電解鋁用超大功率整流器的設計
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摘要：主要介紹電解鋁用220kA、1220V、ZHS型超大功率整流器的技術參數(shù)和結構設計，以求達
本文引用地址：http://2s4d.com/article/179880.htm到高效率、低損耗、小體積、高可靠性等要求。
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
電解鋁用超大功率整流器，由于其高電壓、強電流以及電解鋁的工藝要求，如何使其達到高可靠性、高穩(wěn)定度、高效率一直是用戶十分關注的問題。這篇文章的理論性及實用性均較好，特此推薦，值得從事超大功率電化學整流器的設計者和使用者一讀。
青銅峽鋁廠三期工程是我國目前規(guī)模最大的電解鋁在建項目。建成后，單系列年產(chǎn)鋁將達到14萬噸，也是當前世界上最大的電解鋁工程之一。其整流電源全部采用國產(chǎn)設備。國內(nèi)現(xiàn)已建成投運的最大電解鋁生產(chǎn)線單系列年產(chǎn)是10萬噸的規(guī)模，除最近投運的云南鋁廠采用國產(chǎn)設備外，其余8～10萬噸級電解鋁工程均采用國外引進設備。對于系列電流達220kA、電壓為1220V年產(chǎn)量14萬噸電解鋁的超大功率整流電源設備的研制，其主要技術特點是要求達到高效率、低損耗、小體積、高可靠性和高度的自動化水平，在國內(nèi)同類產(chǎn)品中居領先水平，在國際上也具有代表性。
1整流裝置的主要技術參數(shù)
整流電流（系列）：220kA。
整流電壓：1220V
理想空載直流電壓：1450V
整流機組數(shù)：4組
單機組額定整流電流：（37000×2）A
單機組額定直流功率：90.3MW
整流效率：99.8％
整流主電路連接形式：三相橋式同相逆并聯(lián)連接。
電網(wǎng)供電電壓：220kV
等效整流相數(shù)：單機組為等效12相整流，4機組組成等效48相，整流變壓器網(wǎng)側采用曲折星形和六邊形移相。
國內(nèi)目前幾個單系列年產(chǎn)8～10萬噸大型電解鋁項目的整流器與本項目的主要技術指標對比如表1。表中除青海鋁廠一期是80年代投產(chǎn)的以外，其余都是90年代開始投入運行的。由此對比可見，本裝置主要技術參數(shù)和性能指標的水平在同類產(chǎn)品中是領先的。
表1
電源技術參數(shù) | 平果鋁廠 | 貴州鋁廠一期 | 貴州鋁廠三期 | 青海鋁廠一期 | 青海鋁廠二期 | 云南鋁廠 | 青銅峽三期 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
單系列年產(chǎn)量（萬噸） | 10 | 8 | 8 | 10 | 10 | 10 | 14 |
交流電網(wǎng)電壓（kV） | 220 | 220 | 220 | 110 | 110 | 220 | 220 |
額定直流電壓（V） | 1150 | 680 | 920 | 1150 | 1150 | 850 | 1220 |
系列電流（kA） | 160 | 180 | 160 | 160 | 160 | 180 | 220 |
單機組直流電流（kA） | 56 | 68 | 56 | 56 | 56 | 68 | 74 |
機組數(shù)（個） | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
四機組運行時效率（％） |
|
| 98.4機組 | 98.4機組 | 98.4機組 | 99.6裝置 | 99.8裝置 |
整流元件 | 晶閘管 | 整流管 | 晶閘管 | 整流管 | 整流管 | 整流管 | 整流管 |
機組整流管數(shù)（只） | 72 | 192 | 72 | 144 | 168 | 144 | 240 |
整流元件規(guī)格 | 3750A3400V | 1600A3000V | 3750A3400V | 1340A3200V | 1100A3200V | 3500A3500V | 3000A5000V |
制造廠商 | 瑞典ABB | 日本富士 | 瑞典ABB | 瑞士ABB | 西門子 | 西整廠 | 西整廠 |
2整流管與快速熔斷器
整流管是核心器件，其技術指標是保證整機技術水平的關鍵因素之一。3英寸高壓低損耗整流管的研制成功，為開發(fā)高壓大功率整流裝置奠定了基礎。該裝置中采用的整流元件是管芯直徑為3英寸的ZP3000－50整流管，其正向平均電流為IF（AV）=3000A，反向重復峰值電壓URRM=5000V。
快速熔斷器也是裝置中的重要元件。根據(jù)快熔的
選用原則，要求快熔的額定電壓UN盡可能地與使用電壓（即變壓器閥側電壓）UVO接近，選用RSH11－3600型的快速熔斷器可以滿足要求，即額定電壓UN=1100V（與UVO=1073V接近），額定電流IN=3600A，并要求分斷能力大于100kA。
其它相關參數(shù)可見表2。用快熔作各并聯(lián)支路整流管過流保護，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能滿足這個要求。但對于多只整流管并聯(lián)聯(lián)接的整流電路，按有關標準規(guī)定，快熔只起隔離故障支路作用，選用RSH11－3600快熔也是可以的。若選用電流更小些的快熔，也可以降低其I2t，但這樣會限制整流管能力的發(fā)揮。
表2
參數(shù)名稱 | 參數(shù)值 |
|---|---|
每臂并聯(lián)整流管只數(shù)np(只) | 10 |
均流系數(shù)KI | 0.86 |
整流管電流儲備系數(shù)KAI（倍） | 4.4 |
整流管電壓儲備系數(shù)KAV（倍） | 4.1 |
整流管的I2tv(A2s) | 15×106 |
快速熔斷器的I2tf(A2s) | 18×106 |
3損耗及整流效率
用于電化學工業(yè)的整流裝置的一個顯著特點是常年不間斷地連續(xù)運行，為負載提供強大的直流電能。在為負載提供直流電能的同時，整流裝置自身也要消耗能量。所以整流裝置的損耗△P及整流效率η是衡量電化學用整流裝置技術性能優(yōu)劣的兩項重要指標。按照JB/T7840－1998《電化學用整流器》標準規(guī)定，額定直流電壓1250V整流器，其整流效率不得低于99.6％。為了提高整流效率，必須設法降低損耗。在整流裝置的各項損耗中，整流管的正向損耗是主要的，約占總損耗的80％，因此，降低整流管的正向損耗是提高整流效率的關鍵。降低整流管正向損耗的措施主要有兩個方面：一是盡可能地減小整流管正向峰值電壓；二是適當增加并聯(lián)支路。按西整廠的企業(yè)內(nèi)控標準，ZP3000－50整流管當峰值電流為6000A時，正向峰值電壓UFM≤1.7V。每臂并聯(lián)整流管只數(shù)由7只增加到10只。根據(jù)標準的規(guī)定，可以求得額定運行條件下整流裝置的各項損耗如表3。
表3
損耗的名稱 | 數(shù)值（kW） | 占總損耗的（％） |
|---|---|---|
整流管的正向功率損耗P1 | 81.4 | 78.95 |
整流管反向損耗P2 | 0.62 | 0.60 |
快速熔斷器損耗P3 | 5.9 | 5.72 |
母線損耗P4 | 12.2 | 11.83 |
其它損耗P5 | 3 | 2.91 |
總損耗△P=P1＋P2＋P3＋P4＋P5 | 103.1 | 100 |
按照標準的規(guī)定，整流裝置效率η=UdN×IdN/(UdN×IdN＋△P）=1220×37/（1220×37＋103.1）=99.8％，比標準規(guī)定的整流效率提高0.2％。按這樣粗略計算，每年可節(jié)電4.7×106kWh，節(jié)電效果是非常明顯的。
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