用國產整流設備替換進口整流設備的技術對比與

2020-12-08 電子產品世界

1 引言

近年來，我國電解鋁工業得到了前所未有的迅猛發展，這不僅給我國整流電源設備製造行業帶來了發展的機遇，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，不僅在價格上佔有優勢，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運行，給電解槽穩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誌。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並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，所需並聯機組個數越少，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

名稱 年產量/kt 系列電流/kA 系列電壓/V 機組個數 機組電流/kA 機組電壓/V 器件選擇 快熔選擇
青銅峽鋁業 250 350 1250 6 38×2 1250 進口 國產
雲南鋁業 250 350 1300 6 38×2 1300 進口 進口
河南中孚鋁業 240 320 1300 6 35×2 1300 進口 國產
東方希望鋁業 240 320 1300 6 35×2 1300 進口 國產
山西關鋁鋁業 200 300 1200 6 32×2 1200 進口 國產
信發希望鋁業 140 250 1000 4 43×2 1000 進口 國產
廣元啟明星鋁業 200 320 860 5 42×2 860 進口 國產
山東華信鋁業 140 250 1050 4 43×2 1050 進口 國產
山西華澤鋁業 140 320 1200 6 32×2 1200 進口 進口
山東鄒平鋁業 80 250 600 4 43×2 600 進口 國產
山東澳伸鋁業 150 250 1050 4 43×2 1050 進口 國產
中鋁青海鋁業 100 160 1200 4 33×2 1200 進口 進口

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年生產電化學用矽整流設備以來，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的整流機組並聯供電。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，與後來國內其他各廠從德國西門子，瑞典ASEA，法國西吉萊克，義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生直流側短路。不僅如此，其母線結構的整體性和動態穩定性也非常優越。然而，經過十多年的運行證明，該整流裝置的優點是以增加整流變壓器的製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）自飽和電抗器調壓範圍不夠，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

由於BBC當時是第一次製造這麼大容量的整流變壓器，對於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，結構非常複雜，因此，不得不過多地採用軟連接，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，局部渦流發熱和對自飽和電抗性能的影響就很突出，以致於超出允許範圍，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。並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，由於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，各製造廠商都有針對性地採取了各種各樣的專門措施。由於採取的措施不一樣，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：一種是全部採用非導磁材料做結構件；另一種是採用同軸式結構；再一種就是採用同相逆並聯結構。三者之間的主要優缺點對比如表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

項目 非導磁材料結構 同軸式結構 同相逆並聯結構
主電路連接圖 圖1 圖3 圖5
基本結構示意圖 圖2 圖4 圖6
代表性廠商 ABB和德國西門子 法國阿爾斯通和西吉萊克 日本富士和中國各廠家
消除閥側交變磁場引起局部渦流發熱的原理 採用非導磁材料構件以避免母線周圍構件發熱 採用同軸結構使交變磁場相互抵消避免渦流發熱 採用同相逆並聯結構使交變磁場相互抵消避免渦流發熱
消除整流裝置渦流發熱的實際效果 差 一般 好
消除變壓器渦流發熱的實際效果 差 差 好
功率因數 低 一般 高
對均流的影響 大 中 小
對絕緣結構要求 一般 高 高
整流裝置結構的相對複雜程度 簡單 複雜 一般

2.2.1 全部採用非導磁材料

以ABB和西門子為代表的大部分廠商，採取的措施是從選材入手。在整流裝置內部及其周圍儘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，這種方式對於消除大電流交變磁場負面影響只是一種治標的辦法，實際效果並不理想，限制了單機組電流的繼續增大。

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，然後經連接母排匯接到後面的直流母線框上。

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律，交變磁場的大部分能夠被抵消。但是，直流母線框後面去整流變壓器一段的交變磁場不能被抵消。

採用同軸結構，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英寸整流二極體採用單面水冷卻，將4英寸器件當3英寸器件使用。這樣，有利於減小整流裝置損耗，簡化水路結構。但設備造價要相應地提高。

2.2.3 同相逆並聯結構

同相逆並聯結構方式是日本富士電機及中國各主要整流器製造廠家普遍採用的結構方式。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 三相橋式同相逆並聯整流主電路連接原理圖

圖6 同相逆並聯整流臂電流流向和磁場分布示意圖

同相逆並聯技術的應用始於上世紀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。

採用同相逆並聯技術，必須處理好兩個同相逆並聯連接的整流臂之間絕緣問題，以防止發生短路故障。經過不斷地研究和改進，現在這個問題已經得到了解決，不再是影響同相逆並聯技術應用的障礙。如果不受快熔分斷能力的限制，採用同相逆並聯結構繼續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於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，用於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

參數名稱 4英寸二極體 4英寸晶閘管 5英寸電觸發晶閘管 5英寸光觸發晶閘管
管芯直徑/mm 100 100 125 125
正向（通態）平均電流/A 3400～7400 2700～4500 3000 3000
反向（斷態）重複峰壓/V 1200～6500 1200～5200 6800～7800 8000
主要生產供應商 株洲機車所ABB 西電所英國西碼 西電所ABB 德國EUPEC
　

3.1.2 國內外整流器件技術參數對比

一般情況下，採用4英寸器件，其電流、電壓等級選擇範圍比較寬，每個整流臂並聯4～6隻就能滿足要求。對於需要多器件並聯的同類整流裝置而言，4～6隻並聯是最合理的選擇。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英寸二極體為例，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用於中鋁青海分公司一期工程的2英寸二極體（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

符號 參數名稱 單位 參數值
BBC ABB 國產
　 管芯直徑 mm 50 100 100
IF（AV） 正向平均電流 A 2410 4680 4200
IFSM 正向不重複流湧電流 kA 31 73 55
I2t 浪湧電流平方時間積 106A2·s 4.8 26.6 15.1
I2tc 管殼不破裂的電流平方時間積 106A2·s 　 85 　
VRRM 反向重複峰值電壓 V 2900 5000 5000
VFM 正向峰值電壓 V 　 1.33 1.49
ΔVF 正向峰值壓降分散性 mV 　 ±10 ±100
rF 斜率電阻 mΩ 0.15 0.112 0.082
V(FO) 門檻電壓 V 0.85 0.77 1.08
Rjc 結殼直流熱阻 K/kW 15 5.7 6.0
Tj 內部等效結溫 ℃ 160 150 150
F 緊固力 kN 21 90 90

由表4可見，國產器件和國外器件相比，儘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）進口器件的浪湧電流大，其較強的抗短路衝擊能力，有利於合理選配快速熔斷器。

3）進口器件通態電壓分散性小、一致性好，斜率電阻大、門檻電壓低，有利於均流和保持均流穩定。

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必須小於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英寸二極體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必須小於這個值。

2）要求快速熔斷器的極限分斷電流必須大於故障（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於186kA。如果快熔分斷能力達不到這個要求，有可能發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並聯整流器件的浪湧電流平方時間積（即每個器件的I2t）之和必須大於與器件串聯的快熔的I2t。按圖7所示電路，查表4和表5，3隻ABB器件（4680A/5000V）的I2t之和26.6×3=79.8MA2·s大於一個Bussmann快熔（4500A/1100V）的I2t=67.5MA2·s。因此，要求每個臂的並聯元件數不得少於3隻。

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

型號 額定電壓/V 額定電流/A 結構 熔斷I2t/MA2·s 極限分斷能力/kA 製造商
RS4－1100/3600 1100 3600 單體 22.8 230 西整二分廠
RS8－1250/5000 1250 5000 雙體 60.2 230 西整二分廠
RS8－1250/4500 1250 4500 單體 49.8 205 西整二分廠
5SBKN/115 1100 5000 單體 93.0 197 Bussmann
5SBKN/115 1100 4500 單體 67.5 197 Bussmann
5SBKN/130 1300 3000 單體 27.5 197 Bussmann
　 1250 4000 雙體 47.0 220 FERRAZ

　

4）按標準要求，當直流側發生故障短路時，要求整流櫃裡的整流器件和快速熔斷器在高壓開關跳閘之前不得損壞，能夠承受持續時間不小於2s的直流側短路衝擊。

按照器件供應商（ABB和株洲所）提供的資料，二極體整流器件在時間不超過2s（即100個周波）以內，允許通過約5倍的浪湧電流。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於3倍的安全裕量，至少有不小於10倍以上的抗短路過流能力。對於10kV以上的供電電網，調壓整流變壓器的總短路阻抗，一般不小於12.5％，最大的直流短路電流在8倍以下。所以，當直流側發生故障短路時，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 替換前後機組技術參數的對比

替換前後整流機組的主要技術參數對比見表6。按照要求替換之後，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

序號 名稱 技術參數
國產新機組 進口舊機組
1 額定直流電流IdN/A 28000×2 28000×2
2 額定直流電壓UdN/V 1150 1150
3 理想空載直流電壓Udio/V 1315 1315
4 整流器件只數 48×2 72×2
5 整流器件型號 5SDD50N5000 DSA1208－29A
5.1 管芯直徑 Φ100 Φ50
5.2 正向平均直流IFAVM/A 4680 2410
5.3 反向重複峰值電壓URRM/V 4500 2900
5.4 斜率電阻/mΩ 0.112 0.15
5.5 門坎電壓VTO/V 0.77 0.85
5.6 運行時正向峰值壓降UFM/V 1.16 1.20
5.7 結殼直流熱阻/(K/kW) 5.7 15
5.8 器件浪湧電流IFSM/kA 73 31
6 通過器件的平均電流IT/A 1167 778
7 通過器件的峰值電流ITM/A 3500 2333
8 器件正向功率損耗/W 1353 933
9 正常運行時器件結溫溫升ΔTj/℃ 7.8 16.0
10 器件正向總功率損耗/kW 130 135
11 快熔型號 5BKN/115 法國FERRAZ
11.1 額定電壓UR/V 1100 1000
11.2 額定電流IRN/A 4500 800×3
11.3 快熔分斷能力/kA 197 　
11.4 熔斷I2t/MA2·s 67.5 　
11.5 快熔結構 單體 三並
12 整流變壓器閥側電壓UVO/V 974 974
13 器件電流儲備係數KAI 4.06 3.14
14 器件電壓儲備係數KVA 3.80 2.45
15 整流效率η/％ 99.7 　
16 同臂中器件均流係數KI 0.85 0.82以上
17 整流櫃外形尺寸（寬×深×高）/m 3.4×1.2×2.6 　
18 冷卻水量/(m3/h) 26 　
19 整流櫃進出水溫差Δt/℃ ≤3.5 　
20 噪聲/dB ≤70 　

　

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,其中以同相逆並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。

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    整流電路的諧波和功率因數隨著電力電子技術的發展，其應用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive無功的危害：a 導致設備容量增加。b 使設備和線路的損耗增加。c 線路壓降增大，衝擊性負載使電壓劇烈波動。諧波的危害：a 降低設備的效率。b 影響用電設備的正常工作。c 引起電網局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。d 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。
  • 整流橋-橋式整流工作原理
    本文介紹了整流橋-橋式整流工作原理本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201601/285596.htm　　整流橋
  • 整流二極體的整流功能
    什麼是整流二極體？首先整流二極體根據自身特性可構成整流電路，將原本交變的交流電壓信號整流成同相脈動的直流電壓信號，變換後的波形小於變換前的波形。整流二極體的整流作用利用的是二極體單向導通，反向截止的特性。
  • 18脈波H級絕緣乾式整流變壓器
    1 引言本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/186932.htm　　工業用的直流電源大部分都是由交流電網通過整流變壓器與整流器所組成的整流設備而得到的整流變壓器的作用是將交流電網電壓變換成整流裝置所需要的電壓，並通過相數和相位角的變換，改善交流和直流側的運行特性。整流變壓器可將整流設備與電網電路隔離開來，確保設備的安全，並且限制短路電流，減少整流設備對電網和其他並聯運行整流設備相互間的電磁幹擾，抑制晶閘管等整流元件的電流上升率。　　由於乾式變壓器的無油汙染問題，防潮、耐熱、阻燃、防腐蝕等特性，廣泛應用於工業、生活的各個方面。
  • 全波整流和橋式整流的特點與區別
    一、全波整流電路和橋式整流電路的特點1、全波整流電路的特點如下：（1）使用的整流器件較半波整流時多一倍。
  • 整流濾波電壓及整流電流的波形圖詳解
    (3)為降低開關電源中500kHz以下的傳導噪聲，有時用兩隻普通矽整流管(例如1N4007) 與兩隻快恢復二極體(如FR106)組成整流橋，FRl06的反向恢復時間trr≈250ns。全波橋式整流器簡稱矽整流橋，它是將四隻矽整流管接成橋路形式，再用塑料封裝而成的半導體器件。它具有體積小、使用方便、各整流管的參數一致性好等優點，可廣泛用於開關電源的整流電路。矽整流橋有4個引出端，其中交流輸入端、直流輸出端各兩個。 矽整流橋的最大整流電流平均值分0.5～40A等多種規格，最高反向工作電壓有50～1000V等多種規格。
  • 整流二極體損壞的原因有哪些?
    值班運行人員工作不負責任，對外界負荷的變化（特別是在深夜零點至第二天上午6點之間）不了解，或是當外界發生了甩負荷故障，運行人員沒有及時進行相應的操作處理，產生過電壓而將整流管擊穿損壞。（4）設備安裝或製造質量不過關。