復(fù)極式離子膜槽一體化整流裝置結(jié)構(gòu)型式探討

陽(yáng)楚君，程明昊

（1.宜賓天原技術(shù)中心，四川宜賓644004；2.宜賓天原海豐和銳，四川宜賓644004）

復(fù)極式離子膜槽一體化整流裝置結(jié)構(gòu)型式探討

陽(yáng)楚君1，程明昊2

（1.宜賓天原技術(shù)中心，四川宜賓644004；2.宜賓天原海豐和銳，四川宜賓644004）

介紹了復(fù)極式離子膜電解槽一體化整流裝置的結(jié)構(gòu)及保護(hù)的配合，列舉了該裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。

復(fù)極式離子膜電解槽；一體化；整流；結(jié)構(gòu)；保護(hù)

1 概述

整流裝置的功能是將普通三相交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。對(duì)氯堿化工而言，伴隨著電槽的技術(shù)進(jìn)步，經(jīng)歷了石墨陽(yáng)極電槽、金屬陽(yáng)極電槽、離子膜電槽階段，整流器也經(jīng)歷了水銀整流器、二極管整流器、可控硅整流器階段。在控制方式上，也由模擬控制發(fā)展為數(shù)字式計(jì)算機(jī)控制。

現(xiàn)在，新建離子膜電槽裝置以復(fù)極式離子膜電槽為主，膜片面積多為2.7 m2/片，離子膜電解槽特點(diǎn)是電流密度高、直流電壓高、直流電流小、向低電耗方向發(fā)展，電流密度通常為4.5～5.5 kA/m2，單槽電壓為3.2～3.4 V，電槽數(shù)量為128～156片，直流電流為12～15 kA。

目前常用的整流裝置結(jié)構(gòu)形式有2種。

（1）第1種形式又分為2類，一類為1個(gè)供電回路供1臺(tái)自耦調(diào)壓＋1臺(tái)整流變壓器＋1臺(tái)整流柜的方式，如圖1（A）所示。結(jié)構(gòu)形式為全分立式，特點(diǎn)是檢修方便，占地面積大，裝置效率不高。另一類為1個(gè)供電回路供1個(gè)調(diào)變帶1個(gè)整變（共油箱結(jié)構(gòu)），1個(gè)整變帶1個(gè)整流器再帶1只電解槽的形式如圖1（B）所示。帶2只電解槽的形式見圖2。1機(jī)帶1槽方式叫作“1供1機(jī)帶1槽”，其特點(diǎn)是占地面積比前方案少，裝置效率同前；1機(jī)帶2槽方式叫作“1供1機(jī)帶2槽”，其特點(diǎn)是占地面積比前方案少，裝置效率同前，電槽的容量小，便于夾緊，電槽直流導(dǎo)排短。

圖2 1供1機(jī)帶2槽的整流裝置結(jié)構(gòu)

（2）第2種形式是在第1種形式的基礎(chǔ)上衍生出的，為1個(gè)供電回路供1個(gè)調(diào)變帶2個(gè)整變（共油箱結(jié)構(gòu)），1個(gè)整流變壓器帶1個(gè)整流器，再帶1只電解槽，即1個(gè)自耦－整流變壓器帶2只電解槽，如圖3所示。這種1機(jī)帶2槽方式叫作“1供2機(jī)各1槽”。

圖3 1供2機(jī)各1槽的整流裝置結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，又衍生出另一種的結(jié)構(gòu)，1個(gè)供電回路供1個(gè)調(diào)變帶2個(gè)整變（共油箱結(jié)構(gòu)），一個(gè)整流變壓器帶1個(gè)整流器，再帶2只電解槽，即1個(gè)自耦－整流變壓器帶4只電解槽，如圖4所示。這種1機(jī)帶4槽方式叫作“1供2機(jī)各2槽”。

圖4 1供2機(jī)各2槽的整流裝置結(jié)構(gòu)

第2種方式相比于第1種方式，有明顯的優(yōu)點(diǎn)，由于采用調(diào)壓變壓器和整流變壓器共箱體的結(jié)構(gòu)，使得設(shè)備造價(jià)降低，同時(shí)降低了損耗；減少了設(shè)備占地面積。

2 一體化整流裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)想

在上述基礎(chǔ)上，考慮將整流元件整合在變壓器箱體內(nèi)，組成一個(gè)整體，使整流裝置變?yōu)橐惑w化結(jié)構(gòu)。

整流元件額定電流的大型化發(fā)展趨勢(shì)使得整流橋臂單臂元件的數(shù)量由最初的十幾只共橋臂，發(fā)展到2~4只共橋臂，使得整流柜結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。目前，額定電流6 500 A的整流元件已處于實(shí)用階段。整流元件的大型化發(fā)展趨勢(shì)為一體化整流裝置的出現(xiàn)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

復(fù)極式離子膜電槽具有電流密度大，比金屬陽(yáng)極槽電流較小，電壓較高的特點(diǎn)。目前，常用離子膜電槽額定電流約12~15 kA，額定電流為15 kA的離子膜電槽，常用配置為三相橋式非同相逆并聯(lián)全控整流電路，臂電流平均值為5 kA；對(duì)額定電流6.5 kA的元件來(lái)說(shuō)，已經(jīng)能滿足實(shí)用需求，考慮安全運(yùn)行的需求，可考慮單臂2只元件。

對(duì)一體化整流裝置，初步設(shè)想從整流元件安裝部位及油箱進(jìn)行分類。

（1）整流元件安裝位置可分為2種，一種為整流元件安裝在變壓器上部，如圖5所示，另一種為整流元件安裝在變壓器側(cè)面，如圖6所示。

圖5 整流元件安裝在變壓器上部的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 整流元件安裝在變壓器側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖

整流元件的2種安裝位置都涉及到更換元件時(shí)要打開檢修孔，打開檢修孔之前要放掉變壓器油到儲(chǔ)油箱，打開檢修孔，更換元件后，關(guān)閉檢修孔，將儲(chǔ)油箱中的油注入變壓器內(nèi)或整流元件室內(nèi)，排氣靜止完畢后投運(yùn)。元件上部安裝檢修放油閥的位置設(shè)置高于變壓器鐵芯，保證變壓器油淹沒(méi)鐵芯和線圈。

（2）從共箱體結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，也可分為2種。

a.分油箱方式，整流元件和變壓器從外觀上看是共箱體結(jié)構(gòu)，但整流元件安裝空間內(nèi)的冷卻油與變壓器油箱的油進(jìn)行隔絕，此種結(jié)構(gòu)可考慮為變壓器冷卻方式為自然風(fēng)冷，整流元件的冷卻為油水冷卻方式。這種方式存在冷卻系統(tǒng)復(fù)雜，而且變壓器多為室內(nèi)布置，涉及夏季室內(nèi)環(huán)境溫度高的問(wèn)題。現(xiàn)在，整流裝置的交流供電多數(shù)為35 kV電壓供電，變壓器容量多數(shù)為8 000～16 000 kVA，對(duì)變壓器油的質(zhì)量要求一般，采用分隔式箱體，即使整流元件內(nèi)箱體內(nèi)的絕緣油質(zhì)量下降，對(duì)設(shè)備的整體安全運(yùn)行影響較小。這種分油箱結(jié)構(gòu)附屬設(shè)備沒(méi)有得到簡(jiǎn)化。

b.共油箱方式，變壓器與整流元件在1個(gè)共通的油箱內(nèi)，即完全共箱體機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只適用于油水冷卻方式，且整流元件應(yīng)安裝在變壓器上部，便于檢修更換元件，減少檢修工作量和工作時(shí)間；不足之處是整流元件處在變壓器的上部高油溫度之中，對(duì)元件冷卻和元件容量提出了新的要求，需要認(rèn)真考慮。

這種共箱體結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是，減少了用于元件保護(hù)的快速熔斷器和純水冷卻裝置，從而使整流裝置的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，減少了裝置的體積，廠房占地面積減少，維護(hù)工作量減少。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，必須做好相應(yīng)保護(hù)的配合及設(shè)置。

常為末端配電。

圖8 三段式電流保護(hù)功能曲線圖

3 一體化整流裝置保護(hù)的配合

目前，整流裝置的保護(hù)通常由交流保護(hù)和直流保護(hù)2部分組成。交流保護(hù)通常是變壓器的常規(guī)保護(hù)，有電流保護(hù)（電流I段，電流II段）、重瓦斯、輕瓦斯、變壓器溫度高、變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)。直流保護(hù)有直流過(guò)流、直流過(guò)載、相應(yīng)的整流柜保護(hù)（元件故障、水壓低、水溫高、臂過(guò)熱）。

一體化整流裝置為交流保護(hù)部分改動(dòng)不大，考慮到元件側(cè)無(wú)快速熔斷器，可將變壓器的過(guò)負(fù)荷報(bào)警改為過(guò)負(fù)荷跳閘功能，做為后備保護(hù)。由于沒(méi)有快速熔斷器和純水冷卻裝置，對(duì)于這部分保護(hù)的配合，應(yīng)從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的整流變壓器由于調(diào)壓變壓器和整流變壓器共箱體，通常在調(diào)壓變壓器出線側(cè)，即整流變壓器網(wǎng)側(cè)配置1組交流電流互感器，暫且將此互感器命名為TA，用于可控硅精度控制的后備反饋信號(hào)（直流傳感器信號(hào)為主反饋信號(hào)，當(dāng)主反饋信號(hào)故障后，自動(dòng)啟動(dòng)后備反饋信號(hào)），電流互感器設(shè)置位置圖如圖7所示。

圖7 電流互感器設(shè)置位置圖

在選用此型電流互感器的時(shí)候，選擇工作性能穩(wěn)定，精度高的產(chǎn)品，充分利用好此組電流互感器。

（1）將TA互感器中的一組直接引入變壓器保護(hù)裝置，做為電流III段保護(hù)（電流I段、電流II段的后備保護(hù)）。目前常用的變壓器保護(hù)裝置都具有三段式電流保護(hù)功能，如圖8所示?？稍诓辉黾釉O(shè)備投資的情況下，增加1組電流保護(hù)。此組保護(hù)引入后，在保護(hù)定值和保護(hù)時(shí)限上應(yīng)做好配合，整流變壓器通

電流I段定值設(shè)置，按躲過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流或變壓器閥側(cè)短路電流進(jìn)行設(shè)置，Id1＝Kk·IMAX在變壓器勵(lì)磁涌流Iej和變壓器閥側(cè)短路電流Id2MAX中選取，時(shí)限為0.0～0.1 s；Kk為可靠系數(shù)，通常取1.3~ 1.5。

電流II段定值設(shè)置，按躲過(guò)變壓器最大負(fù)荷電流進(jìn)行設(shè)置，Id2＝Kk/Kf·Ie；Kf為返回系數(shù)，通常取0.85，時(shí)限為0.3～0.5 s。

電流III段電流可看作是對(duì)元件過(guò)流的主保護(hù)和直流過(guò)流的后備保護(hù)，按直流額定電流在整流變壓器閥側(cè)的額定電流進(jìn)行整定，由于電流III段信號(hào)采樣取自調(diào)壓整流變壓器網(wǎng)側(cè)，其與直流電流Id之間存在一個(gè)固定比例關(guān)系。由三相橋式整流電路電量關(guān)系可知，互感器TA側(cè)電流與直流電流Id存在以下關(guān)系：ITA＝0.816 Id/Ku，Ku為整流變壓器網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)電壓比。電流III段電流定值可整定為Id3＝Kk·（0.816Id/Ku），此處，Kk建議取1.1，時(shí)限為0.6～0.9s。

電流II段和電流III段的保護(hù)是不同的。變壓器額定容量是按電槽后期，槽電壓升高后所需容量考慮的，即在電槽初期和中期電槽運(yùn)行時(shí)，即使直流電流已經(jīng)達(dá)到了電槽設(shè)計(jì)額定值，但槽電壓并沒(méi)有達(dá)到最大值，此時(shí)，變壓器未在額定容量運(yùn)行，而TA側(cè)反映的電流已經(jīng)達(dá)到電槽設(shè)計(jì)的額定值。

（2）對(duì)元件擊穿故障保護(hù)設(shè)置的方法即如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有整流裝置元件故障的保護(hù)?，F(xiàn)有裝置的元件故障保護(hù)是靠快速熔斷器熔斷后驅(qū)動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能。在一體化裝置中，通過(guò)采集TA側(cè)交流電流和直流傳感器的直流電流進(jìn)行比較的方法實(shí)現(xiàn)元件故障報(bào)警功能，原理圖如圖9所示。

圖9 整流裝置元件故障的保護(hù)的框圖

如前述，TA側(cè)的交流電流與直流傳感器反映出的直流電流存在一定的固有比例關(guān)系，通過(guò)微處理控制上的參數(shù)設(shè)置，微處理控制器在線比較兩者的差值。在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)微處理器反映出的直流電流Idta（TA交流信號(hào)折算的直流電流）與直流傳感器檢測(cè)到的直流電流Id誤差應(yīng)該是很小的，其精度取決于信號(hào)采樣模塊和A/D模塊的工作精度。當(dāng)出現(xiàn)元件擊穿故障后，Idta遠(yuǎn)大于Id，此時(shí)，可判斷為元件有擊穿故障，判斷依據(jù)可設(shè)定為Idta≥（2～5）Id，信號(hào)動(dòng)作與跳閘。此保護(hù)功能主要用于保護(hù)設(shè)備開車或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的元件擊穿故障，與電流III段保護(hù)的最大不同在于在設(shè)備開車或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)元件擊穿故障后，TA反映出的短路電流很可能達(dá)不到動(dòng)作于電流III段的定值。例如，當(dāng)A＋元件故障擊穿故障后，在B＋，C＋導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，短路電流通過(guò)A＋元件直接對(duì)從A相對(duì)B、C相短路，在剛開車或低負(fù)荷時(shí)，由于閥側(cè)電壓很低，且B＋，C＋導(dǎo)通時(shí)間是斷續(xù)的，短路電流也不同于閥側(cè)直接短路，此時(shí)，短路電流達(dá)不到電流III段的定值，電流III段的保護(hù)不能起到保護(hù)作用。

（3）浪涌電流是元件通以額定通態(tài)平均電流穩(wěn)定后，在工頻正弦波半周期間元件能承受的最大過(guò)載電流，通常用ITSM表示。浪涌電流通常用額定通態(tài)電流的倍數(shù)表示。當(dāng)直流側(cè)短路時(shí)，由三相橋式電路參數(shù)關(guān)系可知，穩(wěn)態(tài)閥側(cè)峰值電流IVIM＝0.816 UVO/XT，瞬態(tài)閥側(cè)峰值電流峰值電流IVSM＝0.816 KSUVO/XT。式中UVO為閥側(cè)線電壓；XT為折算到閥側(cè)等效阻抗；KS為電流計(jì)算系數(shù)。

每只元件的浪涌電流曲線都不一致，而采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)的一個(gè)選擇條件即是快速熔斷器的熔斷特性曲線應(yīng)與元件浪涌曲線進(jìn)行比對(duì)，從而保證在發(fā)生故障時(shí)，快速熔斷器能快速準(zhǔn)確切除故障，確保元件不受損壞。

一體化整流裝置取消了快速熔斷器，保護(hù)元件在浪涌電流的范圍內(nèi)能準(zhǔn)確動(dòng)作，盡量確保元件在短路故障時(shí)不致?lián)p壞，僅靠在交流側(cè)設(shè)置交流保護(hù)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方式為利用整流變壓器網(wǎng)側(cè)的電流互感器TA進(jìn)行保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)，利用前述的電量關(guān)系式，計(jì)算發(fā)生短路時(shí)，折算到閥側(cè)的瞬態(tài)閥側(cè)峰值電流IVSM，而IVSM與TA所反映出的電流關(guān)系存在固有變比關(guān)系KU，可將此電流引入微機(jī)保護(hù)裝置，定值設(shè)定值小于IVSM/KU，時(shí)限考慮零秒左右為宜。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為零秒主要是考慮微機(jī)保護(hù)裝置的固有邏輯執(zhí)行時(shí)間和高壓斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間，實(shí)際動(dòng)作時(shí)間約為0.08 s，實(shí)現(xiàn)代替快速熔斷器保護(hù)元件不受浪涌沖擊而損壞的功能。

（4）在整流元件上裝設(shè)溫度傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)较潴w外進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可設(shè)2個(gè)溫度值T1和T2，T1≥T2，T1用于跳閘，T2用作報(bào)警。同時(shí)，實(shí)時(shí)溫度顯示也可作為元件均流狀況的參考數(shù)據(jù)。

（5）對(duì)直流過(guò)流、直流過(guò)載可按現(xiàn)有裝置的配置方式進(jìn)行。

4 一體化整流裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）由于采用一體化裝置，減少了一部分設(shè)備，使結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，減少了啟車及停車時(shí)的很多環(huán)節(jié)，使整流操作變得簡(jiǎn)單易行，即使對(duì)于工藝操作人員來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上崗，但變壓器的高壓停送電仍應(yīng)由電氣專業(yè)人員進(jìn)行）；增強(qiáng)了整流操作界面與工藝DCS界面的融合，自動(dòng)聯(lián)調(diào)整流裝置與電槽運(yùn)行參數(shù)?，F(xiàn)有整流裝置隨時(shí)可實(shí)現(xiàn)整流操作界面與工藝DCS界面的融合，但整流裝置的輔助操作較多，使得實(shí)用性大打折扣。

（2）交、直流導(dǎo)排大大縮短、省掉了快熔元件，使得整流器部分得到極大簡(jiǎn)化，提高了整流效率。

（3）與變壓器共用1套油水冷卻器可省掉整流柜的純水冷卻器，整流裝置附屬設(shè)備得到了簡(jiǎn)化。

（4）整流柜與變壓器共箱體機(jī)構(gòu)，使得更換元件變得稍顯麻煩，需將整流元件箱體內(nèi)的部分變壓器油放進(jìn)儲(chǔ)油箱后進(jìn)行處理，且檢修后，需將原變壓器油用油泵打回整流元件箱體內(nèi)，在檢修過(guò)程中對(duì)檢修環(huán)境濕度、粉塵、無(wú)污染物、檢修時(shí)間、工作衛(wèi)生質(zhì)量有一定的技術(shù)要求。

隨著整流元件單只容量的不斷增大以及制造商的積極參與和應(yīng)用廠家的配合，一體化整流裝置的應(yīng)用前景將更加廣闊。

Discussion of Integrated rectifier structure of bioplar type ionexchange membrane electrolyzer

YANG Chu－jun1，CHENG Ming－h(huán)ao2
（1.Yibin Tianyuan Chemical Co.，Ltd.，Yibin 644004，China；2.Yibin Tianyuan Haifeng Herui Chemical Co.，Ltd.，Yibin 644004，China）

The integrated rectifier structure of bioplar type ion-exchange membrane electrolyzer was introduced.The advantages and disadvantages of integrated rectifier was pointed out.

bioplar type ion－exchange membrane electrolyzer；integrated；rectifier；structure；protection

TQ114.26+2

B

1009－1785(2011)03-0025-04

2010－09－27