離子膜整流技術方案

溫泉

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

河北盛華化工公司針對離子膜的高效率生產，選用國內一流的高低壓控制柜、整流變壓器、整流柜及為電解槽在開停車時提供電源的極化柜。

離子膜系統(tǒng)整流設備的選用和維護保養(yǎng)是保證正常生產的前提，對整流設備的設計要做到嚴、細、實。

1 整流變壓器

1.1 作用

整流變壓器將交流電網(wǎng)電壓變換成整流裝置所需要的電壓，并通過相數(shù)和相位角的變換，改變交流和直流側的運行特性?？蓪⒄髟O備與電網(wǎng)電路隔離起來，確保設備的安全并且限制短路電流，減少整流設備對電網(wǎng)和其他并聯(lián)運行設備相互間的電磁干擾，抑制晶閘管等整流原件的電流上升率。

1.2 等級

整流變壓器的等級見表1。

表1 電壓等級

1.3 設計

根據(jù)燒堿的生產能力和離子膜承受的容量選擇整流變壓器。整流設備為非線性用電設備，在整流設備運行時，在從電網(wǎng)汲取有、無功率的同時，還向電網(wǎng)注入一定高次諧波電流。諧波電流的注入，造成電網(wǎng)電流電壓的波形發(fā)生畸變，將威脅電網(wǎng)的安全運行。當?shù)刃д髅}波數(shù)（P）一定時，整流設備注入電網(wǎng)的諧波電流含量為Σ（In），是與整流設備的受電功率成正比的。在選擇整流站的電源電壓等級時，必須協(xié)調好這二者之間的關系，還必須兼顧整流變壓器對網(wǎng)側電壓的某些特殊要求。例如，變壓器的容量＞8 000 kVA時，網(wǎng)側電壓盡可能不采用10 kV，否則，變壓器的某些技術經濟指標將惡化。

1.4 移相

大容量整流設備，其核心部件整流原件的V-I特性為非線性，所以，整流設備對為其提供的電網(wǎng)來說是非線性用電設備。移相變壓器實質上是輸入輸出電壓幅值相等但相位不同的自耦變壓器，又分為叉形接線、多邊形接線。

1.5 特點

整流變壓器常采用三相橋式或六相雙反星帶平衡電抗器的整流電路。但這2種接線方式在不移相的情況下脈波數(shù)P只能達到6，而大型整流變壓器為了提高功率因素，減少交流電網(wǎng)側的諧波電流，脈波數(shù)為P=6是不夠的。脈波數(shù)為P=12的整流變壓器組通常由移相角為30°的2臺整流變壓器并聯(lián)構成1臺整流機組；而脈波數(shù)大于P＞12的整流變壓器組則由P/12臺整流機組并聯(lián)構成，各機組間依次形成（360/P）°移相角，等效形成多脈波。35 kV及以下整流變壓器接線原理圖見圖1。

圖1 35 kV及以下移相自耦式線端調壓整流變壓器接線原理圖

1.6 壽命

有載開關的壽命在國家標準 GB10230-88中，做了明確規(guī)定：機械壽命50萬次，觸頭電壽命20萬次。

1.7 原理

為了提高電能質量，整流變壓器的輸出波形不像電力變壓器，在1個周期內只有3個正弦波，而是根據(jù)網(wǎng)側電壓和裝機容量，確定每臺變壓器在1個周期內，整流變壓器的脈波數(shù)為6～12個，用以改善整流裝置的高次諧波對電網(wǎng)和通訊等設備的影響。

2 整流變壓器的選用

2.1 容量的確定

整流變壓器的容量為型式容量。計算方法是將整流變壓器有效材料的消耗折算成雙繞組無勵磁電力變壓器的容量。

2.2 鐵心磁通密度的選取

鐵心磁通密度的選取主要受噪聲的控制。一般來說，12脈波整流變壓器的磁通密度可按普通的變壓器選取。

2.3 諧波電流影響

諧波電流一是引起變壓器內部的附加損耗和溫度升高；二是引起交流電源系統(tǒng)的波形畸變。

2.4 銘牌容量運行

整流變壓器負載能力問題實際也是溫升問題，負載能力決定了變壓器的容量。也就是在設計上要符合生產規(guī)模。

2.5 抑制環(huán)流問題

由于12脈波整流變壓器的2個二次繞組一為Y形，一為d形，各接1組三相橋式整流器并聯(lián)運行，同時向負載供電。其電路原理圖見圖2，對應的脈波見圖3。

圖2 12脈波整流變壓器整流電路原理圖

3 整流裝置控制及保護

（1）電化學電解的設備是電解槽，要以直流電通過，在陽極接正，陰極接負，食鹽溶液才能發(fā)生電化學反應，在陽極產生氯氣，在陰極產生氫氣和氫氧化鈉溶液。晶閘管伏安特性的非線性是產生整流作用的物理基礎。利用二極管的單相導電性，晶閘管的控制極特性實現(xiàn)整流過程的裝置就是整流器，二極管整流器是晶閘管整流器在控制角為零時的特殊情況。簡言之，就是將交流轉化為直流的裝置。

圖3 12脈波整流變太器整流電波形

表2 Y、d連接繞組常用匝比組合

鎮(zhèn)流器和整流器區(qū)別：整流器是把交流電變成直流電的設備；鎮(zhèn)流器是一個鐵芯電感線圈，當線圈中的電流發(fā)生變化時，在線圈中將引起磁通的變化，從而產生感應電動勢，其方向與電流的方向相反，因而阻礙電流的變化。

（2）河北盛華化工公司采用的是株洲四方電氣有限公司的整流柜和控制柜裝置，是為配合國家對鋁電解、燒堿等高能耗生產企業(yè)降能減耗政策的貫徹執(zhí)行，以最新研制開發(fā)的HBC-1型控制板、高性能機組PLC及觸摸屏為自動化監(jiān)控核心，其創(chuàng)新主要表現(xiàn)在數(shù)字調節(jié)器，采用Fuzzy-PID控制，系統(tǒng)更穩(wěn)定，響應速度更快。

（3）整流柜的銅牌因為電流產生的熱量非常大，必須配備降溫冷卻系統(tǒng)。

（4）電解槽的極化電源的作用是當離子膜電解槽在運行中突然停電時，就相當于1塊蓄電池，會產生反向的自放電，造成電解槽極板被腐蝕或氧化，如果極化電源送得不及時，就在兩槽間形成與正常工作電流相反的電流，而反方向的電流將直接影響涂層的壽命，降低電解槽的壽命，使過電壓升高。極化電流是在主整流器停電時，向電解槽提供防止腐蝕的應急電源。

極化電源應保證隨時可以自動投入運行，具有穩(wěn)流穩(wěn)壓控制功能，實現(xiàn)自動切換。直流輸出帶平波電抗器，如果沒有平波電抗器，輸出電流是不連續(xù)的脈動電流。

要根據(jù)離子膜電解槽的要求來配置極化電源的額定電流和電壓。

（5）離子膜系統(tǒng)中有許多種保護措施，防止事故的發(fā)生。整流變壓器的保護有電流速斷保護、過流保護、過負荷保護；整流設備的保護有失同步保護、回零保護、脈沖缺相保護等。

4 離子膜電解槽頻繁開停車的影響

當發(fā)生事故突然停電時，電解槽會產生很大的反向電流，形成電池效應。如果不及時通入極化電流或處理不當，將會因陽極液和陰極液中的電解質相互擴散和水反向遷移擴散，導致膜起泡。同時，因停電產生的反方向電流會使陽極網(wǎng)活性涂層大量脫落，損壞陽極網(wǎng)。頻繁開停車使得離子膜頻繁地升溫和降溫，膜隨之頻繁地膨脹和收縮，使膜過度疲勞，造成膜物理松弛，性能下降。停車后的電池效應也會縮短離子膜的使用壽命。