电解铝整流系统整流方案及整流元件与快熔的选择.doc

电解铝整流系统整流方案及整流元件与快熔的选择兰州铝业股份有限公司大型预焙槽电解铝技术改造项目，采用国内目前最大350kA的预焙电解槽，全系列288台电解槽，单系列电解铝年产能达到26万吨。由于全系列直流电压1350V，直流电流350kA，对整流机组的设计和应用水平要求越来越高，而做为业主，选择合理的整流方式和元件以保证满足生产工艺要求和提高整流机组运行可靠性，对后续达标达产显得尤为重要。1 整流方案的确定 电解铝厂整流所采用的整流技术目前仍为晶闸管整流和有载调压器开关粗调配自饱和电抗器细调的两大技术方案。 1.1 晶闸管整流装置 晶闸管整流具有响应速度快、调压范围广等优点，当采用晶闸管整流时，调压整流变压器按常规不必采用大范围调压的有载调压开关，可采用无载分接开关，这样不仅可以充分利用晶闸管的优点，而且，可以大大节省投资。但国内几家采用晶闸管整流的电解铝厂仍采用了较多级数的有载调压开关。主要是面临以下几点实际问题 （1）完全立足于国内设计制造的采用无载分接开关粗调与晶闸管整流配合应用于新建电解铝厂的整流装置还没有应用经验。 （2） 由于电解铝厂的整流所是典型的低电压、大电流系统，系列直流电流高达300kA以上，因此，交、直流杂散磁场产生的干扰较大，对晶闸管的二次触发控制回路影响较大，设计时需采取很好的抗干扰措施。 （3）由于电解铝厂的直流用电负荷大且集中，是很大的谐波源，而且，自然功率因数较低仅有0.86左右，特别是深控时更加严重。如不进行很好的治理对电力系统特别是自备电厂影响较大，因此，应用晶闸管整流装置时很难充分利用晶闸管深控特性，这也是国内几家铝厂采用晶闸管整流的同时，仍采用较多级数有载调压开关的原因之一。 1.2 有载调压器开关配自饱和电抗器二极管整流 采用有载调压器开关粗调配自饱和电抗器细调二极管整流是目前电解铝行业应用最普遍，也是最成熟的方案，其优点是运行可靠、便于维护；缺点是体积和噪音较大。 采用调主变分开，将饱和电抗器置于整流变压器油箱中，利用整流变压器的铁心和油箱来吸收饱和电抗器噪音对外界的影响。 通过对上述二种方案论证，最后确定采用第二种方案，即：采用降压自耦线端连续95级调压方式，通过调压变压器及整流变压器将220kV进线电压直接转变为1350VDC直流电压输出，同时满足直流电流238kA输出；调变采用线端有载调压，绕组接线简单；整流变采用两个独立铁芯，分别为曲折星形/正反三角形、曲折三角形/正反三角形，移相角度分别为2.5、7.5、12.5，自饱和电抗器线性调压范围0-70V，单机组等效12脉波输出，阀侧三相桥式同相逆并联。2 整流元件与快速熔断器的配合 兰州铝业整流系统的配置为：整流系统共有六个机组，采用三相桥式同相逆并联接线方式，每台整流柜为6脉波，单机组12脉波，系统组成72脉波整流输出。单机组额定直流电压1350V，单机组额定直流电流238kA。 整流元件和快速熔断器都是整流装置中的核心器件，其技术水平和性能指标是保证整机技术水平的关键器件。二者之间选配得合理与否对于整个整流机组都至关重要。 对整流柜内的元件与快熔配置方案，笔者对以下三种方案进行列表比较，最后确定采用第一种方案。表1 方案对比 2.1 整流元件 （1） 国内外整流元件技术参数对比 一般情况下，采用4英寸元件，其电流、电压等级选择范围比较宽，每个整流臂并联46只就能满足要求。对于需要多元件并联的同类整流器而言，46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英寸的整流元件。 在表2中，以4英寸二极管元件为例，列出国产元件和进口元件的主要参数的对比。表2 国产元件和进口元件的主要技术参数对比 由表2可见，国产元件和国外元件相比，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。 （2）国产元件和进口元件的主要差别 国产元件正向压降大，相对损耗也大。以一个额定输出电流382(=76)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（262）52kW。 进口元件能承受的浪涌电流大，有很强的抗短路冲击能力。有利于合理选配快速熔断器。 进口元件正向压降分散性小、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。整流元件与快熔的不同配置比较见表3表3 不同方案元件配置比较 通过计算和比较，最后确定整流元件选用进口ABB的管内带有防爆环的4英寸二极管5SDD50N5500（4680A、5500V），每臂6只元件并联，单台72只元件。 2.2 快速熔断器及其选配 快速熔断器的选择，按照电解铝供电电源的运行特点，其主要作用是隔断故障支路，保护完好的整流臂元件不致于损坏，防止事故扩大。根据 快速熔断器的选用原则，要求快熔的额定电压UR尽可能地与使用电压（即变压器阀侧电压）UVO接近，快熔的电流等级按装置的额定电流来选取。表4列出了西整熔断器厂和ABB熔断器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。表4 国产与进口快速熔断器主要技术参数 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，选型时要求必须满足以下几点： 要求快速熔断器的熔断I2t必须小于元件管壳不破裂能承受的最大I2t。当某一整流臂的整流元件应击穿而发生阀侧短路时，要求与该故障支路元件串联的快熔必须在元件管壳可能爆裂之前就要熔断，以防止元件管壳爆裂引起电弧造成事故扩大。 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382kA/1350V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。进口快熔的实际分断能力不小于197kA（估计能达到300kA）。 要求每个整流臂上各并联整流元件的浪涌电流平方时间积（即每个元件的I2t）之和必须大于与元件串联的快熔的I2t。所选ABB公司元件（4680A/5500V）的I2t之和27.5255 MA2s大于一个Bussmann快熔（3500A/1300V）的I2t44MA2s。因此，要求每个臂的并联元件数不得少于2只。 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元件和快速熔断器在高压开关跳闸之前不得损坏，能够抗住持续时间不小于2s的直流侧短路冲击。 通过计算和快熔厂家资料对比，国产快熔与进口快熔的额定电流值差别较大，除了各种修正系数的影响外，最主要的是二者的I2t值有较大区别。同一规格的快熔，进口产品的I2t值要远大于国产产品，这对于元件的保护非常（在大功率整流装置中，要求快熔的分断I2t值尽量小于元件管壳不破裂的I2t值，ABB元件5SDD50N5500的管壳