1 引言

近年來(lái)，我國(guó)電解鋁工業(yè)得到了前所未有的迅猛發(fā)展，這不僅給我國(guó)整流電源設(shè)備制造行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇，而且也促進(jìn)了我國(guó)電化學(xué)用整流電源設(shè)備技術(shù)水平的提高。目前，國(guó)產(chǎn)電解鋁用超高功率整流電源設(shè)備與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，不僅在價(jià)格上占有優(yōu)勢(shì)，而且在技術(shù)水平的提高上也是非常顯著的。

整流電源設(shè)備是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要特點(diǎn)是輸出功率非常大，必須能常年不間斷地連續(xù)運(yùn)行，給電解槽穩(wěn)定地提供強(qiáng)大的直流電流。就其技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)先進(jìn)性而言，主要體現(xiàn)在輸出功率大小，損耗與效率，可靠性，自動(dòng)化程度等幾個(gè)方面。

現(xiàn)在，即使是單系列年產(chǎn)250kt以上的電解鋁工程所需要的整流電源設(shè)備已不再依賴國(guó)外進(jìn)口，這是國(guó)產(chǎn)設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面提高的重要標(biāo)志。從中鋁青海分公司一電解用國(guó)產(chǎn)整流設(shè)備替換進(jìn)口整流設(shè)備的實(shí)踐說(shuō)明，用現(xiàn)在的國(guó)產(chǎn)整流設(shè)備替換過(guò)去進(jìn)口的整流設(shè)備已完全具備條件。

2 整流主電路連接結(jié)構(gòu)問(wèn)題

一個(gè)電解鋁系列的設(shè)計(jì)年產(chǎn)量是確定并聯(lián)整流機(jī)組個(gè)數(shù)和單機(jī)組功率的基本依據(jù)。單個(gè)整流機(jī)組輸出功率越大，所需并聯(lián)機(jī)組個(gè)數(shù)越少，便可相對(duì)降低電源設(shè)備的投資。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)在建的大型電解鋁工程的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所列。

由表1可見(jiàn)，現(xiàn)在單機(jī)組直流輸出功率最大已達(dá)到1300×38×2×10³=98.8MW。實(shí)踐證明，再進(jìn)一步增大單機(jī)組直流輸出功率，除受到整流器件電壓等級(jí)和快速熔斷器極限分?jǐn)嗄芰Φ南拗浦?，還受到整流變壓器和整流器連接結(jié)構(gòu)的制約。下面就三種有代表性的整流主電路連接方式進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 國(guó)內(nèi)目前在建的大型電解鋁工程主要技術(shù)數(shù)據(jù)

2.1 BBC整流設(shè)備存在的問(wèn)題和原因分析

中鋁青海分公司一電解，年產(chǎn)電解鋁100kt。整流電源設(shè)備是在1985年由當(dāng)時(shí)的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生產(chǎn)電化學(xué)用硅整流設(shè)備以來(lái)，承接的第330份訂單。整個(gè)系列有260臺(tái)電解槽，系列電流160kA，系列電壓1150V，由四個(gè)電流為56kA，電壓1150V的整流機(jī)組并聯(lián)供電。這在當(dāng)時(shí)稱得上是世界上功率最大，技術(shù)最先進(jìn)的電化學(xué)用整流設(shè)備了。至今，經(jīng)過(guò)16～17年的運(yùn)行，就整流器本身而言，與后來(lái)國(guó)內(nèi)其他各廠從德國(guó)西門(mén)子，瑞典ASEA，法國(guó)西吉萊克，意大利安薩爾多以及日本富士電機(jī)等國(guó)際著名公司引進(jìn)的同類(lèi)整流器相比，仍不遜色。

圖1和圖2分別是整流主電路連接原理圖與整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，整流裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將整流的正、負(fù)極分成兩個(gè)獨(dú)立單元，以避免整流裝置內(nèi)部發(fā)生直流側(cè)短路。不僅如此，其母線結(jié)構(gòu)的整體性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也非常優(yōu)越。然而，經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行證明，該整流裝置的優(yōu)點(diǎn)是以增加整流變壓器的制造難度和縮短整流變壓器使用壽命為代價(jià)獲得的。其主要表現(xiàn)為：

1）變壓器噪聲過(guò)大，達(dá)到90dB以上；

2）運(yùn)行溫升偏高，最高可達(dá)到85℃；

3）絕緣過(guò)快老化，現(xiàn)在最嚴(yán)重的地方，表面已出現(xiàn)焦裂現(xiàn)象；

4）自飽和電抗器調(diào)壓范圍不夠，只有20V左右。

圖1 整流主電路連接原理圖

圖2 整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖

由于BBC當(dāng)時(shí)是第一次制造這么大容量的整流變壓器，對(duì)于大電流交變磁場(chǎng)所產(chǎn)生的危害認(rèn)識(shí)不足。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)強(qiáng)大的交流電流通過(guò)閥側(cè)交流母線時(shí)，所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)不能被相互抵消；而閥側(cè)母線的連接方式使得自飽和電抗器的引出線之間有過(guò)多的相互交叉，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此，不得不過(guò)多地采用軟連接，使之沒(méi)有足夠的支撐；在大電流交變磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的振動(dòng)，局部渦流發(fā)熱和對(duì)自飽和電抗性能的影響就很突出，以致于超出允許范圍，加速設(shè)備老化。

另外，或者是受運(yùn)輸尺寸的限制，或者是為了節(jié)省材料，BBC將本應(yīng)做成兩個(gè)器身的整流變壓器合二為一成一個(gè)。并且取消了中間的共軛鐵心，使變壓器結(jié)構(gòu)特別緊湊，變成了分裂式變壓器。分裂式變壓器的電磁特性還與其穿越阻抗的大小有關(guān)，所產(chǎn)生的負(fù)面影響也不能被輕易忽視。

2.2 克服交變電磁場(chǎng)影響的主要對(duì)策

在超高功率整流機(jī)組中，由于強(qiáng)電流引起的交變磁場(chǎng)，給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)一系列的負(fù)面影響，其主要表現(xiàn)為：

1）在閥側(cè)母線周?chē)匿摻Y(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流，引起局部發(fā)熱；

2）閥側(cè)母線電抗壓降引起的無(wú)功損耗導(dǎo)致機(jī)組的平均功率因數(shù)相對(duì)偏低，變壓器補(bǔ)償繞組和補(bǔ)償電容器的容量相對(duì)偏大；

3）容易引起各相之間，各整流臂之間和同臂內(nèi)各支路之間電流分配不均衡。

其中因渦流引起的局部發(fā)熱是影響整流機(jī)組，特別是整流變壓器使用壽命的主要原因之一。

為了克服強(qiáng)電流交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的不利影響，各制造廠商都有針對(duì)性地采取了各種各樣的專門(mén)措施。由于采取的措施不一樣，所以，獲得的效果也就不盡相同。相對(duì)來(lái)講，比較典型的有三種：一種是全部采用非導(dǎo)磁材料做結(jié)構(gòu)件；另一種是采用同軸式結(jié)構(gòu)；再一種就是采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。三者之間的主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所列。

表2 克服大電流交變磁場(chǎng)不利影響的各種措施的比較

2.2.1 全部采用非導(dǎo)磁材料

以ABB和西門(mén)子為代表的大部分廠商，采取的措施是從選材入手。在整流裝置內(nèi)部及其周?chē)M可能地避免使用鋼結(jié)構(gòu)件，而是選用非導(dǎo)磁材料構(gòu)件，以防止渦流引起局部發(fā)熱。如圖2所示，ABB的做法是將正、負(fù)連接母線焊接成兩個(gè)整體的框架，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗電動(dòng)力都非常好。但是，這種方式對(duì)于消除大電流交變磁場(chǎng)負(fù)面影響只是一種治標(biāo)的辦法，實(shí)際效果并不理想，限制了單機(jī)組電流的繼續(xù)增大。

2.2.2 同軸式結(jié)構(gòu)

法國(guó)阿爾斯通和西吉萊克的做法是將整流裝置的各個(gè)整流臂做成同軸式結(jié)構(gòu)。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3和圖4所示。這種結(jié)構(gòu)是將交流母線穿過(guò)直流母線框窗口，再把器件和快熔以交流母線為軸線對(duì)稱分布安裝在交流母線上，然后經(jīng)連接母排匯接到后面的直流母線框上。

圖3 同軸式三相橋式整流主電路連接原理圖

圖4 同軸式整流臂電流流向示意圖

由圖4可見(jiàn)，在整流裝置這一部分，按電流流向和磁場(chǎng)分布規(guī)律，交變磁場(chǎng)的大部分能夠被抵消。但是，直流母線框后面去整流變壓器一段的交變磁場(chǎng)不能被抵消。

采用同軸結(jié)構(gòu)，整流變壓器的引出線結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。

在西吉萊克的整流裝置中，4英寸整流二極管采用單面水冷卻，將4英寸器件當(dāng)3英寸器件使用。這樣，有利于減小整流裝置損耗，簡(jiǎn)化水路結(jié)構(gòu)。但設(shè)備造價(jià)要相應(yīng)地提高。

2.2.3 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)

同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式是日本富士電機(jī)及中國(guó)各主要整流器制造廠家普遍采用的結(jié)構(gòu)方式。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 三相橋式同相逆并聯(lián)整流主電路連接原理圖

圖6 同相逆并聯(lián)整流臂電流流向和磁場(chǎng)分布示意圖

同相逆并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用始于上世紀(jì)70年代。是從根本上消除大電流交變磁場(chǎng)負(fù)面影響的一種治本的辦法。從整流變壓器繞組引出端開(kāi)始，到整流裝置直流匯流點(diǎn)為止，除飽和電抗器一段（在飽和電抗器以前）之外，所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的大部分能夠被相互抵消掉。對(duì)消除渦流發(fā)熱，降低閥側(cè)母線電抗壓降和減小交變磁場(chǎng)對(duì)電流分配的影響都特別有效。

采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，必須處理好兩個(gè)同相逆并聯(lián)連接的整流臂之間絕緣問(wèn)題，以防止發(fā)生短路故障。經(jīng)過(guò)不斷地研究和改進(jìn)，現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到了解決，不再是影響同相逆并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的障礙。如果不受快熔分?jǐn)嗄芰Φ南拗?，采用同相逆并?lián)結(jié)構(gòu)繼續(xù)增加整流機(jī)組單機(jī)電流的空間最大。

3 整流器件和快速熔斷器

整流器件和快速熔斷器都是整流裝置中的核心元器件，其技術(shù)水平和性能指標(biāo)是保證整機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵。二者之間選配得合理與否對(duì)于整個(gè)整流機(jī)組是至關(guān)重要的。

3.1 整流器件

3.1.1 目前國(guó)內(nèi)外整流器件的實(shí)際水平

現(xiàn)在，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，用于整流的電力半導(dǎo)體器件（即整流器件）的技術(shù)水平和性能指標(biāo)都有了很大的提高。目前，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，整流器件能夠達(dá)到的最高電流和電壓等級(jí)如表3所列。

表3 目前整流器件最高電流和電壓等級(jí)

3.1.2 國(guó)內(nèi)外整流器件技術(shù)參數(shù)對(duì)比

一般情況下，采用4英寸器件，其電流、電壓等級(jí)選擇范圍比較寬，每個(gè)整流臂并聯(lián)4～6只就能滿足要求。對(duì)于需要多器件并聯(lián)的同類(lèi)整流裝置而言，4～6只并聯(lián)是最合理的選擇。所以，目前在電解鋁工程中大量使用的還是4英寸的整流器件。

在表4中，以4英寸二極管為例，列出國(guó)產(chǎn)器件和進(jìn)口器件的主要參數(shù)的對(duì)比。同時(shí)也列出了原BBC用于中鋁青海分公司一期工程的2英寸二極管（型號(hào)為DSA1208－29A）的主要參數(shù)。

表4 國(guó)產(chǎn)器件和進(jìn)口器件的主要技術(shù)參

由表4可見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)器件和國(guó)外器件相比，盡管在性能參數(shù)上還存在一些差距，但其基本參數(shù)如電流、電壓等級(jí)已非常接近或者相等。

3.1.3 國(guó)產(chǎn)器件和進(jìn)口器件的主要差別

1）國(guó)產(chǎn)器件通態(tài)電壓高，相對(duì)損耗也大。以一個(gè)額定輸出電流76（=38×2）kA的整流機(jī)組為例，在滿載運(yùn)行條件下，一個(gè)機(jī)組要增加損耗38kW（=18.9×2）。

2）進(jìn)口器件的浪涌電流大，其較強(qiáng)的抗短路沖擊能力，有利于合理選配快速熔斷器。

3）進(jìn)口器件通態(tài)電壓分散性小、一致性好，斜率電阻大、門(mén)檻電壓低，有利于均流和保持均流穩(wěn)定。

3.2 快速熔斷器及其選配

按照電解鋁供電電源的運(yùn)行特點(diǎn)，快速熔斷器的主要作用是隔斷故障支路，保護(hù)完好的整流臂，防止事故擴(kuò)大。表5列出了幾種在電化學(xué)用整流裝置中大量使用的大電流快熔的主要技術(shù)參數(shù)。

從保護(hù)方面而言，快速熔斷器的熔斷I²t和極限分?jǐn)嗄芰κ莾蓚€(gè)非常重要的參數(shù)，選型時(shí)必須滿足以下幾點(diǎn)要求：

1）要求快速熔斷器的熔斷I²t必須小于器件管殼不破裂能承受的最大I²t。當(dāng)整流臂的某支路整流器件因擊穿而發(fā)生閥側(cè)短路時(shí)，要求與該故障支路器件串聯(lián)的快熔必須在器件管殼可能爆裂之前就要熔斷，以防止器件管殼爆裂引起電弧造成事故擴(kuò)大。如表4所列，ABB4英寸二極管管殼不破裂能承受的最大I²t=85MA²·s，要求所選配的快熔的熔斷I²t必須小于這個(gè)值。

2）要求快速熔斷器的極限分?jǐn)嚯娏鞅仨毚笥诠收希ㄕ鳎┍勰墚a(chǎn)生的最大預(yù)期短路電流。例如，一個(gè)額定直流輸出（37×2）kA／1220V的整流機(jī)組，發(fā)生閥側(cè)短路時(shí)，最大預(yù)期短路電流約186kA。所以，要求快熔的極限分?jǐn)嗄芰Ρ仨毚笥?86kA。如果快熔分?jǐn)嗄芰_(dá)不到這個(gè)要求，有可能發(fā)生管殼爆裂引起電弧造成事故擴(kuò)大。

3）要求每個(gè)整流臂上各并聯(lián)整流器件的浪涌電流平方時(shí)間積（即每個(gè)器件的I2t）之和必須大于與器件串聯(lián)的快熔的I²t。按圖7所示電路，查表4和表5，3只ABB器件（4680A/5000V）的I²t之和26.6×3=79.8MA²·s大于一個(gè)Bussmann快熔（4500A/1100V）的I²t=67.5MA²·s。因此，要求每個(gè)臂的并聯(lián)元件數(shù)不得少于3只。

圖7 整流器件擊穿時(shí)短路電流流向示意圖

表5 幾種快速熔斷器主要技術(shù)參數(shù)

4）按標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障短路時(shí)，要求整流柜里的整流器件和快速熔斷器在高壓開(kāi)關(guān)跳閘之前不得損壞，能夠承受持續(xù)時(shí)間不小于2s的直流側(cè)短路沖擊。

按照器件供應(yīng)商（ABB和株洲所）提供的資料，二極管整流器件在時(shí)間不超過(guò)2s（即100個(gè)周波）以內(nèi)，允許通過(guò)約5倍的浪涌電流。Bussmann快熔（4500A/1300V）在2s之內(nèi)，可通過(guò)7倍以上的電流。再考慮整流機(jī)組本身還有不小于3倍的安全裕量，至少有不小于10倍以上的抗短路過(guò)流能力。對(duì)于10kV以上的供電電網(wǎng)，調(diào)壓整流變壓器的總短路阻抗，一般不小于12.5％，最大的直流短路電流在8倍以下。所以，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障短路時(shí)，器件和快熔在高壓開(kāi)關(guān)跳閘之前（時(shí)間不超過(guò)2s）不會(huì)損壞。

4 替換前后機(jī)組技術(shù)參數(shù)的對(duì)比

替換前后整流機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。按照要求替換之后，新機(jī)組的電流電壓為（32000×2）A/1200V，但為了對(duì)比，仍按進(jìn)口舊機(jī)組的輸出參數(shù)（28000×2）A/1150V進(jìn)行對(duì)比。

表6 整流機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)一覽表

5 結(jié)語(yǔ)

1）近年來(lái)國(guó)產(chǎn)電解鋁用整流電源設(shè)備的技術(shù)水平有了很大的提高,能夠滿足鋁電解工程技術(shù)改造和新建項(xiàng)目的要求。

2）為了解決大電流交變磁場(chǎng)問(wèn)題,整流主電路的連接結(jié)構(gòu)有三種可選擇形式,其中以同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)獲得的效果最佳。

3）國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的整流器件和快速熔斷器在技術(shù)水平方面比較接近，二者之間的匹配很重要。