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(shù)參數和結構設計，以求達
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/179880.htm到高效率、低損耗、小體積、高可靠性等要求。
關(guān)鍵詞：超大功率整流器鋁電解自動(dòng)穩流技術(shù)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
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、高穩定度、高效率一直是用戶(hù)十分關(guān)注的問(wèn)題。這篇文章的理論性及實(shí)用性均較好，特此推薦，值得從事超大功率電化學(xué)整流器的設計者和使用者一讀。
青銅峽鋁廠(chǎng)三期工程是我國目前規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(wàn)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。國內現已建成投運的最大電解鋁生產(chǎn)線(xiàn)單系列年產(chǎn)是10萬(wàn)噸的規模，除最近投運的云南鋁廠(chǎng)采用國產(chǎn)設備外，其余8～10萬(wàn)噸級電解鋁工程均采用國外引進(jìn)設備。對于系列電流達220kA、電壓為1220V年產(chǎn)量14萬(wàn)噸電解鋁的超大功率整流電源設備的研制，其主要技術(shù)特點(diǎn)是要求達到高效率、低損耗、小體積、高可靠性和高度的自動(dòng)化水平，在國內同類(lèi)產(chǎn)品中居領(lǐng)先水平，在國際上也具有代表性。
1整流裝置的主要技術(shù)參數
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：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：?jiǎn)螜C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。
國內目前幾個(gè)單系列年產(chǎn)8～10萬(wàn)噸大型電解鋁項目的整流器與本項目的主要技術(shù)指標對比如表1。表中除青海鋁廠(chǎng)一期是80年代投產(chǎn)的以外，其余都是90年代開(kāi)始投入運行的。由此對比可見(jiàn)，本裝置主要技術(shù)參數和性能指標的水平在同類(lèi)產(chǎn)品中是領(lǐng)先的。
表1
電源技術(shù)參數 | 平果鋁廠(chǎng) | 貴州鋁廠(chǎng)一期 | 貴州鋁廠(chǎng)三期 | 青海鋁廠(chǎng)一期 | 青海鋁廠(chǎng)二期 | 云南鋁廠(chǎng) | 青銅峽三期 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
單系列年產(chǎn)量（萬(wàn)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（個(gè)） | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
四機組運行時(shí)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（只） | 72 | 192 | 72 | 144 | 168 | 144 | 240 |
整流元件規格 | 3750A3400V | 1600A3000V | 3750A3400V | 1340A3200V | 1100A3200V | 3500A3500V | 3000A5000V |
制造廠(chǎng)商 | 瑞典ABB | 日本富士 | 瑞典ABB | 瑞士ABB | 西門(mén)子 | 西整廠(chǎng) | 西整廠(chǎng) |
2整流管與快速熔斷器
整流管是核心器件，其技術(shù)指標是保證整機技術(shù)水平的關(guān)鍵因素之一。3英寸高壓低損耗整流管的研制成功，為開(kāi)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(mǎn)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(guān)參數可見(jiàn)表2。用快熔作各并聯(lián)支路整流管過(guò)流保護，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能滿(mǎn)足這個(gè)要求。但對于多只整流管并聯(lián)聯(lián)接的整流電路，按有關(guān)標準規定，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(huì )限制整流管能力的發(fā)揮。
表2
參數名稱(chēng) | 參數值 |
|---|---|
每臂并聯(lián)整流管只數np(只) | 10 |
均流系數KI | 0.86 |
整流管電流儲備系數KAI（倍） | 4.4 |
整流管電壓儲備系數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(xué)工業(yè)的整流裝置的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是常年不間斷地連續運行，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(shí)，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(xué)用整流裝置技術(shù)性能優(yōu)劣的兩項重要指標。按照JB/T7840－1998《電化學(xué)用整流器》標準規定，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(guān)鍵。降低整流管正向損耗的措施主要有兩個(gè)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(chǎng)的企業(yè)內控標準，ZP3000－50整流管當峰值電流為6000A時(shí)，正向峰值電壓UFM≤1.7V。每臂并聯(lián)整流管只數由7只增加到10只。根據標準的規定，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(chēng) | 數值（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(xiàn)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％，比標準規定的整流效率提高0.2％。按這樣粗略計算，每年可節電4.7×106kWh，節電效果是非常明顯的。
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