電解鋁用超大功率整流器的設(shè)計(jì)

西安電力整流器廠黃大華張偉郝建羅宏（西安710077）

摘要：主要介紹電解鋁用220kA、1220V、ZHS型超大功率整流器的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以求達(dá)

到高效率、低損耗、小體積、高可靠性等要求。

關(guān)鍵詞：超大功率整流器鋁電解自動(dòng)穩(wěn)流技術(shù)高效率

Design of Superhigh Power Rectifier for Use in Electrochemistry

Abstract: This paper mostly introduces techno－ parameter and structure design of superhigh power rectifier of ZHS type 220kA/1220V for electrochemistry in order to obtain high efficiency and low waste and small volume and high reliability.

Keywords:Superhigh power rectifier Electrolysis aluminium Automatic stabilized current technique High efficiency

電解鋁用超大功率整流器，由于其高電壓、強(qiáng)電流以及電解鋁的工藝要求，如何使其達(dá)到高可靠性、高穩(wěn)定度、高效率一直是用戶(hù)十分關(guān)注的問(wèn)題。這篇文章的理論性及實(shí)用性均較好，特此推薦，值得從事超大功率電化學(xué)整流器的設(shè)計(jì)者和使用者一讀。

　　青銅峽鋁廠三期工程是我國(guó)目前規(guī)模最大的電解鋁在建項(xiàng)目。建成后，單系列年產(chǎn)鋁將達(dá)到14萬(wàn)噸，也是當(dāng)前世界上最大的電解鋁工程之一。其整流電源全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。國(guó)內(nèi)現(xiàn)已建成投運(yùn)的最大電解鋁生產(chǎn)線單系列年產(chǎn)是10萬(wàn)噸的規(guī)模，除最近投運(yùn)的云南鋁廠采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備外，其余8～10萬(wàn)噸級(jí)電解鋁工程均采用國(guó)外引進(jìn)設(shè)備。對(duì)于系列電流達(dá)220kA、電壓為1220V年產(chǎn)量14萬(wàn)噸電解鋁的超大功率整流電源設(shè)備的研制，其主要技術(shù)特點(diǎn)是要求達(dá)到高效率、低損耗、小體積、高可靠性和高度的自動(dòng)化水平，在國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品中居領(lǐng)先水平，在國(guó)際上也具有代表性。

1整流裝置的主要技術(shù)參數(shù)

整流電流（系列）：220kA。

整流電壓：1220V

理想空載直流電壓：1450V

整流機(jī)組數(shù)：4組

單機(jī)組額定整流電流：（37000×2）A

單機(jī)組額定直流功率：90.3MW

整流效率：99.8％

整流主電路連接形式：三相橋式同相逆并聯(lián)連接。

電網(wǎng)供電電壓：220kV

等效整流相數(shù)：?jiǎn)螜C(jī)組為等效12相整流，4機(jī)組組成等效48相，整流變壓器網(wǎng)側(cè)采用曲折星形和六邊形移相。

國(guó)內(nèi)目前幾個(gè)單系列年產(chǎn)8～10萬(wàn)噸大型電解鋁項(xiàng)目的整流器與本項(xiàng)目的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1。表中除青海鋁廠一期是80年代投產(chǎn)的以外，其余都是90年代開(kāi)始投入運(yùn)行的。由此對(duì)比可見(jiàn)，本裝置主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)的水平在同類(lèi)產(chǎn)品中是領(lǐng)先的。

　　表1

2整流管與快速熔斷器

　　整流管是核心器件，其技術(shù)指標(biāo)是保證整機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵因素之一。3英寸高壓低損耗整流管的研制成功，為開(kāi)發(fā)高壓大功率整流裝置奠定了基礎(chǔ)。該裝置中采用的整流元件是管芯直徑為3英寸的ZP3000－50整流管，其正向平均電流為IF（AV）=3000A，反向重復(fù)峰值電壓URRM=5000V。

　　快速熔斷器也是裝置中的重要元件。根據(jù)快熔的

選用原則，要求快熔的額定電壓UN盡可能地與使用電壓（即變壓器閥側(cè)電壓）UVO接近，選用RSH11－3600型的快速熔斷器可以滿足要求，即額定電壓UN=1100V（與UVO=1073V接近），額定電流IN=3600A，并要求分?jǐn)嗄芰Υ笥?00kA。

其它相關(guān)參數(shù)可見(jiàn)表2。用快熔作各并聯(lián)支路整流管過(guò)流保護(hù)，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能滿足這個(gè)要求。但對(duì)于多只整流管并聯(lián)聯(lián)接的整流電路，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，快熔只起隔離故障支路作用，選用RSH11－3600快熔也是可以的。若選用電流更小些的快熔，也可以降低其I2t，但這樣會(huì)限制整流管能力的發(fā)揮。

表2

3損耗及整流效率

用于電化學(xué)工業(yè)的整流裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是常年不間斷地連續(xù)運(yùn)行，為負(fù)載提供強(qiáng)大的直流電能。在為負(fù)載提供直流電能的同時(shí)，整流裝置自身也要消耗能量。所以整流裝置的損耗△P及整流效率η是衡量電化學(xué)用整流裝置技術(shù)性能優(yōu)劣的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。按照J(rèn)B/T7840－1998《電化學(xué)用整流器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，額定直流電壓1250V整流器，其整流效率不得低于99.6％。為了提高整流效率，必須設(shè)法降低損耗。在整流裝置的各項(xiàng)損耗中，整流管的正向損耗是主要的，約占總損耗的80％，因此，降低整流管的正向損耗是提高整流效率的關(guān)鍵。降低整流管正向損耗的措施主要有兩個(gè)方面：一是盡可能地減小整流管正向峰值電壓；二是適當(dāng)增加并聯(lián)支路。按西整廠的企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，ZP3000－50整流管當(dāng)峰值電流為6000A時(shí)，正向峰值電壓UFM≤1.7V。每臂并聯(lián)整流管只數(shù)由7只增加到10只。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可以求得額定運(yùn)行條件下整流裝置的各項(xiàng)損耗如表3。

表3

按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，整流裝置效率η=UdN×IdN/(UdN×IdN＋△P）=1220×37/（1220×37＋103.1）=99.8％，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的整流效率提高0.2％。按這樣粗略計(jì)算，每年可節(jié)電4.7×106kWh，節(jié)電效果是非常明顯的。

4提高均流系數(shù)和保證均流系數(shù)穩(wěn)定的措施

隨著整流管制造水平的提高和整流管管徑的增大，如何把整流管用好，使同一臂內(nèi)各并聯(lián)支路整流管的能力得到充分發(fā)揮的問(wèn)題就顯得很為突出。均流系數(shù)是評(píng)價(jià)該性能的重要指標(biāo)。為了提高均流系數(shù)和保證均流系數(shù)的穩(wěn)定，主要采取了以下幾方面措施：

(1)整流管壓裝工藝改進(jìn)

　　大直徑整流管與母線和散熱器的接觸面的接觸狀況直接受整流管壓裝工藝的影響。傳統(tǒng)壓裝工藝存在的問(wèn)題表現(xiàn)在正向伏安特性一致的整流管裝于同一母線上后復(fù)測(cè)其正向壓降時(shí)，其差別可以大到0.2～0.3V，從而導(dǎo)致接觸電阻阻值分?jǐn)?shù)，影響并聯(lián)整流管之間的電流分配，是影響均流系數(shù)的諸因素中最難控制的因素。

為此，必須把改進(jìn)整流管壓裝工藝，減小壓裝對(duì)均流的影響作為重要控制因素。結(jié)合與國(guó)外同行合作制造的經(jīng)驗(yàn)，采用獨(dú)特的預(yù)壓緊技術(shù)、工藝、工裝及檢測(cè)方法，使壓裝好后復(fù)測(cè)整流管的正向壓降的變化范圍控制在0.02V范圍內(nèi)。

(2)主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用同相逆并聯(lián)同軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，使交變磁場(chǎng)幾乎完全抵消，克服交變磁場(chǎng)在分布電感上產(chǎn)生的附加感應(yīng)電勢(shì)對(duì)電流分配的影響。

(3)同一整流臂上選配正向伏安特性曲線接近一致的整流管。為此在結(jié)溫為兩個(gè)不同的溫度點(diǎn)上分別測(cè)出峰值電流1000A、2000A、3000A時(shí)的UFM，根據(jù)所測(cè)值按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出一個(gè)UFM作為選配整流管的依據(jù)。

5整流柜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　整流柜安裝場(chǎng)地為戶(hù)內(nèi)，采用絕緣安裝方式。主電路采用水－水冷卻。每柜包括六組同相逆并聯(lián)整流臂、電氣和非電氣連接結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻水管道和散熱器、整流管壓緊結(jié)構(gòu)、過(guò)壓保護(hù)等。

5.1整流柜體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　整流柜柜體型式為雙面雙列結(jié)構(gòu)，柜體總高度2.4m、寬3.2m、深1.2m。相對(duì)于單面單列的柜體，高度減少約0.6m，體積減少20％。設(shè)備比較緊湊，有利于整流室總高度的降低，還可減小整流管母排和快熔

母排的損耗。

柜殼為防磁型結(jié)構(gòu)，凡可能產(chǎn)生局部渦流發(fā)熱的部位均采用防磁材料隔斷磁路。柜殼用彎板和型材焊接成整體結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，抵抗電動(dòng)力的沖擊振動(dòng)和噪聲。

柜殼表面采用靜電噴塑處理，以加強(qiáng)柜殼的防腐能力。

　　柜殼防護(hù)等級(jí)按IP20設(shè)計(jì)，提高防護(hù)等級(jí)。

5.2導(dǎo)電母線及電氣連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　為降低損耗、提高整流效率、主電路電氣連接采取了下述措施：

　　所有導(dǎo)電母排，散熱器和連接線的材質(zhì)均為紫銅材料。散熱器和整流管表面鍍鎳，母排表面全部鍍錫。安裝整流管和快熔的母排為擠壓成形的異形雙孔母線，孔為內(nèi)齒輪形，增大了母排與冷卻水熱交換面積、有利于降低母排熱阻及整流管和快熔的溫升。采用一次鑄造成形的A－003銅質(zhì)散熱器，能防止?jié)B水和散熱器受壓時(shí)產(chǎn)生局部變形的問(wèn)題，保證與整流管接觸良好、壓力均勻。散熱器進(jìn)出水嘴孔徑大（?14）、水阻小，在水流為紊流狀態(tài)下，使流量達(dá)到16L/min。雙面冷卻，保證熱阻不超過(guò)0.01℃/W，有利于提高整流管的通流能力。直流匯流母排也采用擠壓成形帶內(nèi)孔的銅母線，不再沿用焊接散熱水管的匯流母線。匯流母線與快熔雙孔母線之間的連接板直接焊在匯流母線上，既減小接觸損耗又提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5.3先進(jìn)的同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　在應(yīng)用同相逆并聯(lián)技術(shù)的過(guò)程中，存在著同相逆并聯(lián)的兩個(gè)整流臂之間的距離和絕緣之間的矛盾。對(duì)于這種高電壓大電流整流器，問(wèn)題尤為突出。為此專(zhuān)門(mén)研制了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的絕緣套管，在不多占用空間的條件下能有效地增大爬電距離。同相逆變兩臂之間通過(guò)該絕緣套管用高強(qiáng)度螺栓牢固地連成一體，使之具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。而兩臂之間的空間又用不小于10mm厚的絕緣板隔離，可有效地防止異物掉落到兩臂之間。主電路全部按對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地使其磁場(chǎng)分布相互抵消。這樣可以保證：

（1）同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的直線距離控制在20mm以?xún)?nèi)，對(duì)消除大電流交變磁場(chǎng)的危害效果顯著。這一距離是國(guó)內(nèi)其它廠家同類(lèi)裝置的一半。

（2）最短爬電距離不小于50mm，實(shí)際耐壓強(qiáng)度不小于10kV。

（3）同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的連接結(jié)構(gòu)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以抗拒電動(dòng)斥力的沖擊，也減小振動(dòng)噪聲。

5.4冷卻水路特點(diǎn)

　　水路管道盡可能地增大其內(nèi)徑，增大水的流量，降低水的流速，使管內(nèi)的水流呈紊流狀態(tài)，有利于熱交換。

總匯流水管和管接頭用不銹鋼管制造，可減小管壁腐蝕對(duì)水質(zhì)的影響。導(dǎo)電母排上的管接頭用紫銅棒加工而成，由于各母排間電位不同，在高壓直流電的作用下，電化學(xué)腐蝕是不可避免的，為此在水支路匯流到總匯流水管時(shí),將接到各母線上的水管按正、負(fù)極分別匯流，使之處于同一電位，減緩電化學(xué)腐蝕。

5.5絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　對(duì)于直流電壓達(dá)1220V的整流柜，主電路對(duì)柜殼的耐壓強(qiáng)度按4000V（工頻電壓）設(shè)計(jì)。整流管外殼厚度35mm，35mm厚的管殼耐壓強(qiáng)度可達(dá)到8000V（工頻電壓）。整流管壓緊機(jī)構(gòu)采用雙重絕緣，正常情況下壓板上是不帶電的，對(duì)安全有利。運(yùn)行時(shí)也可以緊固整流管的壓緊螺栓。

6自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)是參照國(guó)外公司提供的同類(lèi)模式，并結(jié)合青銅峽鋁廠的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置的。并要求其自動(dòng)化程度、技術(shù)水平達(dá)到國(guó)外公司同類(lèi)系統(tǒng)的相應(yīng)水平。該系統(tǒng)以PLC為核心，配以工控機(jī)作終端，自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。所有信號(hào)，包括故障、保護(hù)和控制信號(hào)均由PLC和工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和控制。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制、報(bào)警、圖形數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印等功能，適合大型整流電源系統(tǒng)使用。

　　由4（各機(jī)組PLC）＋1（總PLC）和工控機(jī)（上位機(jī)）組成的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控范圍包括整流設(shè)備（調(diào)壓變壓器＋整流變壓器＋整流裝置）及其輔機(jī)。工控機(jī)和總PLC可以通過(guò)各機(jī)組的PLC完成對(duì)整流設(shè)備及其輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整、控制和有關(guān)數(shù)據(jù)的采集。自動(dòng)控制系統(tǒng)的操作方法和操作程序需要變動(dòng)時(shí)，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)修改上、下位機(jī)控制程序（軟件）作相應(yīng)的調(diào)整。

7穩(wěn)流控制電路特點(diǎn)

　　現(xiàn)在大型鋁電解廠均采用了槽控技術(shù)，以進(jìn)一步提高鋁電解生產(chǎn)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。槽控技術(shù)要求自動(dòng)穩(wěn)流裝置能高精度地保持電解槽電流瞬時(shí)值的恒定。晶閘管整流裝置在穩(wěn)流精度和響應(yīng)速度方面能

滿足槽控技術(shù)的要求。二極管整流裝置的穩(wěn)流控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自飽和電抗器和有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)（簡(jiǎn)稱(chēng)OLCT），為使其接近晶閘管自動(dòng)穩(wěn)流裝置的水平，其自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）給每個(gè)整流機(jī)組配置的控制柜中都有一套獨(dú)立的自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)或手動(dòng)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)電流的單元和位移繞組調(diào)節(jié)電源。可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)整流機(jī)組的輸出電流和飽和電抗器的設(shè)定工作點(diǎn)。避免各機(jī)組之間飽和電抗器B－H特性的分散性和整流變壓器輸出電壓及阻抗不完全相等對(duì)飽和電抗器線性調(diào)壓范圍的影響，同時(shí)也增加了調(diào)節(jié)的靈活性。

（2）輸入電流調(diào)節(jié)器的電流反饋信號(hào)分別取自本機(jī)組直流側(cè)的直流電流檢測(cè)裝置（DCCT）和整流變一次側(cè)的交流電流互感器（ACCT）。二者之間可以在線切換，當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路會(huì)自動(dòng)投入，以防止反饋電流信號(hào)丟失帶來(lái)的嚴(yán)重后果。

（3）控制柜內(nèi)的電流調(diào)節(jié)器是用模擬電路組成的無(wú)靜差比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。其電流給定信號(hào)取自分調(diào)電位器或PLC給出的給定信號(hào)。PLC中的數(shù)字調(diào)節(jié)器和控制柜中的模擬調(diào)節(jié)器也可以在線切換。

（4）飽和電抗器控制繞組和位移繞組的直流電源都是經(jīng)過(guò)了濾波的單相整流電源，簡(jiǎn)單可靠。回路中串聯(lián)有足夠大電感的平波電抗器，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制激磁。

（5）設(shè)有飽和電抗器線性工作區(qū)（即上、下飽和點(diǎn)）的檢測(cè)環(huán)節(jié)。檢測(cè)飽和電抗器的工作點(diǎn)所在區(qū)段，并發(fā)出升降OLCT擋位的請(qǐng)求信號(hào)。

（6）電流調(diào)節(jié)器采用無(wú)靜差的PI調(diào)節(jié)器，比例大小和積分時(shí)間長(zhǎng)短能分別調(diào)節(jié)，可獲得高的穩(wěn)流精度和快響應(yīng)速度。

圖1自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)框圖