电解铝用超大功率整流器的设计

电解铝用超大功率整流器的设计
  西安电力整流器厂黄大华张伟郝建罗宏（西安710077）
  摘要：主要介绍电解铝用220kA、1220V、ZHS型超大功率整流器的技术参数和结构设计，以求达
  到高效率、低损耗、小体积、高可靠性等要求。
  关键词：超大功率整流器铝电解自动稳流技术高效率
  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
  电解铝用超大功率整流器，由于其高电压、强电流以及电解铝的工艺要求，如何使其达到高可靠性、高稳定度、高效率一直是用户十分关注的问题。这篇文章的理论性及实用性均较好，特此推荐，值得从事超大功率电化学整流器的设计者和使用者一读。
  　　青铜峡铝厂三期工程是我国目前规模最大的电解铝在建项目。建成后，单系列年产铝将达到14万吨，也是当前世界上最大的电解铝工程之一。其整流电源全部采用国产设备。国内现已建成投运的最大电解铝生产线单系列年产是10万吨的规模，除最近投运的云南铝厂采用国产设备外，其余8～10万吨级电解铝工程均采用国外引进设备。对于系列电流达220kA、电压为1220V年产量14万吨电解铝的超大功率整流电源设备的研制，其主要技术特点是要求达到高效率、低损耗、小体积、高可靠性和高度的自动化水平，在国内同类产品中居领先水平，在国际上也具有代表性。
  1整流装置的主要技术参数
  整流电流（系列）：220kA。
  整流电压：1220V
  理想空载直流电压：1450V
  整流机组数：4组
  单机组额定整流电流：（37000×2）A
  单机组额定直流功率：90.3MW
  整流效率：99.8％
  整流主电路连接形式：三相桥式同相逆并联连接。
  电网供电电压：220kV
  等效整流相数：单机组为等效12相整流，4机组组成等效48相，整流变压器网侧采用曲折星形和六边形移相。
  国内目前几个单系列年产8～10万吨大型电解铝项目的整流器与本项目的主要技术指标对比如表1。表中除青海铝厂一期是80年代投产的以外，其余都是90年代开始投入运行的。由此对比可见，本装置主要技术参数和性能指标的水平在同类产品中是领先的。
  　　表1

电源技术参数	平果铝厂	贵州铝厂一期	贵州铝厂三期	青海铝厂一期	青海铝厂二期	云南铝厂	青铜峡三期
单系列年产量（万吨）	10	8	8	10	10	10	14
交流电网电压（kV）	220	220	220	110	110	220	220
额定直流电压（V）	1150	680	920	1150	1150	850	1220
系列电流（kA）	160	180	160	160	160	180	220
单机组直流电流（kA）	56	68	56	56	56	68	74
机组数（个）	4	4	4	4	4	4	4
四机组运行时效率（％）			98.4机组	98.4机组	98.4机组	99.6装置	99.8装置
整流元件	晶闸管	整流管	晶闸管	整流管	整流管	整流管	整流管
机组整流管数（只）	72	192	72	144	168	144	240
整流元件规格	3750A3400V	1600A3000V	3750A3400V	1340A3200V	1100A3200V	3500A3500V	3000A5000V
制造厂商	瑞典ABB	日本富士	瑞典ABB	瑞士ABB	西门子	西整厂	西整厂

  2整流管与快速熔断器
  　　整流管是核心器件，其技术指标是保证整机技术水平的关键因素之一。3英寸高压低损耗整流管的研制成功，为开发高压大功率整流装置奠定了基础。该装置中采用的整流元件是管芯直径为3英寸的ZP3000－50整流管，其正向平均电流为IF（AV）=3000A，反向重复峰值电压URRM=5000V。
  　　快速熔断器也是装置中的重要元件。根据快熔的
  选用原则，要求快熔的额定电压UN尽可能地与使用电压（即变压器阀侧电压）UVO接近，选用RSH11－3600型的快速熔断器可以满足要求，即额定电压UN=1100V（与UVO=1073V接近），额定电流IN=3600A，并要求分断能力大于100kA。
  其它相关参数可见表2。用快熔作各并联支路整流管过流保护，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能满足这个要求。但对于多只整流管并联联接的整流电路，按有关标准规定，快熔只起隔离故障支路作用，选用RSH11－3600快熔也是可以的。若选用电流更小些的快熔，也可以降低其I2t，但这样会限制整流管能力的发挥。
  表2

参数名称	参数值
每臂并联整流管只数np(只)	10
均流系数KI	0.86
整流管电流储备系数KAI（倍）	4.4
整流管电压储备系数KAV（倍）	4.1
整流管的I2tv(A2s)	15×106
快速熔断器的I2tf(A2s)	18×106

  3损耗及整流效率
  用于电化学工业的整流装置的一个显着特点是常年不间断地连续运行，为负载提供强大的直流电能。在为负载提供直流电能的同时，整流装置自身也要消耗能量。所以整流装置的损耗△P及整流效率η是衡量电化学用整流装置技术性能优劣的两项重要指标。按照JB/T7840－1998《电化学用整流器》标准规定，额定直流电压1250V整流器，其整流效率不得低于99.6％。为了提高整流效率，必须设法降低损耗。在整流装置的各项损耗中，整流管的正向损耗是主要的，约占总损耗的80％，因此，降低整流管的正向损耗是提高整流效率的关键。降低整流管正向损耗的措施主要有两个方面：一是尽可能地减小整流管正向峰值电压；二是适当增加并联支路。按西整厂的企业内控标准，ZP3000－50整流管当峰值电流为6000A时，正向峰值电压UFM≤1.7V。每臂并联整流管只数由7只增加到10只。根据标准的规定，可以求得额定运行条件下整流装置的各项损耗如表3。
  表3

损耗的名称	数值（kW）	占总损耗的（％）
整流管的正向功率损耗P1	81.4	78.95
整流管反向损耗P2	0.62	0.60
快速熔断器损耗P3	5.9	5.72
母线损耗P4	12.2	11.83
其它损耗P5	3	2.91
总损耗△P=P1＋P2＋P3＋P4＋P5	103.1	100

  按照标准的规定，整流装置效率η=UdN×IdN/(UdN×IdN＋△P）=1220×37/（1220×37＋103.1）=99.8％，比标准规定的整流效率提高0.2％。按这样粗略计算，每年可节电4.7×106kWh，节电效果是非常明显的。
  4提高均流系数和保证均流系数稳定的措施
  随着整流管制造水平的提高和整流管管径的增大，如何把整流管用好，使同一臂内各并联支路整流管的能力得到充分发挥的问题就显得很为突出。均流系数是评价该性能的重要指标。为了提高均流系数和保证均流系数的稳定，主要采取了以下几方面措施：
  (1)整流管压装工艺改进
  　　大直径整流管与母线和散热器的接触面的接触状况直接受整流管压装工艺的影响。传统压装工艺存在的问题表现在正向伏安特性一致的整流管装于同一母线上后复测其正向压降时，其差别可以大到0.2～0.3V，从而导致接触电阻阻值分数，影响并联整流管之间的电流分配，是影响均流系数的诸因素中最难控制的因素。
  为此，必须把改进整流管压装工艺，减小压装对均流的影响作为重要控制因素。结合与国外同行合作制造的经验，采用独特的预压紧技术、工艺、工装及检测方法，使压装好后复测整流管的正向压降的变化范围控制在0.02V范围内。
  (2)主电路结构设计采用同相逆并联同轴对称结构，使交变磁场几乎完全抵消，克服交变磁场在分布电感上产生的附加感应电势对电流分配的影响。
  (3)同一整流臂上选配正向伏安特性曲线接近一致的整流管。为此在结温为两个不同的温度点上分别测出峰值电流1000A、2000A、3000A时的UFM，根据所测值按经验公式计算出一个UFM作为选配整流管的依据。
  5整流柜结构特点
  　　整流柜安装场地为户内，采用绝缘安装方式。主电路采用水－水冷却。每柜包括六组同相逆并联整流臂、电气和非电气连接结构、绝缘结构、冷却水管道和散热器、整流管压紧结构、过压保护等。
  5.1整流柜体结构特点
  　　整流柜柜体型式为双面双列结构，柜体总高度2.4m、宽3.2m、深1.2m。相对于单面单列的柜体，高度减少约0.6m，体积减少20％。设备比较紧凑，有利于整流室总高度的降低，还可减小整流管母排和快熔
  母排的损耗。
  柜壳为防磁型结构，凡可能产生局部涡流发热的部位均采用防磁材料隔断磁路。柜壳用弯板和型材焊接成整体结构，以加强机械强度，抵抗电动力的冲击振动和噪声。
  柜壳表面采用静电喷塑处理，以加强柜壳的防腐能力。
  　　柜壳防护等级按IP20设计，提高防护等级。
  5.2导电母线及电气连接结构特点
  　　为降低损耗、提高整流效率、主电路电气连接采取了下述措施：
  　　所有导电母排，散热器和连接线的材质均为紫铜材料。散热器和整流管表面镀镍，母排表面全部镀锡。安装整流管和快熔的母排为挤压成形的异形双孔母线，孔为内齿轮形，增大了母排与冷却水热交换面积、有利于降低母排热阻及整流管和快熔的温升。采用一次铸造成形的A－003铜质散热器，能防止渗水和散热器受压时产生局部变形的问题，保证与整流管接触良好、压力均匀。散热器进出水嘴孔径大（?14）、水阻小，在水流为紊流状态下，使流量达到16L/min。双面冷却，保证热阻不超过0.01℃/W，有利于提高整流管的通流能力。直流汇流母排也采用挤压成形带内孔的铜母线，不再沿用焊接散热水管的汇流母线。汇流母线与快熔双孔母线之间的连接板直接焊在汇流母线上，既减小接触损耗又提高结构强度。
  5.3先进的同相逆并联结构
  　　在应用同相逆并联技术的过程中，存在着同相逆并联的两个整流臂之间的距离和绝缘之间的矛盾。对于这种高电压大电流整流器，问题尤为突出。为此专门研制了一种复合结构的绝缘套管，在不多占用空间的条件下能有效地增大爬电距离。同相逆变两臂之间通过该绝缘套管用高强度螺栓牢固地连成一体，使之具有足够的机械强度。而两臂之间的空间又用不小于10mm厚的绝缘板隔离，可有效地防止异物掉落到两臂之间。主电路全部按对称结构设计，最大限度地使其磁场分布相互抵消。这样可以保证：
  （1）同相逆并联的两整流臂之间的直线距离控制在20mm以内，对消除大电流交变磁场的危害效果显着。这一距离是国内其它厂家同类装置的一半。
  （2）最短爬电距离不小于50mm，实际耐压强度不小于10kV。
  （3）同相逆并联的两整流臂之间的连接结构具有足够的机械强度，以抗拒电动斥力的冲击，也减小振动噪声。
  5.4冷却水路特点
  　　水路管道尽可能地增大其内径，增大水的流量，降低水的流速，使管内的水流呈紊流状态，有利于热交换。
  总汇流水管和管接头用不锈钢管制造，可减小管壁腐蚀对水质的影响。导电母排上的管接头用紫铜棒加工而成，由于各母排间电位不同，在高压直流电的作用下，电化学腐蚀是不可避免的，为此在水支路汇流到总汇流水管时,将接到各母线上的水管按正、负极分别汇流，使之处于同一电位，减缓电化学腐蚀。
  5.5绝缘结构设计
  　　对于直流电压达1220V的整流柜，主电路对柜壳的耐压强度按4000V（工频电压）设计。整流管外壳厚度35mm，35mm厚的管壳耐压强度可达到8000V（工频电压）。整流管压紧机构采用双重绝缘，正常情况下压板上是不带电的，对安全有利。运行时也可以紧固整流管的压紧螺栓。
  6自动控制系统
  　　整个自动控制系统是参照国外公司提供的同类模式，并结合青铜峡铝厂的实际情况进行设计和配置的。并要求其自动化程度、技术水平达到国外公司同类系统的相应水平。该系统以PLC为核心，配以工控机作终端，自动控制系统框图见图1。所有信号，包括故障、保护和控制信号均由PLC和工控机进行监视和控制。该系统具有数据采集、过程控制、报警、图形数据显示、统计报表打印等功能，适合大型整流电源系统使用。
  　　由4（各机组PLC）＋1（总PLC）和工控机（上位机）组成的自动监控系统，其监控范围包括整流设备（调压变压器＋整流变压器＋整流装置）及其辅机。工控机和总PLC可以通过各机组的PLC完成对整流设备及其辅机的运行状态监视、调整、控制和有关数据的采集。自动控制系统的操作方法和操作程序需要变动时，用户可以根据实际情况，通过修改上、下位机控制程序（软件）作相应的调整。
  7稳流控制电路特点
  　　现在大型铝电解厂均采用了槽控技术，以进一步提高铝电解生产的综合技术经济指标。槽控技术要求自动稳流装置能高精度地保持电解槽电流瞬时值的恒定。晶闸管整流装置在稳流精度和响应速度方面能
  满足槽控技术的要求。二极管整流装置的稳流控制系统的执行机构是自饱和电抗器和有载调压开关（简称OLCT），为使其接近晶闸管自动稳流装置的水平，其自动稳流系统的设计具有以下几点特点：
  （1）给每个整流机组配置的控制柜中都有一套独立的自动闭环调节或手动开环调节电流的单元和位移绕组调节电源。可以独立调节每个整流机组的输出电流和饱和电抗器的设定工作点。避免各机组之间饱和电抗器B－H特性的分散性和整流变压器输出电压及阻抗不完全相等对饱和电抗器线性调压范围的影响，同时也增加了调节的灵活性。
  （2）输入电流调节器的电流反馈信号分别取自本机组直流侧的直流电流检测装置（DCCT）和整流变一次侧的交流电流互感器（ACCT）。二者之间可以在线切换，当其中一路出现故障时，另一路会自动投入，以防止反馈电流信号丢失带来的严重后果。
  （3）控制柜内的电流调节器是用模拟电路组成的无静差比例积分（PI）调节器。其电流给定信号取自分调电位器或PLC给出的给定信号。PLC中的数字调节器和控制柜中的模拟调节器也可以在线切换。
  （4）饱和电抗器控制绕组和位移绕组的直流电源都是经过了滤波的单相整流电源，简单可靠。回路中串联有足够大电感的平波电抗器，可以实现强制激磁。
  （5）设有饱和电抗器线性工作区（即上、下饱和点）的检测环节。检测饱和电抗器的工作点所在区段，并发出升降OLCT挡位的请求信号。
  （6）电流调节器采用无静差的PI调节器，比例大小和积分时间长短能分别调节，可获得高的稳流精度和快响应速度。
  
  图1自动化监控系统框图