电解铝用大功率整流器设计

电解铝用大功率整流器设计摘要：主要介绍电解铝用220kA、1220V、ZHS型超大功率整流器的技术参数和结构设计，以求达到高效率、低损耗、小体积、高可靠性等要求。

关键词：超大功率整流器铝电解自动稳流技术高效率电解铝用超大功率整流器，由于其高电压、强电流以及电解铝的工艺要求，如何使其达到高可靠性、高稳定度、高效率一直是用户十分关注的问题。

这篇文章的理论性及实用性均较好，特此推荐，值得从事超大功率电化学整流器的设计者和使用者一读。

青铜峡铝厂三期工程是我国目前规模最大的电解铝在建项目。

建成后，单系列年产铝将达到14万吨，也是当前世界上最大的电解铝工程之一。

其整流电源全部采用国产设备。

国内现已建成投运的最大电解铝生产线单系列年产是10万吨的规模，除最近投运的云南铝厂采用国产设备外，其余8～10万吨级电解铝工程均采用国外引进设备。

对于系列电流达220kA、电压为1220V年产量14万吨电解铝的超大功率整流电源设备的研制，其主要技术特点是要求达到高效率、低损耗、小体积、高可靠性和高度的自动化水平，在国内同类产品中居领先水平，在国际上也具有代表性。

1整流装置的主要技术参数整流电流（系列）：220kA。

整流电压：1220V理想空载直流电压：1450V整流机组数：4组单机组额定整流电流：（37000×2）A单机组额定直流功率：90.3MW整流效率：99.8％整流主电路连接形式：三相桥式同相逆并联连接。

电网供电电压：220kV等效整流相数：单机组为等效12相整流，4机组组成等效48相，整流变压器网侧采用曲折星形和六边形移相。

国内目前几个单系列年产8～10万吨大型电解铝项目的整流器与本项目的主要技术指标对比如表1。

表中除青海铝厂一期是80年代投产的以外，其余都是90年代开始投入运行的。

由此对比可见，本装置主要技术参数和性能指标的水平在同类产品中是领先的。

表1电源技术参数平果铝厂贵州铝厂一期贵州铝厂三期青海铝厂一期青海铝厂二期云南铝厂青铜峡三期单系列年产量（万吨）108810101014交流电网电压（kV）220220220110110220220额定直流电压（V）1150680920115011508501220系列电流（kA）160180160160160180220单机组直流电流（kA） 56685656566874机组数（个）4444444四机组运行时效率（％）98.4机组98.4机组98.4机组99.6装置99.8装置整流元件晶闸管整流管晶闸管整流管整流管整流管整流管机组整流管数（只）7219272144168144240整流元件规格3750A3400V1600A3000V3750A3400V1340A3200V1100A3200V3500A3500V3000A5000V制造厂商瑞典ABB日本富士瑞典ABB瑞士ABB西门子西整厂西整厂2整流管与快速熔断器整流管是核心器件，其技术指标是保证整机技术水平的关键因素之一。

3英寸高压低损耗整流管的研制成功，为开发高压大功率整流装置奠定了基础。

该装置中采用的整流元件是管芯直径为3英寸的ZP3000－50整流管，其正向平均电流为IF（AV）=3000A，反向重复峰值电压URRM=5000V。

快速熔断器也是装置中的重要元件。

根据快熔的选用原则，要求快熔的额定电压UN尽可能地与使用电压（即变压器阀侧电压）UVO接近，选用RSH11－3600型的快速熔断器可以满足要求，即额定电压UN=1100V （与UVO=1073V接近），额定电流IN=3600A，并要求分断能力大于100kA。

其它相关参数可见表2。

用快熔作各并联支路整流管过流保护，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能满足这个要求。

但对于多只整流管并联联接的整流电路，按有关标准规定，快熔只起隔离故障支路作用，选用RSH11－3600快熔也是可以的。

若选用电流更小些的快熔，也可以降低其I2t，但这样会限制整流管能力的发挥。

表2参数名称参数值每臂并联整流管只数np(只)10均流系数KI0.86整流管电流储备系数KAI（倍）4.4整流管电压储备系数KAV（倍）4.1整流管的I2tv(A2s)15×106快速熔断器的I2tf(A2s)18×1063损耗及整流效率用于电化学工业的整流装置的一个显著特点是常年不间断地连续运行，为负载提供强大的直流电能。

在为负载提供直流电能的同时，整流装置自身也要消耗能量。

所以整流装置的损耗△P及整流效率η是衡量电化学用整流装置技术性能优劣的两项重要指标。

按照JB/T7840－1998《电化学用整流器》标准规定，额定直流电压1250V整流器，其整流效率不得低于99.6％。

为了提高整流效率，必须设法降低损耗。

在整流装置的各项损耗中，整流管的正向损耗是主要的，约占总损耗的80％，因此，降低整流管的正向损耗是提高整流效率的关键。

降低整流管正向损耗的措施主要有两个方面：一是尽可能地减小整流管正向峰值电压；二是适当增加并联支路。

按西整厂的企业内控标准，ZP3000－50整流管当峰值电流为6000A时，正向峰值电压UFM≤1.7V。

每臂并联整流管只数由7只增加到10只。

根据标准的规定，可以求得额定运行条件下整流装置的各项损耗如表3。

表3损耗的名称数值（kW）占总损耗的（％）整流管的正向功率损耗P181.478.95整流管反向损耗P20.620.60快速熔断器损耗P35.95.72母线损耗P412.211.83其它损耗P532.91总损耗△P=P1＋P2＋P3＋P4＋P5103.1100按照标准的规定，整流装置效率η=UdN×IdN/(UdN×IdN＋△P）=1220×37/（1220×37＋103.1）=99.8％，比标准规定的整流效率提高0.2％。

按这样粗略计算，每年可节电4.7×106kWh，节电效果是非常明显的。

4提高均流系数和保证均流系数稳定的措施随着整流管制造水平的提高和整流管管径的增大，如何把整流管用好，使同一臂内各并联支路整流管的能力得到充分发挥的问题就显得很为突出。

均流系数是评价该性能的重要指标。

为了提高均流系数和保证均流系数的稳定，主要采取了以下几方面措施：(1)整流管压装工艺改进大直径整流管与母线和散热器的接触面的接触状况直接受整流管压装工艺的影响。

传统压装工艺存在的问题表现在正向伏安特性一致的整流管装于同一母线上后复测其正向压降时，其差别可以大到0.2～0.3V，从而导致接触电阻阻值分数，影响并联整流管之间的电流分配，是影响均流系数的诸因素中最难控制的因素。

为此，必须把改进整流管压装工艺，减小压装对均流的影响作为重要控制因素。

结合与国外同行合作制造的经验，采用独特的预压紧技术、工艺、工装及检测方法，使压装好后复测整流管的正向压降的变化范围控制在0.02V范围内。

(2)主电路结构设计采用同相逆并联同轴对称结构，使交变磁场几乎完全抵消，克服交变磁场在分布电感上产生的附加感应电势对电流分配的影响。

(3)同一整流臂上选配正向伏安特性曲线接近一致的整流管。

为此在结温为两个不同的温度点上分别测出峰值电流1000A、2000A、3000A时的UFM，根据所测值按经验公式计算出一个UFM作为选配整流管的依据。

5整流柜结构特点整流柜安装场地为户内，采用绝缘安装方式。

主电路采用水－水冷却。

每柜包括六组同相逆并联整流臂、电气和非电气连接结构、绝缘结构、冷却水管道和散热器、整流管压紧结构、过压保护等。

5.1整流柜体结构特点整流柜柜体型式为双面双列结构，柜体总高度2.4m、宽3.2m、深1.2m。

相对于单面单列的柜体，高度减少约0.6m，体积减少20％。

设备比较紧凑，有利于整流室总高度的降低，还可减小整流管母排和快熔母排的损耗。

柜壳为防磁型结构，凡可能产生局部涡流发热的部位均采用防磁材料隔断磁路。

柜壳用弯板和型材焊接成整体结构，以加强机械强度，抵抗电动力的冲击振动和噪声。

柜壳表面采用静电喷塑处理，以加强柜壳的防腐能力。

柜壳防护等级按IP20设计，提高防护等级。

5.2导电母线及电气连接结构特点为降低损耗、提高整流效率、主电路电气连接采取了下述措施：所有导电母排，散热器和连接线的材质均为紫铜材料。

散热器和整流管表面镀镍，母排表面全部镀锡。

安装整流管和快熔的母排为挤压成形的异形双孔母线，孔为内齿轮形，增大了母排与冷却水热交换面积、有利于降低母排热阻及整流管和快熔的温升。

采用一次铸造成形的A－003铜质散热器，能防止渗水和散热器受压时产生局部变形的问题，保证与整流管接触良好、压力均匀。

散热器进出水嘴孔径大（ 14）、水阻小，在水流为紊流状态下，使流量达到16L/min。

双面冷却，保证热阻不超过0.01℃/W，有利于提高整流管的通流能力。

直流汇流母排也采用挤压成形带内孔的铜母线，不再沿用焊接散热水管的汇流母线。

汇流母线与快熔双孔母线之间的连接板直接焊在汇流母线上，既减小接触损耗又提高结构强度。

5.3先进的同相逆并联结构在应用同相逆并联技术的过程中，存在着同相逆并联的两个整流臂之间的距离和绝缘之间的矛盾。

对于这种高电压大电流整流器，问题尤为突出。

为此专门研制了一种复合结构的绝缘套管，在不多占用空间的条件下能有效地增大爬电距离。

同相逆变两臂之间通过该绝缘套管用高强度螺栓牢固地连成一体，使之具有足够的机械强度。

而两臂之间的空间又用不小于10mm厚的绝缘板隔离，可有效地防止异物掉落到两臂之间。

主电路全部按对称结构设计，最大限度地使其磁场分布相互抵消。

这样可以保证：（1）同相逆并联的两整流臂之间的直线距离控制在20mm以内，对消除大电流交变磁场的危害效果显著。

这一距离是国内其它厂家同类装置的一半。

（2）最短爬电距离不小于50mm，实际耐压强度不小于10kV。

（3）同相逆并联的两整流臂之间的连接结构具有足够的机械强度，以抗拒电动斥力的冲击，也减小振动噪声。

5.4冷却水路特点水路管道尽可能地增大其内径，增大水的流量，降低水的流速，使管内的水流呈紊流状态，有利于热交换。

总汇流水管和管接头用不锈钢管制造，可减小管壁腐蚀对水质的影响。

导电母排上的管接头用紫铜棒加工而成，由于各母排间电位不同，在高压直流电的作用下，电化学腐蚀是不可避免的，为此在水支路汇流到总汇流水管时,将接到各母线上的水管按正、负极分别汇流，使之处于同一电位，减缓电化学腐蚀。

5.5绝缘结构设计对于直流电压达1220V的整流柜，主电路对柜壳的耐压强度按4000V（工频电压）设计。

整流管外壳厚度35mm，35mm厚的管壳耐压强度可达到8000V（工频电压）。

整流管压紧机构采用双重绝缘，正常情况下压板上是不带电的，对安全有利。

运行时也可以紧固整流管的压紧螺栓。