電解鋁整流系統(tǒng)整流方案及整流元件與快熔的選擇

1、電解鋁整流系統(tǒng)整流方案及整流元件與快熔的選擇蘭州鋁業(yè)股份有限公司大型預(yù)焙槽電解鋁技術(shù)改造項目，采用國內(nèi)目前最大350kA的預(yù)焙電解槽，全系列288臺電解槽，單系列電解鋁年產(chǎn)能達(dá)到26萬噸。由于全系列直流電壓1350V，直流電流350kA，對整流機組的設(shè)計和應(yīng)用水平要求越來越高，而做為業(yè)主，選擇合理的整流方式和元件以保證滿足生產(chǎn)工藝要求和提高整流機組運行可靠性，對后續(xù)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)顯得尤為重要。 1 整流方案的確定電解鋁廠整流所采用的整流技術(shù)目前仍為晶閘管整流和有載調(diào)壓器開關(guān)粗調(diào)配自飽和電抗器細(xì)調(diào)的兩大技術(shù)方案。1.1 晶閘管整流裝置晶閘管整流具有響應(yīng)速度快、調(diào)壓范圍廣等優(yōu)點，當(dāng)采用晶閘管整流時，調(diào)壓

2、整流變壓器按常規(guī)不必采用大范圍調(diào)壓的有載調(diào)壓開關(guān)，可采用無載分接開關(guān)，這樣不僅可以充分利用晶閘管的優(yōu)點，而且，可以大大節(jié)省投資。但國內(nèi)幾家采用晶閘管整流的電解鋁廠仍采用了較多級數(shù)的有載調(diào)壓開關(guān)。主要是面臨以下幾點實際問題（1）完全立足于國內(nèi)設(shè)計制造的采用無載分接開關(guān)粗調(diào)與晶閘管整流配合應(yīng)用于新建電解鋁廠的整流裝置還沒有應(yīng)用經(jīng)驗。（2） 由于電解鋁廠的整流所是典型的低電壓、大電流系統(tǒng)，系列直流電流高達(dá)300kA以上，因此，交、直流雜散磁場產(chǎn)生的干擾較大，對晶閘管的二次觸發(fā)控制回路影響較大，設(shè)計時需采取很好的抗干擾措施。（3）由于電解鋁廠的直流用電負(fù)荷大且集中，是很大的諧波源，而且，自然功率因數(shù)較

3、低僅有0.86左右，特別是深控時更加嚴(yán)重。如不進行很好的治理對電力系統(tǒng)特別是自備電廠影響較大，因此，應(yīng)用晶閘管整流裝置時很難充分利用晶閘管深控特性，這也是國內(nèi)幾家鋁廠采用晶閘管整流的同時，仍采用較多級數(shù)有載調(diào)壓開關(guān)的原因之一。1.2 有載調(diào)壓器開關(guān)配自飽和電抗器二極管整流采用有載調(diào)壓器開關(guān)粗調(diào)配自飽和電抗器細(xì)調(diào)二極管整流是目前電解鋁行業(yè)應(yīng)用最普遍，也是最成熟的方案，其優(yōu)點是運行可靠、便于維護；缺點是體積和噪音較大。采用調(diào)主變分開，將飽和電抗器置于整流變壓器油箱中，利用整流變壓器的鐵心和油箱來吸收飽和電抗器噪音對外界的影響。通過對上述二種方案論證，最后確定采用第二種方案，即：采用降壓自耦線端連續(xù)

4、95級調(diào)壓方式，通過調(diào)壓變壓器及整流變壓器將220kV進線電壓直接轉(zhuǎn)變?yōu)?350VDC直流電壓輸出，同時滿足直流電流2×38kA輸出；調(diào)變采用線端有載調(diào)壓，繞組接線簡單；整流變采用兩個獨立鐵芯，分別為曲折星形/正反三角形、曲折三角形/正反三角形，移相角度分別為±2.5°、±7.5°、±12.5°，自飽和電抗器線性調(diào)壓范圍0-70V，單機組等效12脈波輸出，閥側(cè)三相橋式同相逆并聯(lián)。2 整流元件與快速熔斷器的配合蘭州鋁業(yè)整流系統(tǒng)的配置為：整流系統(tǒng)共有六個機組，采用三相橋式同相逆并聯(lián)接線方式，每臺整流柜為6脈波，單機組12脈波，系

5、統(tǒng)組成72脈波整流輸出。單機組額定直流電壓1350V，單機組額定直流電流2×38kA。整流元件和快速熔斷器都是整流裝置中的核心器件，其技術(shù)水平和性能指標(biāo)是保證整機技術(shù)水平的關(guān)鍵器件。二者之間選配得合理與否對于整個整流機組都至關(guān)重要。對整流柜內(nèi)的元件與快熔配置方案，筆者對以下三種方案進行列表比較，最后確定采用第一種方案。表1 方案對比2.1 整流元件（1） 國內(nèi)外整流元件技術(shù)參數(shù)對比一般情況下，采用4英寸元件，其電流、電壓等級選擇范圍比較寬，每個整流臂并聯(lián)46只就能滿足要求。對于需要多元件并聯(lián)的同類整流器而言，46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

6、元件。在表2中，以4英寸二極管元件為例，列出國產(chǎn)元件和進口元件的主要參數(shù)的對比。表2 國產(chǎn)元件和進口元件的主要技術(shù)參數(shù)對比由表2可見，國產(chǎn)元件和國外元件相比，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、電壓等級已非常接近或者相等。（2）國產(chǎn)元件和進口元件的主要差別 國產(chǎn)元件正向壓降大，相對損耗也大。以一個額定輸出電流38×2(=76)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（26×2）52kW。 進口元件能承受的浪涌電流大，有很強的抗短路沖擊能力。有利于合理選配快速熔斷器。 進口元件正向壓降分散性小、一致性好，斜率電阻大、門檻電壓低，有利于均流和保持

7、均流穩(wěn)定。 整流元件與快熔的不同配置比較見表3表3 不同方案元件配置比較通過計算和比較，最后確定整流元件選用進口ABB的管內(nèi)帶有防爆環(huán)的4英寸二極管5SDD50N5500（4680A、5500V），每臂6只元件并聯(lián)，單臺72只元件。2.2 快速熔斷器及其選配快速熔斷器的選擇，按照電解鋁供電電源的運行特點，其主要作用是隔斷故障支路，保護完好的整流臂元件不致于損壞，防止事故擴大。根據(jù) 快速熔斷器的選用原則，要求快熔的額定電壓UR盡可能地與使用電壓（即變壓器閥側(cè)電壓）UVO接近，快熔的電流等級按裝置的額定電流來選取。表4列出了西整熔斷器廠和ABB熔斷器在電化學(xué)用整流裝置中大量使用的大電流快熔的主要技

8、術(shù)參數(shù)。表4 國產(chǎn)與進口快速熔斷器主要技術(shù)參數(shù)從保護方面而言，快速熔斷器的熔斷I2t和極限分?jǐn)嗄芰κ莾蓚€非常重要的參數(shù)，選型時要求必須滿足以下幾點： 要求快速熔斷器的熔斷I2t必須小于元件管殼不破裂能承受的最大I2t。當(dāng)某一整流臂的整流元件應(yīng)擊穿而發(fā)生閥側(cè)短路時，要求與該故障支路元件串聯(lián)的快熔必須在元件管殼可能爆裂之前就要熔斷，以防止元件管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。 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，一個額定直流輸出38×2kA/1350V的整流機組，發(fā)生閥側(cè)短路時，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?

9、86kA。如果快熔分?jǐn)嗄芰_(dá)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。進口快熔的實際分?jǐn)嗄芰Σ恍∮?97kA（估計能達(dá)到300kA）。 要求每個整流臂上各并聯(lián)整流元件的浪涌電流平方時間積（即每個元件的I2t）之和必須大于與元件串聯(lián)的快熔的I2t。所選ABB公司元件（4680A/5500V）的I2t之和27.5×255 MA2s大于一個Bussmann快熔（3500A/1300V）的I2t44MA2s。因此，要求每個臂的并聯(lián)元件數(shù)不得少于2只。 按標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障短路時，要求整流柜里的整流元件和快速熔斷器在高壓開關(guān)跳閘之前不得損壞，能夠抗住持續(xù)時間不小于2s的直流側(cè)短路沖擊。通過計算和快熔廠家資料對比，國產(chǎn)快熔與進口快熔的額定電流值差別較大，除了各種修正系數(shù)的影響外，最主要的是二者的I2t值有較大區(qū)別。同一規(guī)格的快熔，進口產(chǎn)品的I2t值要遠(yuǎn)大于國產(chǎn)產(chǎn)品，這對于元件的保護非常（在大功率整流裝置中，要求快熔的分?jǐn)郔2t值盡量小于元件管殼不破裂的I2t值，ABB元件5SDD50N5500