽底破损的动态过程，预报破损的发生、发展，及停槽的时机。电解槽的寿命与阴极电流分布密切关联，分布越均匀则槽寿命越长，反之槽寿命越短。

预焙阳极电解槽的寿命是由焙烧启动阶段的焙烧质量决定的，通过对焙烧期间阴极电流分布的观察，可以及时人工调节使电流均衡分布，另外可以检测阴极块组装质量。如图2，A面2、3、9组阴极导电量极差。

图2阴极电流分布

3.2阳极电流分布测量

   使用万用电表测量叉测量电压降为2.3mv左右，与其他电极相比并没有区别。改变测量位置，压差数据有明显变化，表明使用等距压降法无法发现这种变化。现有的阳极电流分布数据的偏差25%以上，可能是电流效率较低的原因之一，使用光纤测量仪对电流进行准确测量，可以精确指导调整极距，均一化电流。

3.3立柱母线电流测量

   监测立柱母线电流分布变化，发现立柱母线电流呈现两端高、中间地的特征，烟道端电流略高于出铝端。经过多次测量及数据对比，发现立柱母线电流分布变化与槽况有关比如换极区域电流较小。

图3立柱母线电流分布

四、结论

4.1延长电解槽使用寿命

通过准确测量电解槽阴极电流值的分布，正常运行时进行测量建立单槽档案，异常时再次测量进行对比，可以协助寻找电解槽阴极破损位置，通过在线修补，延长电解槽寿命。

4.2提高电解槽电流效率

通过准确测量电解槽阳极电流值的分布，找到电流值偏离正常均值的阳极，结合阳极导杆和水平母线的接触情况以及电解槽的工艺参数、炉底情况进行处理，可以快速处理因阳极电流分布不均引起电压波摆，提高电解槽电流效率。

4.3提高电解槽稳定性

通过准确测量电解槽立柱进电电流，可以为铝电解工艺控制提供立柱电流分布理论依据，建立单槽档案，异常时可对电解槽整体电流分布进行局部调整，提高电解槽稳定性。

4.4大电流测量设备原位校准

动力车间的汇流母排、分线母排需要使用大电流测量设备进行长期电流监测，由于设备体积庞大、拆卸困难，无法送到计量机构进行校准，可以使用手持光纤电流测量仪在不影响正常生产的情况下实现原位校准，保证测量精度。