高電壓可控硅整流電源

摘要：在45KA/500V整流電源的基礎上，根據國際鋁電解發展趨勢，本所又開發成功國內直流電壓最高的35KA/1150VDC同相逆并聯可控硅三相橋式整流電源,在技術指標及結構工藝上有進一步的提高,達到當代國際先進水平。本文對此電源作簡要介紹，并對電源間環流作了初步分析。
關鍵詞：高電壓 同相逆并聯 可控硅 整流 環流
--、前言
進入90年代以來，隨著我國電解鋁工業技術的發展，為降低能耗，對鋁電解直流電源的要求越來越高。目前我國很多鋁廠采用的是60年代后期引進或國產的遞降變壓器+有載調壓開關與二極管整流器組成的供電電源系統，平均穩流精度約5%，動態響應差，有載開關壽命短、維修量大。80年代加入了飽和電抗器細調，減少了有載開關的動作次數，平均穩流精度可達1~3%，但動態穩流精度仍較差，影響可靠性。此類系統由于帶有載開關的變壓器結構復雜，可靠性較低，穩流精度低，系統投資高。80年代后期，國內三家鋁廠（山東鋁業公司、貴州鋁廠、平果鋁廠）先后引進由ABB公司生產的直降大電流可控硅整流機組，動態穩流精度0.1%、整流效率高于98%，單臺整流器電流可達56KA，電流效率高、節能、無接點、無載跳閘、可靠性高、運行經濟效益顯著，但進口價格昂貴。1995年11月由天津電氣傳動設計研究所與山東鋁業公司聯合開發的單機容量45KA/500V同相逆并聯可控硅整流電源，在山東鋁業公司電解鋁廠投入運行。系統的整體性能達到90年代國際同類產品先進水平，穩流精度0.1%、整流效率高于98%，而噪音、均流等指標優于同期的ABB產品；完全可以取代同類進口產品，而投資比引進國外產品節省40%以上；可實現無載跳閘、可靠性高、維修量小、有明顯的增產節能效果。本產品獲得97年中國有色金屬工業總公司科技進步二等獎、機械工業部科技進步一等獎、98年國家科技進步二等獎、被原國家科技委員會審定為國家級新產品。
當前電解系列正朝著大電流、高電壓的方向發展，鋁電解系列最大電流達300KA，電壓達1200V。一個電解系列電解槽越多，所需的供電電源額定電壓越高，則供電整流系統效率越高，電解系列效益也越好。研制容量更大，額定電壓更高的高性能可控硅整流電源裝置是我國鋁電解工業的迫切需要，對鋁電解工業的發展和進步有著重要意義。為此在中國有色金屬工業技術交流開發中心承包的長城鋁業公司水電廠電解整流電源系統技改項目中，推廣應用我所研制的單臺整流器額定輸出為35KA/1150V的同相逆并聯可控硅整流電源。
二、直降大功率可控硅整流電源系統
1、 長城鋁業公司電解系列電源技術要求： 系列電流：80KA 系列電壓：1150V 穩流精度：0.1% 整流效率：>98%
2、 電源系統配置
針對上述技術要求，經過充分調研論證，考慮到今后系列電流尚需要強化，確定系列整流電源由4臺110KV直降同相逆并聯整流變壓器（江西變壓器廠生產）、4臺額定輸出為35KA/1150VDC的高性能同相逆并聯可控硅整流電源及一套110KV高壓濾波器（沈陽鋁鎂設計研究院研制）組成，由沈陽鋁鎂設計研究院完成總體設計。進線電源為多進線110KV系統，正常運行時4臺機組投入運行；當一臺機組檢修時，其它三臺仍能滿足電解生產需要。4臺整流變壓器一次側為曲折接法，分別移相±22.5°、±7.5°，4臺運行時，系列輸出等效24相直流電壓。整流變壓器一次側采用無載倒段開關，使輸出直流電壓分別為1150V、950V，以保證在電解槽數較少時提高功率因數，降低諧波電流。整流電源系統結構圖如圖1所示。
三．35KA/1150V同相逆并聯可控硅整流電源的特點
在山東鋁業公司我所同相逆并聯45KA/500V可控硅整流電源成功運行的基礎上，針對長城鋁業公司高電壓的特點，在產品設計制造上作了周密細致的考慮，使整流電源的技術指標進一步提高。

1 高絕緣強度
本裝置額定電壓為1150VDC，是國內外同相逆并聯大電流可控硅整流裝置中的最高電壓。由于同相逆并聯技術特點是要求同相的兩根反極性母排的距離盡量小，否則其效果將大大削弱，為此對1150VDC的高電壓整流裝置結構的絕緣作了必要的加強，以保證有足夠的絕緣強度，實際運行中，電網的電壓高達120KV以上，裝置仍正常運行。
2 降低噪音和振動
在原結構的基礎上，對整流器采取了整體加固措施，使本裝置的噪音和振動較山鋁產品有明顯的降低。
3 交流進線
為保證交流進線的對稱性和結構的完整性，將同相同極性的交流母排聯成一體由中間進線，且改進了整流器交流母排的機加工工藝，保證了交流進線母排聯接對稱。
4 無滲漏
針對原設計中主水管接頭易滲水,水管加壓后膨脹現象，設計制造了新的管接頭，采用高強度管材，有效地解決了滲水現象。
5 快熔冷卻
快熔采用雙面水冷措施，有效地降低了快熔的溫度。室溫為38℃，額定電流時快熔最高殼溫70℃左右。
6 采用高性能的西門子電容作為換相電容
此外，本裝置仍保留了45KA/500V整流電源的優點：采用技術指標優秀的ABB４吋可控硅和法國FERRAZ快速熔斷器，本裝置的其它主要元件均采用進口或中外合資廠家的產品。每臺整流電源配置2臺浪涌保護箱、3臺就地控制柜：電流調節柜、信號保護柜、輔助電源柜。全部設備均由天津電氣傳動設計研究所設計制造。
綜上所述，長城鋁業公司所用的35KA/1150V同相逆并聯可控硅整流器具有比45KA/500V電源更高的技術指標和工藝水平，在實際運行中可靠工作。
四.自動穩流控制系統
1.系統結構及工作原理
每臺整流電源電流調節柜中的自動穩流控制系統，采用獨立的電流閉環控制，具有優秀的穩流性能，即使發生多個陽極效應，其動態穩流精度仍可達0.1%。

圖2為自動穩流控制系統方框圖，其穩流原理簡要說明如下：當某一電解槽發生陽極效應時，其槽壓由4V階躍到30V左右，導致直流電流Id下降，If隨之下降，差值電流DI=Idg-If -，使觸發角a前移，輸出直流電壓迅速升高，保持直流電流不變。由于系統動態響應好，調節過程在毫秒級即可完成，因此輸出直流電流波動很小，僅幾十安培。對于電網波動，同樣可實現自動穩流。
2.整流電源的電流給定 　
(1) 本地給定：在電流調節柜上手動設定所需的運行電流，一般用于調試階段。
(2) 遙控給定：在主控室各機組對應的1#~4#整流器控制柜手動設定，通過變換器將電流給定信號變為0~20mA的電流源信號，送到電流調節柜，這樣可有效地避免長距離傳輸可能受到的干擾。在正常運行時，操作人員可在主控室靈活控制各整流器的運行電流，彼此不受約束。
(3) 計算機給定：由主控室上位機數字設定電解系列總電流給定，與裝設于總直流母排上的LEM直流傳感器的總電流反饋信號組成閉環自動調節系統，實現系列電流自動穩流。計算機將總給定通過變送器變成0~20mA信號分別送達每個整流機組，所有受控機組有相同的電流給定。
實踐證明，設置上述三種給定,操作靈活、快速，在需要切投某機組時系列電流無明顯波動。在計算機控制機組投入切除的過程中，各機組的輸出電流值自動平均分配，可靠地保證了電解生產的需要。
3. 整流電源的信號保護系統
每個整流電源均有一臺信號保護柜，具有完善的保護功能，柜內配置了OMRON C200H系列可編程序控制器（PLC），I/O信號量可達200點，并可根據需要靈活擴展。PLC根據系統的保護和工藝要求完成各種信號的采集、處理，實現機組的投、切操作、故障信號的記憶、報警；在發生跳閘故障時通過調節柜實現推b、封脈沖及無載跳閘操作；同時，PLC將所有的信號送至主控制室上位機控制系統（淄博凱鵬高科工貿有限責任公司研制），由上位機實現分類處理、報表打印及聲光報警等，每個故障跳閘信號和故障報警信號均可顯示和打印輸出，PLC信號保護系統具有下述功能。
(1) 電流調節系統
a. 當電流輸出>112% IdN（IdN為直流額定電流值）時，報警，系統正常工作；
b. 當裝置快熔熔斷一只時，報警，并自動使整流電流輸出減小20%，系統繼續運行；
c. 當±15V、+24V、同步電源異常、輸出電流達125%IdN、、快熔熔斷二只等任一故障發生時，系統通過PLC推b，使電源電流輸出迅速降至零，同時通過PLC操作高壓斷路器實現無載跳閘；
d. 當IdN>130%IdN時，電流調節系統自動推b，使IdN在十幾毫秒內迅速降為零。
(2) 冷卻系統
a. 跳閘信號：主水（去離子水）水溫高、主水低水位、主水低流量、主水高電導；
b. 報警信號：主水低水位、主水低流量、主水水溫高、付水失壓。
(3) 變壓器
a. 跳閘信號：交流電流過載、浪涌過壓、浪涌電流瞬斷、浪涌電流過流、三相不平衡、壓力釋放閥釋放、重瓦斯；
b. 報警信號：變壓器高溫、輕瓦斯、高油位、低油位、備用冷卻器自投、冷卻器油泵過載、冷卻器風機過載、冷卻器油泵流量失常。
五．調試和投運 　
1 出廠調試
本系統全部4套整流電源研制完成后，在出廠時進行了嚴格的系統調試、高壓小電流試驗和低壓大電流試驗。
2 現場調試
1999年12月進行現場投運調試：
⑴低壓短路大電流試驗，每臺機組額定負載連續運行8小時；
⑵高壓小電流試驗；
⑶機組抗干擾試驗。
3 帶電解槽運行
機組直接帶電解槽的并聯投運調試：整流器負荷均衡24小時運行；一臺整流器35KA，其它負荷均衡24小時運行。 經現場測試，整流裝置可控硅的均流系數均為0.9以上，電流穩流精度達到0.1%。投運后，運行正常，工作可靠，達到廠家技術要求。
六.整流電源運行噪音及振動
1 單臺整流電源帶電解槽運行，由于加工工藝和結構上的改進, 同山鋁45KA/500V電源相比,運行時噪音及振動均顯著減弱。
2 整流電源首次并聯帶電解槽運行，當各整流電源電流升至14KA~20KA，整流電壓200多伏時，整流室內直流輸出母排振動強烈，噪音很大，分析原因如下：
(1) 可控硅整流電源具有自動穩流的特點，它根據DI的大小自動改變觸發角a來調節輸出直流電壓以達到穩流的目的，在升電流的過程中觸發角a在90°－25°之間變化；
(2) 為增加輸出相數，減小網側諧波，各整流電源交流進線電壓之間存在一定的相位差（本系統為15°）。當系列電壓較低時，a角很大，各整流電源輸出直流電壓的瞬時值有很大的差值。各整流電源直流輸出母排是直接并聯到匯流母排，沒有限流電抗器，僅靠母排之間微弱的分布電感來限流，所以此時將產生很大的動態環流，整流電源額定電壓越高，差值越大，環流越大；而在二極管整流系統中，其a角始終為0°，電壓瞬時值的差值不大，所以動態環流也較小。
(3) 由于整流電源輸出直流電流很大，直流輸出母排多采用多根鋁母排并聯構成，這些鋁母排中流過同極性電流，因而在鋁母排之間產生相斥的電動力，如果鋁母排截面較小，而高頻動態環流很大，這樣電源直流輸出母排將產生很大的振動和噪音，甚至出現機械共振，這是高電壓可控硅整流器的特殊問題。
經計算，本系統各整流電源間直流電壓瞬時值的差值最大可達1000V左右，從而會形成很大的高頻環流，因而產生了很大的振動和噪音。根據ABB及我所可控硅整流機組現場調試運行經驗，整流室內直流輸出母排應盡量選用大截面鋁母排并聯為好，并安裝牢固。本系統在改進和加固直流母排后，振動和噪音已降至正常水平。
七．整流電源的主要技術指標
輸入電壓：同相逆并聯1005VAC、三相、50Hz
輸出電壓：1150VDC
輸出電流：35KADC
穩流精度：0.1%
整流效率：98.5%
噪音：<90dB
均流系數：>0.90
過載：112%報警
過流：125%跳閘
重量：約3噸
體積：2300′2800′1150mm
八．結論
本電源穩流精度、均流系數、噪音等指標均達到或超過國際先進水平，整流裝置設計合理、技術先進、結構新穎，工作可靠，是國內單臺容量最大的（40.25MW）直流電壓最高的同相逆并聯可控硅整流電源。其價格較國外引進的同類產品低40%以上，產品工藝水平同進口產品相當，完全能夠取代進口的同類產品，是大型鋁電解電源理想的更新換代設備。