大功率整流器中快速熔斷器的選型

摘要：說明了作為大功率整流器中整流管或晶閘管的短路保護(hù)元件——快速熔斷器的選型與參數(shù)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：整流器；快速熔斷器；短路保護(hù)

快速熔斷器在大功率整流器中與整流管或晶閘管串聯(lián)連接，作為對(duì)整流器件短路故障的保護(hù)元件。當(dāng)整流器件發(fā)生反向擊穿故障時(shí)，快速熔斷器快速分?jǐn)喙收现返亩搪冯娏?，保護(hù)整流器免受故障短路電流的危害。

1 大功率整流器的特點(diǎn)

大功率整流器可以電解鋁用整流器為代表，在我國隨著單個(gè)電解槽產(chǎn)量的提高，電解鋁的年產(chǎn)量已由100kt增加到140kt，于是槽電壓已由800V提高到1200V，槽電流已由160kA增至280kA，相應(yīng)的整流變壓器容量已提高到75～100MVA。單臺(tái)輸出電流高達(dá)50～75kA的整流器，對(duì)整流管、快速熔斷器也提出了更高的技術(shù)要求。

圖1為年產(chǎn)140kt電解鋁用直流系統(tǒng)圖，它由四組整流機(jī)組并聯(lián)組成，其中一組為備用。每組整流變壓器容量2×54.99MVA，向二臺(tái)1220V、37kA整流裝置供電。整流器采用三相橋式同相逆并聯(lián)電路，每橋臂由4只ZP-4800V/4500A整流管并聯(lián)組成，下面討論如何選用合適的快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。

圖1 整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 快速熔斷器的選用

2.1 熔斷器的額定電壓U_NF

U_NF值應(yīng)稍大于熔斷器熔斷后兩端出現(xiàn)的外加電壓穩(wěn)態(tài)最大有效值。對(duì)數(shù)臺(tái)整流器并聯(lián)運(yùn)行的直流供電系統(tǒng)，當(dāng)其中某一橋臂短路時(shí)，或逆變器中發(fā)生橋臂直通故障時(shí)，施加在熔斷器二端的電壓為交流電壓U_VO與部分直流電壓U_do之和，可按下式計(jì)算^[1]：

U_NF>（三相橋式電路）

或U_NF>（雙反星形電路）

圖1中整流變壓器閥側(cè)電壓1050V，可選用1200V電壓等級(jí)的快速熔斷器。

2.2 熔斷器的額定電流I_NF

I_NF的選用應(yīng)以整流電路中實(shí)際流過熔斷器的電流有效值I_F為基礎(chǔ)，并考慮環(huán)境溫度（系數(shù)k_a），冷卻條件（系數(shù)k_T），電流裕度（系數(shù)k_I）等因素影響進(jìn)行計(jì)算，而不是按與熔斷器串聯(lián)的半導(dǎo)體器件的通態(tài)電流平均值轉(zhuǎn)化成有效值來計(jì)算。當(dāng)流過熔斷器的電流是脈沖波形時(shí)，應(yīng)計(jì)算相應(yīng)的有效值，而不是取其最大值。

I_NF≥I_F·k_a·k_T·k_I≥k·I_F

式中：k值一般可取1.5～2。對(duì)自冷式熔斷器，k取較大值，尤其對(duì)熔斷器兩端連接導(dǎo)線特別短的電路結(jié)構(gòu)，需取最大值；對(duì)水冷式熔斷器k取較小值。快速熔斷器選用的額定電流過大，勢(shì)必增加熔斷器的I²t_F值，對(duì)半導(dǎo)體器件的保護(hù)是有害的。

圖1中每個(gè)整流橋臂有4個(gè)整流管并聯(lián)工作，當(dāng)均流系數(shù)按09考慮時(shí)，則流過熔斷器中的最大電流的有效值為

I_Fmax=·I_d/2(0.9×3×4)=2970A

由于大電流快速熔斷器采用水冷式結(jié)構(gòu)，因此它的額定電流可選用I_NF=1.5I_Fmax≈4500A。當(dāng)橋臂中一個(gè)整流管損壞后，流過熔斷器的電流增加到3960A，仍可保證整流器額定電流的輸出。

2.3 I²t值的核算

當(dāng)半導(dǎo)體器件與快速熔斷器串聯(lián)工作時(shí)，半導(dǎo)體器件允許通過的I²t_D值應(yīng)大于快速熔斷器的I²t_F值，不然熔斷器熔斷時(shí)，器件也被燒損。二者關(guān)系可按下式計(jì)算

I²t_F≤0.9I²t_D