大功率晶閘管整流裝置在電解鋁行業(yè)的應(yīng)用

周 鑫

（沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

國內(nèi)早期鋁電解整流裝置采用調(diào)壓整流變壓器加二極管整流裝置，無自動穩(wěn)流功能，完全靠手動調(diào)壓進行恒流操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但操作復(fù)雜，電解效率低。80年代后期引進有載調(diào)壓變壓器配飽和電抗器，此系統(tǒng)自動穩(wěn)流靠模擬調(diào)節(jié)，雖有自動穩(wěn)流效果，但效果并不理想[1]。20世紀(jì)90年代，隨著可控硅元件電壓、電流等級的提高，國內(nèi)電解鋁行業(yè)開始用晶閘管整流裝置彌補二極管整流裝置的缺陷。本文重點介紹晶閘管整流裝置在電解鋁行業(yè)的優(yōu)勢，詳細說明晶閘管整流裝置在電解鋁行業(yè)中的應(yīng)用情況[2]。

1 晶閘管整流裝置的優(yōu)勢

1.1 成本優(yōu)勢

二極管整流裝置多采用多級有載開關(guān)（95級以上）粗調(diào)配飽和電抗器細調(diào)達到電流調(diào)節(jié)及穩(wěn)流效果。而晶閘管整流裝置常采用少級有載開關(guān)（54級或79級）調(diào)壓配合晶閘管移相角調(diào)節(jié)以達到穩(wěn)流效果[3]。

在同樣等級條件下，晶閘管整流裝置成本要比二極管整流裝置成本高，但從整套系統(tǒng)看，恰恰相反[4]。二極管整流的整流變壓器需另配飽和電抗器且有載調(diào)壓開關(guān)級數(shù)較多；而晶閘管整流的整流變壓器則可省去飽和電抗器，同時有載調(diào)壓級數(shù)相對減少，對應(yīng)整流變壓器的硬件投資成本降低，從整套系統(tǒng)硬件成本分析晶閘管整流裝置還是略有優(yōu)勢。

1.2 節(jié)能降耗優(yōu)勢

在三相橋式整流器中，晶閘管整流器輸出的直流電壓與整流器閥側(cè)電壓成正比，與控制角成反比。計算公式如下：

式中：U1-閥側(cè)交流電壓；U2-電解直流電壓；α-控制角

結(jié)論：當(dāng)閥側(cè)電壓一定時，控制角α越小，晶閘管整流器輸出的直流電壓越大。生產(chǎn)中，在保證晶閘管整流器輸出直流電壓恒定的情況下，可通過降低控制角來彌補閥側(cè)電壓的降低，而閥側(cè)電壓的降低由調(diào)壓變壓器有載開關(guān)擋位來實現(xiàn)。有載開關(guān)擋位越低，損耗越小，整流效率越好，從而實現(xiàn)大容量變壓器長時間在較小損耗工況運行。

另外，在大容量變壓器長期運行中，通過拉格朗日乘數(shù)法來分配每個機組的負載電流，結(jié)合工況改變調(diào)壓變壓器檔位和控制角，也可有效提高整流系統(tǒng)的整流效率。

1.3 安全性能優(yōu)勢

當(dāng)前電解鋁行業(yè)大多采用二極管整流裝置，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備運行故障時，只能依靠高壓斷路器跳閘進行保護。一旦高壓開關(guān)保護失控，故障就無法終止。

例如國內(nèi)某鋁廠的整流變壓器重瓦斯故障，碰巧當(dāng)時高壓斷路器操作機構(gòu)失靈，導(dǎo)致斷路器無法斷開，即使裝置發(fā)出跳閘信號高壓開關(guān)也無法動作，整流機組繼續(xù)運行，最終導(dǎo)致整流變壓器爆炸起火。假如采用晶閘管整流裝置就會避免事故惡化，晶閘管整流裝置可以瞬間關(guān)斷元件脈沖讓整流器輸出電流為零，遏制事故擴散。

晶閘管整流裝置還具備高壓斷路器保護功能。當(dāng)整流裝置出現(xiàn)母排過熱報警時，二極管整流裝置只能發(fā)出跳閘信號，此刻整流變壓器處于高負荷運行狀態(tài)，突然甩負荷對高壓斷路器沖擊較大，影響高壓斷路器壽命。而晶閘管可先執(zhí)行降電流命令，然后封鎖脈沖，使輸出電流完全為零，最后進行高壓斷路器跳閘。既保護整流系統(tǒng)安全，又減少高壓斷路器損傷，能有效延長斷路器壽命。

2 電解鋁晶閘管整流裝置的設(shè)計

電解鋁整流裝置維護極其重要，二極管穩(wěn)流控制系統(tǒng)多是單套設(shè)計，一旦損壞，只能放棄穩(wěn)流功能。而在晶閘管整流裝置中，穩(wěn)流系統(tǒng)常按兩套冗余設(shè)計，可實現(xiàn)帶負荷無擾動切換。目前晶閘管控制系統(tǒng)日益成熟，完全實現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化，且維護方便，解決了晶閘管維護時影響生產(chǎn)等問題。

2.1 整流裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計理念與維護

晶閘管整流控制系統(tǒng)是整流裝置的核心，以晶閘管數(shù)字穩(wěn)流控制器為核心單元的系統(tǒng)特點如下：

2.1.1 穩(wěn)流控制系統(tǒng)

采用獨立的全數(shù)字雙通道系統(tǒng)，構(gòu)成冗余熱備用設(shè)計。僅需其中一個數(shù)控器在線工作正常，即可確保晶閘管整流機組直流供電，保證了直流供電的可靠性。

由數(shù)控器構(gòu)成的穩(wěn)流控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外故障自診斷智能化保護處理及維修故障信息提示。

完成最大機組過流限制與保護，觸發(fā)電壓及脈沖功放故障監(jiān)控及保護，雙穩(wěn)流通道全自動熱備用監(jiān)控切換等智能化保護處理功能。采用智能邏輯判斷，自動選擇最佳直流電流調(diào)整模式及最佳有載開關(guān)操作動作配合使機組達到最佳運行效果。

2.1.2 在線器件更換維護方便

多層次冗余系統(tǒng)備份設(shè)計，可滿足在晶閘管整流機組供電不中斷的情況下，在線維修更換系統(tǒng)中的全部任一模塊及器件。并由系統(tǒng)自動識別判斷，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)主備自動復(fù)制。

2.2 整流裝置的設(shè)計理念與維護

晶閘管整流裝置需設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進，為電解鋁行業(yè)提供穩(wěn)定、可靠的直流供電。

2.2.1 良好均流系數(shù)

晶閘管元件的選擇不僅要求在ITAV和VDRM/VRRM進行匹配，還要對晶閘管的觸發(fā)電流IGT的大小和通態(tài)壓降VT的分散性、元件結(jié)溫等方面進行匹配，來保證機組良好的均流系數(shù)。并在每個元件加上均流電抗器，強迫均流，保證均流效果持久性。

2.2.2 整流柜絕緣隔離

在相間、臂間及層間裝有絕緣隔板，避免元件故障引起相間臂間拉弧。

2.2.3 脈沖模塊安全等級高

每個單元脈沖模塊嚴(yán)格執(zhí)行耐高壓檢測，保證脈沖模塊安全可靠運行。觸發(fā)脈沖從穩(wěn)流控制器至整流柜內(nèi)脈沖模塊具有三道隔離防護措施，可有效防止整流柜內(nèi)高壓反串至穩(wěn)流控制器，確保穩(wěn)流控制器安全。

3 在鋁廠中的應(yīng)用實例

某鋁廠整流所為400KA整流裝置，系列直流電壓為1000V。系統(tǒng)采用6套晶閘管整流裝置，每套整流裝置直流輸出電流90KA，其設(shè)計參數(shù)如下：

（式中ΣP—整流柜總損耗）。

每套整流裝置采用數(shù)字化智能控制器，既能獨立完成自身的控制、調(diào)節(jié)、管理功能，又能相互之間進行通訊，實現(xiàn)了集中、協(xié)調(diào)的統(tǒng)一管理。晶閘管整流裝置智能控制系統(tǒng)，采用獨立的電流小閉環(huán)控制，具有優(yōu)越的穩(wěn)流性能，即使發(fā)生多個陽極效應(yīng)，其動態(tài)穩(wěn)流精度仍可達到0.1%。經(jīng)現(xiàn)場實踐，晶閘管整流裝置運行安全穩(wěn)定，維護方便、顯著提高了電解鋁生產(chǎn)效率，為鋁廠帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

晶閘管整流裝置通過改變導(dǎo)通角來改變輸出電流，其響應(yīng)速度快，具有較高的動態(tài)穩(wěn)流精度。由于采用全數(shù)字化智能控制系統(tǒng)，提高了整流裝置的可靠性，使整流裝置的結(jié)構(gòu)簡化、維修方便、均流系數(shù)提高、節(jié)能效果顯著。