電解鋁用超大功率整流器的設計
加入技術交流群
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和結構設計，以求達
本文引用地址：http://www.104case.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模最大的電解鋁在建項目。建成后，單系列年產鋁將達到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設備。國內現已建成投運的最大電解鋁生產線單系列年產是10萬噸的規模，除最近投運的云南鋁廠采用國產設備外，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，在國內同類產品中居領先水平，在國際上也具有代表性。
1整流裝置的主要技術參數
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連接。
電網供電電壓：220kV
等效整流相數：單機組為等效12相整流，4機組組成等效48相，整流變壓器網側采用曲折星形和六邊形移相。
國內目前幾個單系列年產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和性能指標的水平在同類產品中是領先的。
表1
電源技術參數 | 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 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
單系列年產量（萬噸） | 10 | 8 | 8 | 10 | 10 | 10 | 14 |
交流電網電壓（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） | 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（只） | 72 | 192 | 72 | 144 | 168 | 144 | 240 |
整流元件規格 | 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。
其它相關參數可見表2。用快熔作各并聯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聯接的整流電路，按有關標準規定，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，但這樣會限制整流管能力的發揮。
表2
參數名稱 | 參數值 |
|---|---|
每臂并聯整流管只數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
用于電化學工業的整流裝置的一個顯著特點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，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劣的兩項重要指標。按照JB/T7840－1998《電化學用整流器》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；二是適當增加并聯支路。按西整廠的企業內控標準，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 | 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。
評論