高次諧波對(duì)地電壓的影響及控制

0池窯拉伸的電料道20世紀(jì)60年代，中國(guó)的玻璃工業(yè)起步于玻璃纖維廠(chǎng)的小氣量和低生產(chǎn)能力。當(dāng)時(shí)，由于當(dāng)時(shí)只能使用水電、重油和煤炭，電路成為當(dāng)時(shí)生產(chǎn)玻璃棉和赤爐織物的首選。如:1964～1968年蘇州玻璃廠(chǎng)與玻纖廠(chǎng)的3～6,t/d全電熔玻璃棉窯、1968～1971年杭州玻璃廠(chǎng)0.8～1.5,t/d全電熔中、無(wú)堿池窯、1970～1972年南京玻纖院0.7,t/d全電熔高強(qiáng)池窯,1977年南京、廈門(mén)、秦皇島等多處全電熔組合爐、1993～1994年新泰4.5,t/d全電熔組合爐等池窯拉絲,無(wú)不是采用電料道。其料道結(jié)構(gòu)有一字型的,也有T字形的,電極大多采用有水冷或無(wú)水冷棒狀側(cè)插電極。到了20世紀(jì)80年代,南京玻纖院更是把玻纖工業(yè)電料道與代鉑爐的電熔技術(shù)應(yīng)用到輕工玻璃制造上,開(kāi)發(fā)出輕工玻璃的電料道,有無(wú)水冷側(cè)插棒狀電極、無(wú)水冷附壁式板狀電極,還有無(wú)水冷蘑菇頭的列狀電極和硅碳棒與電極復(fù)合加熱的電料道。該技術(shù)不但在輕工行業(yè)得到大面積應(yīng)用,更為電料道成為定型產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。1989年,自珠海玻纖廠(chǎng)采用燃?xì)饬系酪詠?lái),我國(guó)的池窯拉絲,無(wú)論是無(wú)堿還是中堿,無(wú)論是單元窯、馬蹄窯、電熔窯其工作料道(通路)幾乎都采用燃?xì)狻⒍鄧娮?、小流量、多分區(qū)的加熱方式。但也有個(gè)別的廠(chǎng)家,由于沒(méi)有燃?xì)舛捎秒娡返?如2006年長(zhǎng)風(fēng)玻纖廠(chǎng)0.75,萬(wàn),t/a中堿池窯拉絲,王字型通路采用全電熔加熱。從1970年高強(qiáng)池窯拉絲開(kāi)始,筆者就發(fā)現(xiàn)在多對(duì)側(cè)插棒狀電極三相供電的情況下,如果不考慮電極供電的相位與連接方式,就會(huì)造成料道過(guò)高的對(duì)地電壓,并對(duì)漏板的安全使用構(gòu)成極大的威脅。料道越長(zhǎng),排列越復(fù)雜,玻璃液高溫電阻越大,問(wèn)題就越嚴(yán)重。要想讓電料道能在可以接受的范圍內(nèi)運(yùn)行,就必須研究電料道對(duì)地電壓的生成與控制的規(guī)律。筆者正是藉此考慮,將多年對(duì)此問(wèn)題的研究做一總結(jié),與同仁分享。1局部電壓的產(chǎn)生和危害1.1硅碳棒內(nèi)部分使用高電壓只要是用電設(shè)備都有對(duì)地電壓。例如一臺(tái)電風(fēng)扇,只要金屬外殼不接地,不論電源正反如何接入,外殼都會(huì)有對(duì)地電壓,只是接入方向不同對(duì)地電壓會(huì)不同。所以在玻纖生產(chǎn)中,不論是代鉑爐、電窯、電助熔、電料道都會(huì)有對(duì)地電壓。如果是電助熔采用接地電極,只不過(guò)是改變窯爐不同位置的對(duì)地電壓的分布,而不會(huì)使全窯的對(duì)地電壓都為零。圖1是1966年南京玻纖院一個(gè)代鉑爐當(dāng)硅碳棒通電與否,各部位的對(duì)地電壓。從圖1可以清楚看出,電爐內(nèi)任何一部分使用高電壓,均會(huì)造成各部分對(duì)地電壓都增高。原因是在高溫狀態(tài)下,即便是耐火磚也是導(dǎo)電的。代鉑爐的漏板同樣有對(duì)地電壓,只不過(guò)它不會(huì)像電料道那樣,多區(qū)域諧波電壓疊加,一般不會(huì)對(duì)漏板作業(yè)構(gòu)成威脅。圖2是1971年南京玻纖院高強(qiáng)池窯電料道各電極的對(duì)地電壓。從圖2可以看到,當(dāng)時(shí)由于只考慮供電平衡而未注意到諧波電壓的疊加,使漏板的對(duì)地電壓達(dá)到550,V。在該窯運(yùn)行中,由于電極損壞采用長(zhǎng)區(qū)域供電,致使對(duì)地電壓高達(dá)700,V,嚴(yán)重危及漏板的安全運(yùn)行。圖3是2007年全電熔池窯拉絲熔化部電極的對(duì)地電壓,圖4是2001年E玻璃單元窯電助熔電極對(duì)地電壓。以上兩座窯均有接地電極,主電極并不會(huì)因?yàn)橛辛私拥仉姌O而對(duì)地電壓沒(méi)有了,接地電極只是保護(hù)了漏板,使它們工作在對(duì)地0電壓的狀態(tài)。還有一點(diǎn)需要指出的,電料道的各部對(duì)地電壓不是一成不變的,電極各區(qū)的電壓調(diào)節(jié)、開(kāi)停,窯爐與料道的耐火磚接地狀態(tài),電極冷卻水的水質(zhì),一些臨時(shí)性的接地操作等等,都會(huì)對(duì)全窯的各點(diǎn)接地狀態(tài)造成影響。1.2影響地面電壓的電壓1.2.1漏板對(duì)地電壓的突升對(duì)地電壓對(duì)池窯拉絲來(lái)講首先危及漏板。如:1971年南京玻纖院高強(qiáng)池窯電料道,由于對(duì)地電壓高達(dá)700,V,先后造成2塊漏板對(duì)地打弧而燒壞;1977年該院全電熔組合爐,盡管考慮到諧波對(duì)地電壓的作用,但在實(shí)際運(yùn)行中,由于T字型料道最右側(cè)的漏板與冷卻器相碰接地,造成最左邊的漏板對(duì)地電壓突升,使漏板法蘭邊與冷卻水管打弧、漏水、停爐;2006年某廠(chǎng)電料道投入運(yùn)行時(shí),由于未注意到電料道的諧波電壓的疊加,個(gè)別漏板對(duì)地電壓高達(dá)400～500,V,造成投產(chǎn)初期多塊漏板打弧、損壞、停爐。因?yàn)槁┌逶趯?shí)際安裝中與冷卻水管、冷卻器、托梁都靠得很近,而后者又處于高溫高濕下,如果對(duì)地電阻不足夠大,前者就可能對(duì)后者由于高電壓放電形成電弧,使漏板損壞。1.2.2上被電阻的人身構(gòu)成威脅對(duì)地電壓同樣要對(duì)人身安全構(gòu)成威脅,筆者1972年曾在一座玄武巖窯的鐵煙囪上被電擊,經(jīng)查原來(lái)是窯的電助熔對(duì)地電壓通過(guò)高溫的耐火材料,將電傳到金屬的鐵煙囪,從而對(duì)人身構(gòu)成威脅。正是因?yàn)槿绱?所以電料道、電熔窯或電助熔窯,所有可能與玻璃液或高溫耐火材料接觸的設(shè)備與工具都必須絕緣。2次諧波的量測(cè)玻纖工業(yè)代鉑爐或電料道的電功率調(diào)節(jié),在60年代初期是使用磁飽和電抗器,60年代后期就開(kāi)始研發(fā)與大量使用可控硅作為主功率調(diào)節(jié)器,用到漏板與電熔的電功率調(diào)節(jié)。雖然后者效率高、體積小、調(diào)節(jié)性能好,但由于功率調(diào)節(jié)是采用移相局部正弦波的方式,波型畸變,對(duì)系統(tǒng)與電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的諧波干擾。2005年筆者對(duì)一座1,200孔代鉑爐的電熔部分,用諧波分析儀對(duì)二次電壓在不同輸出下的諧波分量進(jìn)行詳盡的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表1。表1是筆者對(duì)一座特定的代鉑爐實(shí)測(cè)輸出的諧波分量,但在一般使用可控硅作為調(diào)節(jié)器時(shí),大多導(dǎo)通角都在80～120o之間,所以本測(cè)定對(duì)電料道的每一個(gè)區(qū)的諧波分析是有通用性的。通過(guò)電工理論也可以對(duì)非正弦波進(jìn)行諧波分析。當(dāng)導(dǎo)通角β=80o、90o、100o、110o時(shí)主要系數(shù)如表2。表2列出可控硅在不同導(dǎo)通角下基波與三次諧波分量系數(shù),表3列出不同諧波分量的相位差。從這表1、表2可見(jiàn)不論是實(shí)測(cè)還是分析,我們都可以清楚看到,三次諧波的幅值與基波相同,三次諧波的有效值達(dá)50%。更重要的是,不管是哪相的三次諧波其相位差都為0,如果接線(xiàn)不當(dāng)就形成一、三次諧波分量向外疊加,形成過(guò)高的對(duì)地電壓。圖6為南京玻纖院組合爐對(duì)地諧波電壓向量分析圖。通過(guò)圖6b,c的一、三次諧波向量圖可以清晰地看到,如果供電只考慮三相用電平衡,而忽略一、三次諧波的向量向外疊加,就肯定會(huì)使電料道出現(xiàn)高電壓。3地壓監(jiān)測(cè)方法和應(yīng)用3.1合理布置供電電源對(duì)于大型的復(fù)雜的電料道采用三相供電是勿容置疑的,為降低對(duì)地電壓保證人身與設(shè)備安全,必須對(duì)整個(gè)料道供電體系的相功率平衡、每個(gè)區(qū)的供電電壓、體系的每個(gè)區(qū)的相位連接等作一個(gè)綜合設(shè)計(jì),一般可歸納如以下幾方面:(1)在設(shè)計(jì)中盡可能使每個(gè)用電區(qū)電壓差不多相同,避免某個(gè)區(qū)過(guò)高。(2)設(shè)計(jì)電壓盡可能控制在200,V以?xún)?nèi)。(3)在接線(xiàn)時(shí)必須考慮相位,不單要考慮基波,特別要注意三次諧波,因?yàn)樗鼪](méi)有相位差。所以接線(xiàn)最好是AB→BC→CA→AC→CB→BA,把三次諧波相互抵消掉。(4)對(duì)于大型的電料道也可以考慮采用分區(qū)單相供電,如某個(gè)區(qū)采用AB→BA→AB→BA這樣更有利于降低對(duì)地電壓。(5)不論采用何種接線(xiàn)方式,對(duì)于大型的電料道應(yīng)進(jìn)行諧波向量分析設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)在極限狀態(tài)下可能出現(xiàn)的高壓。(6)從供電變壓器起與玻璃液、電極、漏板、冷卻器等任何相關(guān)的部分都要對(duì)地絕緣。(7)對(duì)輔助電熔窯應(yīng)考慮采用接地電極與接地過(guò)電流保護(hù),以保證漏板和人身安全。3.2調(diào)整電極前對(duì)地電壓2006年某玻纖廠(chǎng)的大型電料道在開(kāi)爐時(shí)沒(méi)有注意對(duì)地電壓與供電相位的關(guān)系,產(chǎn)生過(guò)高電壓而損壞漏板,經(jīng)筆者分析并調(diào)整供電接線(xiàn)后,情況大大改觀(guān)。料道電極對(duì)地電壓調(diào)整接線(xiàn)前后對(duì)比如表4所示。表5列出調(diào)整前后對(duì)比:(1)55根電極對(duì)地電壓的平均值,,,,,相當(dāng),調(diào)整前后沒(méi)有大變。(2)調(diào)整前對(duì)地電壓,,,,,,,,,,,,,,,與,,,,,,,,,,,,,,,的電極數(shù)都比調(diào)整后多的多,就是說(shuō)調(diào)整前對(duì)地電壓更加離散,而調(diào)整后更加集中在均值附近。(3)調(diào)整后的最高電壓227,V遠(yuǎn)比前的369,V低的多。3.3對(duì)地均勻干導(dǎo)率的控制電料道對(duì)漏板構(gòu)成威脅是第一位的,這就要求與漏板安裝的相關(guān)元件即冷卻水管、托梁、冷卻器、電偶絲等對(duì)地要有良好的絕緣。為此筆者做下列實(shí)驗(yàn),見(jiàn)表6。從表6可以清楚地看到,對(duì)漏板必須把接地電流控制在10,mA之內(nèi),最好對(duì)地電壓控制在200,V之內(nèi),對(duì)地絕緣電阻控制在100,kΩ以上;從人身安全來(lái)講,要求絕緣電阻在0.5,MΩ以上。4基于安全用電的合理模型(1)只要在玻璃熔體中引入直接電能,對(duì)地電壓就不可避免