電解鋁用超大功率整流器的設計

電解鋁用超大功率整流器的設計

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參數(shù)和結構設計，以求達

到高效率、低損耗、小體積、高可靠性等要求。

關鍵詞：超大功率整流器鋁電解自動穩(wěn)流技術高效率

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、強電流以及電解鋁的工藝要求，如何使其達到高可靠性、高穩(wěn)定度、高效率一直是用戶十分關注的問題。這篇文章的理論性及實用性均較好，特此推薦，值得從事超大功率電化學整流器的設計者和使用者一讀。

　　青銅峽鋁廠三期工程是我國目前規(guī)模最大的電解鋁在建項目。建成后，單系列年產(chǎn)鋁將達到14萬噸，也是當前世界上最大的電解鋁工程之一。其整流電源全部采用國產(chǎn)設備。國內現(xiàn)已建成投運的最大電解鋁生產(chǎn)線單系列年產(chǎn)是10萬噸的規(guī)模，除最近投運的云南鋁廠采用國產(chǎn)設備外，其余8～10萬噸級電解鋁工程均采用國外引進設備。對于系列電流達220kA、電壓為1220V年產(chǎn)量14萬噸電解鋁的超大功率整流電源設備的研制，其主要技術特點是要求達到高效率、低損耗、小體積、高可靠性和高度的自動化水平，在國內同類產(chǎn)品中居領先水平，在國際上也具有代表性。

1整流裝置的主要技術參數(shù)

整流電流（系列）：220kA。

整流電壓：1220V

理想空載直流電壓：1450V

整流機組數(shù)：4組

單機組額定整流電流：（37000×2）A

單機組額定直流功率：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)：單機組為等效12相整流，4機組組成等效48相，整流變壓器網(wǎng)側采用曲折星形和六邊形移相。

國內目前幾個單系列年產(chǎn)8～10萬噸大型電解鋁項目的整流器與本項目的主要技術指標對比如表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年代開始投入運行的。由此對比可見，本裝置主要技術參數(shù)和性能指標的水平在同類產(chǎn)品中是領先的。

　　表1

2整流管與快速熔斷器

　　整流管是核心器件，其技術指標是保證整機技術水平的關鍵因素之一。3英寸高壓低損耗整流管的研制成功，為開發(fā)高壓大功率整流裝置奠定了基礎。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，并要求分斷能力大于100kA。

其它相關參數(shù)可見表2。用快熔作各并聯(lián)支路整流管過流保護，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能滿足這個要求。但對于多只整流管并聯(lián)聯(lián)接的整流電路，按有關標準規(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

用于電化學工業(yè)的整流裝置的一個顯著特點是常年不間斷地連續(xù)運行，為負載提供強大的直流電能。在為負載提供直流電能的同時，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是衡量電化學用整流裝置技術性能優(yōu)劣的兩項重要指標。按照JB/T7840－1998《電化學用整流器》標準規(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，必須設法降低損耗。在整流裝置的各項損耗中，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鍵。降低整流管正向損耗的措施主要有兩個方面：一是盡可能地減小整流管正向峰值電壓；二是適當增加并聯(lián)支路。按西整廠的企業(yè)內控標準，ZP3000－50整流管當峰值電流為6000A時，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)標準的規(guī)定，可以求得額定運行條件下整流裝置的各項損耗如表3。

表3

按照標準的規(guī)定，整流裝置效率η=UdN×IdN/(UdN×IdN＋△P）=1220×37/（1220×37＋103.1）=99.8％，比標準規(guī)定的整流效率提高0.2％。按這樣粗略計算，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，使同一臂內各并聯(lián)支路整流管的能力得到充分發(fā)揮的問題就顯得很為突出。均流系數(shù)是評價該性能的重要指標。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

　　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測其正向壓降時，其差別可以大到0.2～0.3V，從而導致接觸電阻阻值分數(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，必須把改進整流管壓裝工藝，減小壓裝對均流的影響作為重要控制因素。結合與國外同行合作制造的經(jīng)驗，采用獨特的預壓緊技術、工藝、工裝及檢測方法，使壓裝好后復測整流管的正向壓降的變化范圍控制在0.02V范圍內。

(2)主電路結構設計采用同相逆并聯(lián)同軸對稱結構，使交變磁場幾乎完全抵消，克服交變磁場在分布電感上產(chǎn)生的附加感應電勢對電流分配的影響。

(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。為此在結溫為兩個不同的溫度點上分別測出峰值電流1000A、2000A、3000A時的UFM，根據(jù)所測值按經(jīng)驗公式計算出一個UFM作為選配整流管的依據(jù)。

5整流柜結構特點

　　整流柜安裝場地為戶內，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構、絕緣結構、冷卻水管道和散熱器、整流管壓緊結構、過壓保護等。

5.1整流柜體結構特點

　　整流柜柜體型式為雙面雙列結構，柜體總高度2.4m、寬3.2m、深1.2m。相對于單面單列的柜體，高度減少約0.6m，體積減少20％。設備比較緊湊，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。

柜殼為防磁型結構，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構，以加強機械強度，抵抗電動力的沖擊振動和噪聲。

柜殼表面采用靜電噴塑處理，以加強柜殼的防腐能力。

　　柜殼防護等級按IP20設計，提高防護等級。

5.2導電母線及電氣連接結構特點

　　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：

　　所有導電母排，散熱器和連接線的材質均為紫銅材料。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銅質散熱器，能防止?jié)B水和散熱器受壓時產(chǎn)生局部變形的問題，保證與整流管接觸良好、壓力均勻。散熱器進出水嘴孔徑大（?14）、水阻小，在水流為紊流狀態(tài)下，使流量達到16L/min。雙面冷卻，保證熱阻不超過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構強度。

5.3先進的同相逆并聯(lián)結構

　　在應用同相逆并聯(lián)技術的過程中，存在著同相逆并聯(lián)的兩個整流臂之間的距離和絕緣之間的矛盾。對于這種高電壓大電流整流器，問題尤為突出。為此專門研制了一種復合結構的絕緣套管，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該絕緣套管用高強度螺栓牢固地連成一體，使之具有足夠的機械強度。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。主電路全部按對稱結構設計，最大限度地使其磁場分布相互抵消。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以內，對消除大電流交變磁場的危害效果顯著。這一距離是國內其它廠家同類裝置的一半。

（2）最短爬電距離不小于50mm，實際耐壓強度不小于10kV。

（3）同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的連接結構具有足夠的機械強度，以抗拒電動斥力的沖擊，也減小振動噪聲。

5.4冷卻水路特點

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

總匯流水管和管接頭用不銹鋼管制造，可減小管壁腐蝕對水質的影響。導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，電化學腐蝕是不可避免的，為此在水支路匯流到總匯流水管時,將接到各母線上的水管按正、負極分別匯流，使之處于同一電位，減緩電化學腐蝕。

5.5絕緣結構設計

　　對于直流電壓達1220V的整流柜，主電路對柜殼的耐壓強度按4000V（工頻電壓）設計。整流管外殼厚度35mm，35mm厚的管殼耐壓強度可達到8000V（工頻電壓）。整流管壓緊機構采用雙重絕緣，正常情況下壓板上是不帶電的，對安全有利。運行時也可以緊固整流管的壓緊螺栓。

6自動控制系統(tǒng)

　　整個自動控制系統(tǒng)是參照國外公司提供的同類模式，并結合青銅峽鋁廠的實際情況進行設計和配置的。并要求其自動化程度、技術水平達到國外公司同類系統(tǒng)的相應水平。該系統(tǒng)以PLC為核心，配以工控機作終端，自動控制系統(tǒng)框圖見圖1。所有信號，包括故障、保護和控制信號均由PLC和工控機進行監(jiān)視和控制。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、過程控制、報警、圖形數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計報表打印等功能，適合大型整流電源系統(tǒng)使用。

　　由4（各機組PLC）＋1（總PLC）和工控機（上位機）組成的自動監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控范圍包括整流設備（調壓變壓器＋整流變壓器＋整流裝置）及其輔機。工控機和總PLC可以通過各機組的PLC完成對整流設備及其輔機的運行狀態(tài)監(jiān)視、調整、控制和有關數(shù)據(jù)的采集。自動控制系統(tǒng)的操作方法和操作程序需要變動時，用戶可以根據(jù)實際情況，通過修改上、下位機控制程序（軟件）作相應的調整。

7穩(wěn)流控制電路特點

　　現(xiàn)在大型鋁電解廠均采用了槽控技術，以進一步提高鋁電解生產(chǎn)的綜合技術經(jīng)濟指標。槽控技術要求自動穩(wěn)流裝置能高精度地保持電解槽電流瞬時值的恒定。晶閘管整流裝置在穩(wěn)流精度和響應速度方面能

滿足槽控技術的要求。二極管整流裝置的穩(wěn)流控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構是自飽和電抗器和有載調壓開關（簡稱OLCT），為使其接近晶閘管自動穩(wěn)流裝置的水平，其自動穩(wěn)流系統(tǒng)的設計具有以下幾點特點：

（1）給每個整流機組配置的控制柜中都有一套獨立的自動閉環(huán)調節(jié)或手動開環(huán)調節(jié)電流的單元和位移繞組調節(jié)電源。可以獨立調節(jié)每個整流機組的輸出電流和飽和電抗器的設定工作點。避免各機組之間飽和電抗器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飽和電抗器線性調壓范圍的影響，同時也增加了調節(jié)的靈活性。

（2）輸入電流調節(jié)器的電流反饋信號分別取自本機組直流側的直流電流檢測裝置（DCCT）和整流變一次側的交流電流互感器（ACCT）。二者之間可以在線切換，當其中一路出現(xiàn)故障時，另一路會自動投入，以防止反饋電流信號丟失帶來的嚴重后果。

（3）控制柜內的電流調節(jié)器是用模擬電路組成的無靜差比例積分（PI）調節(jié)器。其電流給定信號取自分調電位器或PLC給出的給定信號。PLC中的數(shù)字調節(jié)器和控制柜中的模擬調節(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)過了濾波的單相整流電源，簡單可靠。回路中串聯(lián)有足夠大電感的平波電抗器，可以實現(xiàn)強制激磁。

（5）設有飽和電抗器線性工作區(qū)（即上、下飽和點）的檢測環(huán)節(jié)。檢測飽和電抗器的工作點所在區(qū)段，并發(fā)出升降OLCT擋位的請求信號。

（6）電流調節(jié)器采用無靜差的PI調節(jié)器，比例大小和積分時間長短能分別調節(jié)，可獲得高的穩(wěn)流精度和快響應速度。

圖1自動化監(jiān)控系統(tǒng)框圖