用國產整流設備替換進口整流設備的技術對比與分析

1??? 引言

??? 近年來，我國電解鋁工業(yè)得到了前所未有的迅猛發(fā)展，這不僅給我國整流電源設備制造行業(yè)帶來了發(fā)展的機遇，而且也促進了我國電化學用整流電源設備技術水平的提高。目前，國產電解鋁用超高功率整流電源設備與國外同類產品相比，不僅在價格上占有優(yōu)勢，而且在技術水平的提高上也是非常顯著的。

??? 整流電源設備是電解鋁生產的關鍵設備之一，其主要特點是輸出功率非常大，必須能常年不間斷地連續(xù)運行，給電解槽穩(wěn)定地提供強大的直流電流。就其技術進步和技術先進性而言，主要體現在輸出功率大小，損耗與效率，可靠性，自動化程度等幾個方面。

??? 現在，即使是單系列年產250kt以上的電解鋁工程所需要的整流電源設備已不再依賴國外進口，這是國產設備技術經濟指標全面提高的重要標志。從中鋁青海分公司一電解用國產整流設備替換進口整流設備的實踐說明，用現在的國產整流設備替換過去進口的整流設備已完全具備條件。

2??? 整流主電路連接結構問題

??? 一個電解鋁系列的設計年產量是確定并聯整流機組個數和單機組功率的基本依據。單個整流機組輸出功率越大，所需并聯機組個數越少，便可相對降低電源設備的投資。據不完全統(tǒng)計，目前國內在建的大型電解鋁工程的主要技術數據如表1所列。

??? 由表1可見，現在單機組直流輸出功率最大已達到1300×38×2×10³=98.8MW。實踐證明，再進一步增大單機組直流輸出功率，除受到整流器件電壓等級和快速熔斷器極限分斷能力的限制之外，還受到整流變壓器和整流器連接結構的制約。下面就三種有代表性的整流主電路連接方式進行對比分析。

表1??? 國內目前在建的大型電解鋁工程主要技術數據

2.1??? BBC整流設備存在的問題和原因分析

??? 中鋁青海分公司一電解，年產電解鋁100kt。整流電源設備是在1985年由當時的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生產電化學用硅整流設備以來，承接的第330份訂單。整個系列有260臺電解槽，系列電流160kA，系列電壓1150V，由四個電流為56kA，電壓1150V的整流機組并聯供電。這在當時稱得上是世界上功率最大，技術最先進的電化學用整流設備了。至今，經過16～17年的運行，就整流器本身而言，與后來國內其他各廠從德國西門子，瑞典ASEA，法國西吉萊克，意大利安薩爾多以及日本富士電機等國際著名公司引進的同類整流器相比，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構示意圖。由圖2可知，整流裝置的結構特點是將整流的正、負極分成兩個獨立單元，以避免整流裝置內部發(fā)生直流側短路。不僅如此，其母線結構的整體性和動態(tài)穩(wěn)定性也非常優(yōu)越。然而，經過十多年的運行證明，該整流裝置的優(yōu)點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獲得的。其主要表現為：

??? 1）變壓器噪聲過大，達到90dB以上；

??? 2）運行溫升偏高，最高可達到85℃；

??? 3）絕緣過快老化，現在最嚴重的地方，表面已出現焦裂現象；

??? 4）自飽和電抗器調壓范圍不夠，只有20V左右。

圖1??? 整流主電路連接原理圖

圖2??? 整流裝置結構示意圖

??? 由于BBC當時是第一次制造這么大容量的整流變壓器，對于大電流交變磁場所產生的危害認識不足。由圖1可見，當強大的交流電流通過閥側交流母線時，所產生的交變磁場不能被相互抵消；而閥側母線的連接方式使得自飽和電抗器的引出線之間有過多的相互交叉，結構非常復雜，因此，不得不過多地采用軟連接，使之沒有足夠的支撐；在大電流交變磁場的作用下，產生的振動，局部渦流發(fā)熱和對自飽和電抗性能的影響就很突出，以致于超出允許范圍，加速設備老化。

??? 另外，或者是受運輸尺寸的限制，或者是為了節(jié)省材料，BBC將本應做成兩個器身的整流變壓器合二為一成一個。并且取消了中間的共軛鐵心，使變壓器結構特別緊湊，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，所產生的負面影響也不能被輕易忽視。

2.2??? 克服交變電磁場影響的主要對策

??? 在超高功率整流機組中，由于強電流引起的交變磁場，給機組的運行帶來一系列的負面影響，其主要表現為：

??? 1）在閥側母線周圍的鋼結構件中產生渦流，引起局部發(fā)熱；

??? 2）閥側母線電抗壓降引起的無功損耗導致機組的平均功率因數相對偏低，變壓器補償繞組和補償電容器的容量相對偏大；

??? 3）容易引起各相之間，各整流臂之間和同臂內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。

??? 為了克服強電流交變磁場產生的不利影響，各制造廠商都有針對性地采取了各種各樣的專門措施。由于采取的措施不一樣，所以，獲得的效果也就不盡相同。相對來講，比較典型的有三種：一種是全部采用非導磁材料做結構件；另一種是采用同軸式結構；再一種就是采用同相逆并聯結構。三者之間的主要優(yōu)缺點對比如表2所列。

表2??? 克服大電流交變磁場不利影響的各種措施的比較

2.2.1??? 全部采用非導磁材料

??? 以ABB和西門子為代表的大部分廠商，采取的措施是從選材入手。在整流裝置內部及其周圍盡可能地避免使用鋼結構件，而是選用非導磁材料構件，以防止渦流引起局部發(fā)熱。如圖2所示，ABB的做法是將正、負連接母線焊接成兩個整體的框架，其結構強度和抗電動力都非常好。但是，這種方式對于消除大電流交變磁場負面影響只是一種治標的辦法，實際效果并不理想，限制了單機組電流的繼續(xù)增大。

2.2.2??? 同軸式結構

??? 法國阿爾斯通和西吉萊克的做法是將整流裝置的各個整流臂做成同軸式結構。整流主電路連接原理圖和整流臂結構示意圖如圖3和圖4所示。這種結構是將交流母線穿過直流母線框窗口，再把器件和快熔以交流母線為軸線對稱分布安裝在交流母線上，然后經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，在整流裝置這一部分，按電流流向和磁場分布規(guī)律，交變磁場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不能被抵消。

??? 采用同軸結構，整流變壓器的引出線結構相對來說比較簡單。

??? 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3英寸器件使用。這樣，有利于減小整流裝置損耗，簡化水路結構。但設備造價要相應地提高。

2.2.3??? 同相逆并聯結構

??? 同相逆并聯結構方式是日本富士電機及中國各主要整流器制造廠家普遍采用的結構方式。整流主電路連接原理圖和整流臂結構示意圖如圖5和圖6所示。

圖5??? 三相橋式同相逆并聯整流主電路連接原理圖

圖6??? 同相逆并聯整流臂電流流向和磁場分布示意圖

??? 同相逆并聯技術的應用始于上世紀70年代。是從根本上消除大電流交變磁場負面影響的一種治本的辦法。從整流變壓器繞組引出端開始，到整流裝置直流匯流點為止，除飽和電抗器一段（在飽和電抗器以前）之外，所產生的交變磁場的大部分能夠被相互抵消掉。對消除渦流發(fā)熱，降低閥側母線電抗壓降和減小交變磁場對電流分配的影響都特別有效。

??? 采用同相逆并聯技術，必須處理好兩個同相逆并聯連接的整流臂之間絕緣問題，以防止發(fā)生短路故障。經過不斷地研究和改進，現在這個問題已經得到了解決，不再是影響同相逆并聯技術應用的障礙。如果不受快熔分斷能力的限制，采用同相逆并聯結構繼續(xù)增加整流機組單機電流的空間最大。

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，其技術水平和性能指標是保證整機技術水平的關鍵。二者之間選配得合理與否對于整個整流機組是至關重要的。

3.1??? 整流器件

3.1.1??? 目前國內外整流器件的實際水平

??? 現在，不管是國內還是國外，用于整流的電力半導體器件（即整流器件）的技術水平和性能指標都有了很大的提高。目前，在實際工業(yè)應用中，整流器件能夠達到的最高電流和電壓等級如表3所列。

表3??? 目前整流器件最高電流和電壓等級

3.1.2??? 國內外整流器件技術參數對比

??? 一般情況下，采用4英寸器件，其電流、電壓等級選擇范圍比較寬，每個整流臂并聯4～6只就能滿足要求。對于需要多器件并聯的同類整流裝置而言，4～6只并聯是最合理的選擇。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，列出國產器件和進口器件的主要參數的對比。同時也列出了原BBC用于中鋁青海分公司一期工程的2英寸二極管（型號為DSA1208－29A）的主要參數。

表4??? 國產器件和進口器件的主要技術參

??? 由表4可見，國產器件和國外器件相比，盡管在性能參數上還存在一些差距，但其基本參數如電流、電壓等級已非常接近或者相等。

3.1.3??? 國產器件和進口器件的主要差別

??? 1）國產器件通態(tài)電壓高，相對損耗也大。以一個額定輸出電流76（=38×2）kA的整流機組為例，在滿載運行條件下，一個機組要增加損耗38kW（=18.9×2）。

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

??? 3）進口器件通態(tài)電壓分散性小、一致性好，斜率電阻大、門檻電壓低，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行特點，快速熔斷器的主要作用是隔斷故障支路，保護完好的整流臂，防止事故擴大。表5列出了幾種在電化學用整流裝置中大量使用的大電流快熔的主要技術參數。

??? 從保護方面而言，快速熔斷器的熔斷I²t和極限分斷能力是兩個非常重要的參數，選型時必須滿足以下幾點要求：

??? 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。當整流臂的某支路整流器件因擊穿而發(fā)生閥側短路時，要求與該故障支路器件串聯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必須小于這個值。

??? 2）要求快速熔斷器的極限分斷電流必須大于故障（整流）臂能產生的最大預期短路電流。例如，一個額定直流輸出（37×2）kA／1220V的整流機組，發(fā)生閥側短路時，最大預期短路電流約186kA。所以，要求快熔的極限分斷能力必須大于186kA。如果快熔分斷能力達不到這個要求，有可能發(fā)生管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。

??? 3）要求每個整流臂上各并聯整流器件的浪涌電流平方時間積（即每個器件的I2t）之和必須大于與器件串聯的快熔的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Bussmann快熔（4500A/1100V）的I²t=67.5MA²·s。因此，要求每個臂的并聯元件數不得少于3只。

圖7??? 整流器件擊穿時短路電流流向示意圖

表5??? 幾種快速熔斷器主要技術參數

??? 4）按標準要求，當直流側發(fā)生故障短路時，要求整流柜里的整流器件和快速熔斷器在高壓開關跳閘之前不得損壞，能夠承受持續(xù)時間不小于2s的直流側短路沖擊。

??? 按照器件供應商（ABB和株洲所）提供的資料，二極管整流器件在時間不超過2s（即100個周波）以內，允許通過約5倍的浪涌電流。Bussmann快熔（4500A/1300V）在2s之內，可通過7倍以上的電流。再考慮整流機組本身還有不小于3倍的安全裕量，至少有不小于10倍以上的抗短路過流能力。對于10kV以上的供電電網，調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，當直流側發(fā)生故障短路時，器件和快熔在高壓開關跳閘之前（時間不超過2s）不會損壞。

4??? 替換前后機組技術參數的對比

??? 替換前后整流機組的主要技術參數對比見表6。按照要求替換之后，新機組的電流電壓為（32000×2）A/1200V，但為了對比，仍按進口舊機組的輸出參數（28000×2）A/1150V進行對比。

表6??? 整流機組主要技術參數一覽表

5??? 結語

??? 1）近年來國產電解鋁用整流電源設備的技術水平有了很大的提高,能夠滿足鋁電解工程技術改造和新建項目的要求。

??? 2）為了解決大電流交變磁場問題,整流主電路的連接結構有三種可選擇形式,其中以同相逆并聯結構獲得的效果最佳。

??? 3）國內外生產的整流器件和快速熔斷器在技術水平方面比較接近，二者之間的匹配很重要。