用国产整流设备替换进口整流设备的技术对比与分析
何耀贵1，黄大华2
(1中国铝业公司青海分公司，青海 大通 810108）
(2西安西电整流器有限责任公司，陕西 西安 710077）
1 引言
近年来，我国电解铝工业得到了前所未有的迅猛发展，这不仅给我国整流电源设备制造行业带来了发展的机遇，而且也促进了我国电化学用整流电源设备技术水平的提高。目前，国产电解铝用超高功率整流电源设备与国外同类产品相比，不仅在价格上占有优势，而且在技术水平的提高上也是非常显著的。
整流电源设备是电解铝生产的关键设备之一，其主要特点是输出功率非常大，必须能常年不间断地连续运行，给电解槽稳定地提供强大的直流电流。就其技术进步和技术先进性而言，主要体现在输出功率大小，损耗与效率，可靠性，自动化程度等几个方面。
现在，即使是单系列年产250kt以上的电解铝工程所需要的整流电源设备已不再依赖国外进口，这是国产设备技术经济指标全面提高的重要标志。从中铝青海分公司一电解用国产整流设备替换进口整流设备的实践说明，用现在的国产整流设备替换过去进口的整流设备已完全具备条件。
2 整流主电路连接结构问题
一个电解铝系列的设计年产量是确定并联整流机组个数和单机组功率的基本依据。单个整流机组输出功率越大，所需并联机组个数越少，便可相对降低电源设备的投资。据不完全统计，目前国内在建的大型电解铝工程的主要技术数据如表1所列。
由表1可见，现在单机组直流输出功率最大已达到1300×38×2×103=98.8MW。实践证明，再进一步增大单机组直流输出功率，除受到整流器件电压等级和快速熔断器极限分断能力的限制之外，还受到整流变压器和整流器连接结构的制约。下面就三种有代表性的整流主电路连接方式进行对比分析。
表1 国内目前在建的大型电解铝工程主要技术数据
| 名称
| 年产量/kt
| 系列电流/kA
| 系列电压/V
| 机组个数
| 机组电流/kA
| 机组电压/V
| 器件选择
| 快熔选择
|
| 青铜峡铝业
| 250
| 350
| 1250
| 6
| 38×2
| 1250
| 进口
| 国产
|
| 云南铝业
| 250
| 350
| 1300
| 6
| 38×2
| 1300
| 进口
| 进口
|
| 河南中孚铝业
| 240
| 320
| 1300
| 6
| 35×2
| 1300
| 进口
| 国产
|
| 东方希望铝业
| 240
| 320
| 1300
| 6
| 35×2
| 1300
| 进口
| 国产
|
| 山西关铝铝业
| 200
| 300
| 1200
| 6
| 32×2
| 1200
| 进口
| 国产
|
| 信发希望铝业
| 140
| 250
| 1000
| 4
| 43×2
| 1000
| 进口
| 国产
|
| 广元启明星铝业
| 200
| 320
| 860
| 5
| 42×2
| 860
| 进口
| 国产
|
| 山东华信铝业
| 140
| 250
| 1050
| 4
| 43×2
| 1050
| 进口
| 国产
|
| 山西华泽铝业
| 140
| 320
| 1200
| 6
| 32×2
| 1200
| 进口
| 进口
|
| 山东邹平铝业
| 80
| 250
| 600
| 4
| 43×2
| 600
| 进口
| 国产
|
| 山东澳伸铝业
| 150
| 250
| 1050
| 4
| 43×2
| 1050
| 进口
| 国产
|
| 中铝青海铝业
| 100
| 160
| 1200
| 4
| 33×2
| 1200
| 进口
| 进口 |
2.1 BBC整流设备存在的问题和原因分析
中铝青海分公司一电解，年产电解铝100kt。整流电源设备是在1985年由当时的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生产电化学用硅整流设备以来，承接的第330份订单。整个系列有260台电解槽，系列电流160kA，系列电压1150V，由四个电流为56kA，电压1150V的整流机组并联供电。这在当时称得上是世界上功率最大，技术最先进的电化学用整流设备了。至今，经过16～17年的运行，就整流器本身而言，与后来国内其他各厂从德国西门子，瑞典ASEA，法国西吉莱克，意大利安萨尔多以及日本富士电机等国际著名公司引进的同类整流器相比，仍不逊色。
图1和图2分别是整流主电路连接原理图与整流装置结构示意图。由图2可知，整流装置的结构特点是将整流的正、负极分成两个独立单元，以避免整流装置内部发生直流侧短路。不仅如此，其母线结构的整体性和动态稳定性也非常优越。然而，经过十多年的运行证明，该整流装置的优点是以增加整流变压器的制造难度和缩短整流变压器使用寿命为代价获得的。其主要表现为：
1）变压器噪声过大，达到90dB以上；
2）运行温升偏高，最高可达到85℃；
3）绝缘过快老化，现在最严重的地方，表面已出现焦裂现象；
4）自饱和电抗器调压范围不够，只有20V左右。
图1 整流主电路连接原理图
图2 整流装置结构示意图
由于BBC当时是第一次制造这么大容量的整流变压器，对于大电流交变磁场所产生的危害认识不足。由图1可见，当强大的交流电流通过阀侧交流母线时，所产生的交变磁场不能被相互抵消；而阀侧母线的连接方式使得自饱和电抗器的引出线之间有过多的相互交叉，结构非常复杂，因此，不得不过多地采用软连接，使之没有足够的支撑；在大电流交变磁场的作用下，产生的振动，局部涡流发热和对自饱和电抗性能的影响就很突出，以致于超出允许范围，加速设备老化。
另外，或者是受运输尺寸的限制，或者是为了节省材料，BBC将本应做成两个器身的整流变压器合二为一成一个。并且取消了中间的共轭铁心，使变压器结构特别紧凑，变成了分裂式变压器。分裂式变压器的电磁特性还与其穿越阻抗的大小有关，所产生的负面影响也不能被轻易忽视。
2.2 克服交变电磁场影响的主要对策
在超高功率整流机组中，由于强电流引起的交变磁场，给机组的运行带来一系列的负面影响，其主要表现为：
1）在阀侧母线周围的钢结构件中产生涡流，引起局部发热；
2）阀侧母线电抗压降引起的无功损耗导致机组的平均功率因数相对偏低，变压器补偿绕组和补偿电容器的容量相对偏大；
3）容易引起各相之间，各整流臂之间和同臂内各支路之间电流分配不均衡。
其中因涡流引起的局部发热是影响整流机组，特别是整流变压器使用寿命的主要原因之一。
为了克服强电流交变磁场产生的不利影响，各制造厂商都有针对性地采取了各种各样的专门措施。由于采取的措施不一样，所以，获得的效果也就不尽相同。相对来讲，比较典型的有三种：一种是全部采用非导磁材料做结构件；另一种是采用同轴式结构；再一种就是采用同相逆并联结构。三者之间的主要优缺点对比如表2所列。
表2 克服大电流交变磁场不利影响的各种措施的比较
| 项目
| 非导磁材料结构
| 同轴式结构
| 同相逆并联结构
|
| 主电路连接图
| 图1
| 图3
| 图5
|
| 基本结构示意图
| 图2
| 图4
| 图6
|
| 代表性厂商
| ABB和德国西门子
| 法国阿尔斯通和西吉莱克
| 日本富士和中国各厂家
|
| 消除阀侧交变磁场引起局部涡流发热的原理
| 采用非导磁材料构件以避免母线周围构件发热
| 采用同轴结构使交变磁场相互抵消避免涡流发热
| 采用同相逆并联结构使交变磁场相互抵消避免涡流发热
|
| 消除整流装置涡流发热的实际效果
| 差
| 一般
| 好
|
| 消除变压器涡流发热的实际效果
| 差
| 差
| 好
|
| 功率因数
| 低
| 一般
| 高
|
| 对均流的影响
| 大
| 中
| 小
|
| 对绝缘结构要求
| 一般
| 高
| 高
|
| 整流装置结构的相对复杂程度
| 简单
| 复杂
| 一般 |
2.2.1 全部采用非导磁材料
以ABB和西门子为代表的大部分厂商，采取的措施是从选材入手。在整流装置内部及其周围尽可能地避免使用钢结构件，而是选用非导磁材料构件，以防止涡流引起局部发热。如图2所示，ABB的做法是将正、负连接母线焊接成两个整体的框架，其结构强度和抗电动力都非常好。但是，这种方式对于消除大电流交变磁场负面影响只是一种治标的办法，实际效果并不理想，限制了单机组电流的继续增大。
2.2.2 同轴式结构
法国阿尔斯通和西吉莱克的做法是将整流装置的各个整流臂做成同轴式结构。整流主电路连接原理图和整流臂结构示意图如图3和图4所示。这种结构是将交流母线穿过直流母线框窗口，再把器件和快熔以交流母线为轴线对称分布安装在交流母线上，然后经连接母排汇接到后面的直流母线框上。
图3 同轴式三相桥式整流主电路连接原理图
图4 同轴式整流臂电流流向示意图
由图4可见，在整流装置这一部分，按电流流向和磁场分布规律，交变磁场的大部分能够被抵消。但是，直流母线框后面去整流变压器一段的交变磁场不能被抵消。
采用同轴结构，整流变压器的引出线结构相对来说比较简单。
在西吉莱克的整流装置中，4英寸整流二极管采用单面水冷却，将4英寸器件当3英寸器件使用。这样，有利于减小整流装置损耗，简化水路结构。但设备造价要相应地提高。
2.2.3 同相逆并联结构
同相逆并联结构方式是日本富士电机及中国各主要整流器制造厂家普遍采用的结构方式。整流主电路连接原理图和整流臂结构示意图如图5和图6所示。
图5 三相桥式同相逆并联整流主电路连接原理图
图6 同相逆并联整流臂电流流向和磁场分布示意图
同相逆并联技术的应用始于上世纪70年代。是从根本上消除大电流交变磁场负面影响的一种治本的办法。从整流变压器绕组引出端开始，到整流装置直流汇流点为止，除饱和电抗器一段（在饱和电抗器以前）之外，所产生的交变磁场的大部分能够被相互抵消掉。对消除涡流发热，降低阀侧母线电抗压降和减小交变磁场对电流分配的影响都特别有效。
采用同相逆并联技术，必须处理好两个同相逆并联连接的整流臂之间绝缘问题，以防止发生短路故障。经过不断地研究和改进，现在这个问题已经得到了解决，不再是影响同相逆并联技术应用的障碍。如果不受快熔分断能力的限制，采用同相逆并联结构继续增加整流机组单机电流的空间最大。
3 整流器件和快速熔断器
整流器件和快速熔断器都是整流装置中的核心元器件，其技术水平和性能指标是保证整机技术水平的关键。二者之间选配得合理与否对于整个整流机组是至关重要的。
3.1 整流器件
3.1.1 目前国内外整流器件的实际水平
现在，不管是国内还是国外，用于整流的电力半导体器件（即整流器件）的技术水平和性能指标都有了很大的提高。目前，在实际工业应用中，整流器件能够达到的最高电流和电压等级如表3所列。
表3 目前整流器件最高电流和电压等级
| 参数名称
| 4英寸二极管
| 4英寸晶闸管
| 5英寸电触发晶闸管
| 5英寸光触发晶闸管
|
| 管芯直径/mm
| 100
| 100
| 125
| 125
|
| 正向（通态）平均电流/A
| 3400～7400
| 2700～4500
| 3000
| 3000
|
| 反向（断态）重复峰压/V
| 1200～6500
| 1200～5200
| 6800～7800
| 8000
|
| 主要生产供应商
| 株洲机车所ABB
| 西电所英国西码
| 西电所ABB
| 德国EUPEC |
3.1.2 国内外整流器件技术参数对比
一般情况下，采用4英寸器件，其电流、电压等级选择范围比较宽，每个整流臂并联4～6只就能满足要求。对于需要多器件并联的同类整流装置而言，4～6只并联是最合理的选择。所以，目前在电解铝工程中大量使用的还是4英寸的整流器件。
在表4中，以4英寸二极管为例，列出国产器件和进口器件的主要参数的对比。同时也列出了原BBC用于中铝青海分公司一期工程的2英寸二极管（型号为DSA1208－29A）的主要参数。
表4 国产器件和进口器件的主要技术参
| 符号
| 参数名称
| 单位
| 参数值
|
| BBC
| ABB
| 国产
|
|
| 管芯直径
| mm
| 50
| 100
| 100
|
| IF（AV）
| 正向平均电流
| A
| 2410
| 4680
| 4200
|
| IFSM
| 正向不重复流涌电流
| kA
| 31
| 73
| 55
|
| I2t
| 浪涌电流平方时间积
| 106A2·s
| 4.8
| 26.6
| 15.1
|
| I2tc
| 管壳不破裂的电流平方时间积
| 106A2·s
|
| 85
|
|
| VRRM
| 反向重复峰值电压
| V
| 2900
| 5000
| 5000
|
| VFM
| 正向峰值电压
| V
|
| 1.33
| 1.49
|
| ΔVF
| 正向峰值压降分散性
| mV
|
| ±10
| ±100
|
| rF
| 斜率电阻
| mΩ
| 0.15
| 0.112
| 0.082
|
| V(FO)
| 门槛电压
| V
| 0.85
| 0.77
| 1.08
|
| Rjc
| 结壳直流热阻
| K/kW
| 15
| 5.7
| 6.0
|
| Tj
| 内部等效结温
| ℃
| 160
| 150
| 150
|
| F
| 紧固力
| kN
| 21
| 90
| 90 |
由表4可见，国产器件和国外器件相比，尽管在性能参数上还存在一些差距，但其基本参数如电流、电压等级已非常接近或者相等。
3.1.3 国产器件和进口器件的主要差别
1）国产器件通态电压高，相对损耗也大。以一个额定输出电流76（=38×2）kA的整流机组为例，在满载运行条件下，一个机组要增加损耗38kW（=18.9×2）。
2）进口器件的浪涌电流大，其较强的抗短路冲击能力，有利于合理选配快速熔断器。
3）进口器件通态电压分散性小、一致性好，斜率电阻大、门槛电压低，有利于均流和保持均流稳定。
3.2 快速熔断器及其选配
按照电解铝供电电源的运行特点，快速熔断器的主要作用是隔断故障支路，保护完好的整流臂，防止事故扩大。表5列出了几种在电化学用整流装置中大量使用的大电流快熔的主要技术参数。
从保护方面而言，快速熔断器的熔断I2t和极限分断能力是两个非常重要的参数，选型时必须满足以下几点要求：
1）要求快速熔断器的熔断I2t必须小于器件管壳不破裂能承受的最大I2t。当整流臂的某支路整流器件因击穿而发生阀侧短路时，要求与该故障支路器件串联的快熔必须在器件管壳可能爆裂之前就要熔断，以防止器件管壳爆裂引起电弧造成事故扩大。如表4所列，ABB4英寸二极管管壳不破裂能承受的最大I2t=85MA2·s，要求所选配的快熔的熔断I2t必须小于这个值。
2）要求快速熔断器的极限分断电流必须大于故障（整流）臂能产生的最大预期短路电流。例如，一个额定直流输出（37×2）kA／1220V的整流机组，发生阀侧短路时，最大预期短路电流约186kA。所以，要求快熔的极限分断能力必须大于186kA。如果快熔分断能力达不到这个要求，有可能发生管壳爆裂引起电弧造成事故扩大。
3）要求每个整流臂上各并联整流器件的浪涌电流平方时间积（即每个器件的I2t）之和必须大于与器件串联的快熔的I2t。按图7所示电路，查表4和表5，3只ABB器件（4680A/5000V）的I2t之和26.6×3=79.8MA2·s大于一个Bussmann快熔（4500A/1100V）的I2t=67.5MA2·s。因此，要求每个臂的并联元件数不得少于3只。
图7 整流器件击穿时短路电流流向示意图
表5 几种快速熔断器主要技术参数
| 型号
| 额定电压/V
| 额定电流/A
| 结构
| 熔断I2t/MA2·s
| 极限分断能力/kA
| 制造商
|
| RS4－1100/3600
| 1100
| 3600
| 单体
| 22.8
| 230
| 西整二分厂
|
| RS8－1250/5000
| 1250
| 5000
| 双体
| 60.2
| 230
| 西整二分厂
|
| RS8－1250/4500
| 1250
| 4500
| 单体
| 49.8
| 205
| 西整二分厂
|
| 5SBKN/115
| 1100
| 5000
| 单体
| 93.0
| 197
| Bussmann
|
| 5SBKN/115
| 1100
| 4500
| 单体
| 67.5
| 197
| Bussmann
|
| 5SBKN/130
| 1300
| 3000
| 单体
| 27.5
| 197
| Bussmann
|
|
| 1250
| 4000
| 双体
| 47.0
| 220
| FERRAZ |
4）按标准要求，当直流侧发生故障短路时，要求整流柜里的整流器件和快速熔断器在高压开关跳闸之前不得损坏，能够承受持续时间不小于2s的直流侧短路冲击。
按照器件供应商（ABB和株洲所）提供的资料，二极管整流器件在时间不超过2s（即100个周波）以内，允许通过约5倍的浪涌电流。Bussmann快熔（4500A/1300V）在2s之内，可通过7倍以上的电流。再考虑整流机组本身还有不小于3倍的安全裕量，至少有不小于10倍以上的抗短路过流能力。对于10kV以上的供电电网，调压整流变压器的总短路阻抗，一般不小于12.5％，最大的直流短路电流在8倍以下。所以，当直流侧发生故障短路时，器件和快熔在高压开关跳闸之前（时间不超过2s）不会损坏。
4 替换前后机组技术参数的对比
替换前后整流机组的主要技术参数对比见表6。按照要求替换之后，新机组的电流电压为（32000×2）A/1200V，但为了对比，仍按进口旧机组的输出参数（28000×2）A/1150V进行对比。
表6 整流机组主要技术参数一览表
| 序号
| 名称
| 技术参数
|
| 国产新机组
| 进口旧机组
|
| 1
| 额定直流电流IdN/A
| 28000×2
| 28000×2
|
| 2
| 额定直流电压UdN/V
| 1150
| 1150
|
| 3
| 理想空载直流电压Udio/V
| 1315
| 1315
|
| 4
| 整流器件只数
| 48×2
| 72×2
|
| 5
| 整流器件型号
| 5SDD50N5000
| DSA1208－29A
|
| 5.1
| 管芯直径
| Φ100
| Φ50
|
| 5.2
| 正向平均直流IFAVM/A
| 4680
| 2410
|
| 5.3
| 反向重复峰值电压URRM/V
| 4500
| 2900
|
| 5.4
| 斜率电阻/mΩ
| 0.112
| 0.15
|
| 5.5
| 门坎电压VTO/V
| 0.77
| 0.85
|
| 5.6
| 运行时正向峰值压降UFM/V
| 1.16
| 1.20
|
| 5.7
| 结壳直流热阻/(K/kW)
| 5.7
| 15
|
| 5.8
| 器件浪涌电流IFSM/kA
| 73
| 31
|
| 6
| 通过器件的平均电流IT/A
| 1167
| 778
|
| 7
| 通过器件的峰值电流ITM/A
| 3500
| 2333
|
| 8
| 器件正向功率损耗/W
| 1353
| 933
|
| 9
| 正常运行时器件结温温升ΔTj/℃
| 7.8
| 16.0
|
| 10
| 器件正向总功率损耗/kW
| 130
| 135
|
| 11
| 快熔型号
| 5BKN/115
| 法国FERRAZ
|
| 11.1
| 额定电压UR/V
| 1100
| 1000
|
| 11.2
| 额定电流IRN/A
| 4500
| 800×3
|
| 11.3
| 快熔分断能力/kA
| 197
|
|
| 11.4
| 熔断I2t/MA2·s
| 67.5
|
|
| 11.5
| 快熔结构
| 单体
| 三并
|
| 12
| 整流变压器阀侧电压UVO/V
| 974
| 974
|
| 13
| 器件电流储备系数KAI
| 4.06
| 3.14
|
| 14
| 器件电压储备系数KVA
| 3.80
| 2.45
|
| 15
| 整流效率η/％
| 99.7
|
|
| 16
| 同臂中器件均流系数KI
| 0.85
| 0.82以上
|
| 17
| 整流柜外形尺寸（宽×深×高）/m
| 3.4×1.2×2.6
|
|
| 18
| 冷却水量/(m3/h)
| 26
|
|
| 19
| 整流柜进出水温差Δt/℃
| ≤3.5
|
|
| 20
| 噪声/dB
| ≤70
| |
5 结语
1）近年来国产电解铝用整流电源设备的技术水平有了很大的提高,能够满足铝电解工程技术改造和新建项目的要求。
2）为了解决大电流交变磁场问题,整流主电路的连接结构有三种可选择形式,其中以同相逆并联结构获得的效果最佳。
3）国内外生产的整流器件和快速熔断器在技术水平方面比较接近，二者之间的匹配很重要。
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