整流器結(jié)構(gòu)設(shè)計需要注意的要點

◎蔡思捷

目前，對整流器機械結(jié)構(gòu)而言，電化學用整流器可以按輸出功率大小大致分為3 大類，見下表。

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相對于其他用途的整流器，電化學用整流器在實際運行當中，有2 個顯著特點：一個特點是輸出電流大，小則幾千安培，大到幾萬安培；另一個特點就是要長時間，甚至長年不間斷連續(xù)運行。所以，電化學用整流器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須滿足這2個方面的要求。

對于氯堿行業(yè)（包括濕法電解有色金屬）用的中功率整流器（MPR），其結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了要滿足上述2 方面要求之外，通常還要受到布疊場地和王建條件的限制。這方面與大功率整流器不同，如電解鋁用大功率整流器通常會設(shè)有專門的變電整流所，布置場地和土建條件要服從大功率整流機組布置的要求。也不同于小功率整流器，一般小功率整流機組的機械結(jié)構(gòu)可以做得很緊湊，不需要占太多的地方，受安裝場地的限制相對較少。

鹽水電解車間周圍往往富含具有腐蝕性的氣體、酸霧、蒸汽和堿液等。所以，整流器的防腐問題也很重要，整流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要有防腐措施。因此，這里著重介紹中功率“整流器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要點”。

中功率整流器MPR 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的特殊性和基本要點見下表。

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一、進出線方式類別

整流器的進出線方式主要有中進上出、下進上出和上進下出3 大類。此外，還有下進下出、上進上出2 種，但鑒于均流度不佳一般不推薦采用。對于小功率整流器，通常自成一體，進出線方式很靈活。

電化學用整流器絕大多數(shù)采用強迫循環(huán)水冷卻。所以，有條件將整套整流裝置（包括控制部分和冷卻器部分）安裝在一個一體化的、全密閉的箱柜內(nèi)。對于中小功率的整流器，按一體化形式做成全密閉結(jié)構(gòu)，類似于集裝箱，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式會有更多的優(yōu)越性。

二、選擇進出線方式的條件（參考）

廠房條件：

1.整流器的交流進線和直流出線位置，決定于廠房的實際條件。通常情況下，整流變壓器位于地平面，或稍高于地平面。整流器直流出線經(jīng)過直流隔離開關(guān)，直接與電解槽相連。因此，整流器的進出線位置取決于整流變壓器出線處和電解車間進線處的高差。

2.電解（電化學）工廠，不論是有色金屬電解、食鹽電解或是電鍍廠等，其周圍都富含腐蝕性氣體，尤其是采用濕法電解的工廠。為了減小腐蝕性氣體對整流設(shè)備的危害，電解（電化學）工廠的整流變電所，應(yīng)該建在電解槽廠房常年風向的迎風面。

3.采用濕法電解的工廠，不僅彌漫著腐蝕性氣體，還會有酸性或堿性液體泄漏。因此，整流變電所的地平面應(yīng)高于電解槽廠房的地平面。

4.為承重和抗振，整流柜的安裝場地要有牢固的基礎(chǔ)。

5.變壓器和整流器之間須設(shè)防火隔離墻。

6.對于在戶內(nèi)安裝的整流器，應(yīng)設(shè)有把室內(nèi)熱空氣傳到室外的設(shè)施，以形成大環(huán)境下的空氣循環(huán)。

7.隨著自動化水平的提高，整流設(shè)備中大量地采用自動化控制裝置（如計算機、微處理器、PLC 等）和精密的電子儀器儀表。為了設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，需要采取特別的防護措施，保證其周圍溫度、濕度和潔凈度符合要求，防止凝結(jié)露水、破壞絕緣等危害。

8.留出高壓電纜（或架空線）供電通道。

9.冷卻水供水管道和水一風熱交換器的布置要合理。

三、整流柜母線布置及選擇

（一）整流拒內(nèi)母線布置要點

對于電化學用整流器，輸人和輸出電流太大，通常是采用大截面的銅（或鋁）母線連接。所以，其交流進線和直流出線的位置，必須滿足以下幾點要求：

1.順著電流的目標流向進行排列布置，必須避免母線交叉連接和來回折返。

2.連接母線應(yīng)盡可能地短，尤其是閥側(cè)交流母線越短越好。以減少功率損耗，提高運行效率。矩形截面的母線應(yīng)立放，以利散熱。

3.2 根電流相位相差180°的母線宜靠近布置（如同相逆并聯(lián)布置），有利于降低母線感抗。

4.伸出柜外的連接斷頭需留有必要連接長度，一般不得小于200mm。

5.與變壓器連接的母線須有一段軟連接做緩沖，以減小連接母線對變壓器引出端子密封圈的應(yīng)力作用。

（二）整流器內(nèi)母線損耗和允許電流密度

1.母線有功功率損耗△p。

△P=I2R（W）

式中：I——流過母線的有效值電流，A；

R——母線有效電阻，Ω。

單根矩形母線的有效電阻R 的近似計算式為：

式中：ρ——20℃時的電阻率，銅母線取1.69×10-8Ω·m，鋁母線取 2.65×10-8Ω·m

l——母線長度，m；

b——母線厚度，m；

h——母線寬度，m

K1——集膚效應(yīng)系數(shù)，取值范圍1.1～1.4，母線大時去大值，母線小時去小值。

2. 一般情況下各母排的電流密度經(jīng)驗值（使用T2 牌號紫銅，鋁排的電流密度值按銅排的1/3 到1/2 使用，理論值約為0.6）銅電阻率為0.017，導電率為58.1，鋁電阻率為0.0265，導電率為35.3。

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（三）整流器內(nèi)母線表面處理

整流器內(nèi)部的母線通常要作表面處理，尤其是安裝整流元件和快速熔斷器的接觸面需要進行精細的處理。具體要求和特點見下表。

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四、整流器及其柜體的設(shè)計

電化學用整流器，因為輸出電流和冗余設(shè)計的要求，大多數(shù)需要多個整流元件并聯(lián)。有保護的要求，每個整流元件支路需要串聯(lián)1 只與之匹配的快速熔斷器。每臺整流器至少有6 個由整流元件、快速熔斷器和母線構(gòu)成的整流臂，同相逆并聯(lián)連接的整流器由12 個整流臂構(gòu)成6 個同相逆并聯(lián)整流臂組件。整流器就是以6 個整流臂（或6 個同相逆并聯(lián)整流臂組件）為主體，集合了電氣連接、非電氣連接、絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻管道和散熱器、整流管元件、壓緊結(jié)構(gòu)、快速熔斷器裝配、過電壓吸收裝置、水溫和水壓檢測指示儀表、快熔損壞檢測與指示信號等構(gòu)成的功率單元。其作用就是交流電變換成直流電，為電解槽提供強大的直流電流。

整流器柜體是整流器的載體，對于柜式整流器還需要有柜體才具有完整性。

（一）整流器設(shè)計

以下著重介紹整流器內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計。

1.整流元件壓裝要求。

2.同相逆并聯(lián)絕緣結(jié)構(gòu)。

按同相逆并聯(lián)連接的整流主電路，其絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常重要。在應(yīng)用同相逆并聯(lián)技術(shù)的過程中，存在一對矛盾。即同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的距離和二者之間的絕緣問題。為了獲得理想的同相逆并聯(lián)效果，要求二者之間距離越小越好。但是，會受到絕緣強度要求的限制。對于高電壓大功率整流器，問題尤為突出。為了協(xié)調(diào)解決這個問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計可采取以下幾項措施：

a.在保證兩同相逆并聯(lián)整流臂母線的中心直線距離不大于母線寬度2/3 的前提下，適當?shù)乩_二者的距離。這樣，仍然能夠獲得較好的同相逆并聯(lián)效果。

b. 盡可能地增大同相逆并聯(lián)整流臂之間絕對爬電距離，對于直流輸出電壓≥800V 的整流器，一般不得小于90mm。直流輸出電壓低于800V 的整流器，可按比例適當?shù)販p小。

實際運行參數(shù)：

實際輸出直流電壓1200V；

整流元件實際承受的峰值電壓1620V；

同相逆并聯(lián)交流母線之間的電壓峰值3240Vo。

c.同相逆并聯(lián)整流臂之間用絕緣板（厚度＞6mm）隔開，盡可能地避免在母線之間安裝串通的螺桿。對于直流輸出電壓雜800V 的整流器，要求同相逆并聯(lián)整流臂之間的耐壓強度達到工頻10kV。直流輸出電壓低于800V 的整流器，可以按比例適當?shù)亟档汀?/p>

d.晶閘管整流器中，脈沖分配器原、副邊之間的絕緣耐壓強度，使其能夠承受同相逆并聯(lián)整流臂之間實際的最高電壓。

e.加強同相逆并聯(lián)整流臂之間的抗電動排斥力能力，降低振動噪聲。同相逆并聯(lián)整流臂間，相鄰2 個鎖緊點之間的間隔不得超過4 只元件。

3.過電壓保護器件的安裝。

過電壓保護在整流器中很重要，這里僅從安裝布置方面提出要求。整流器內(nèi)存在的過電壓分為換相過電壓、操作過電壓和外部過電壓。

a.換相過電壓是整流元件從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)人反向阻斷狀態(tài)的過程中，由于載流子積累效應(yīng)，而產(chǎn)生過電壓。這是在實際運行直流輸出電壓為1200V，用示波器測得的二極管兩端的電壓波形，二極管承受的反向峰值電壓為1620V。如果不加限制，反向電壓峰值最大可以達到整流臂正常反壓的5-7 倍。換相過電壓采用并聯(lián)在整流臂兩端的RC 吸收。為了獲得更好的過電壓抑制效果，換相過壓吸收電容必須靠近整流臂安裝。

b.操作過電壓是由于切斷電感電流（如變壓器勵磁電流）在整流器交流進線側(cè)引起的過電壓，外部過電壓是由供電系統(tǒng)或直流側(cè)引人的過電壓。這兩種過電壓都不會頻繁發(fā)生，只會在操作過程中才有可能出現(xiàn)。所以，抑制電路可以安裝在整流器內(nèi)部，也可以移出整流器。

（二）整流器柜體設(shè)計

除自撐式整流器之外，其他電化學用整流器均為柜式結(jié)構(gòu)。所以，整流器柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計及其所用材料的選擇也非常重要。根據(jù)整流器柜體的功能和作用，其設(shè)計要點主要有：

1.柜體強度設(shè)計。

a.靜態(tài)條件下的承重要求；

b.抗吊裝和運輸過程中的動態(tài)沖擊；

c.滿載運行情況下的抗震和噪聲等級要求；

d.保證短路狀態(tài)下的機械穩(wěn)定性。

2.柜體防護等級。

按照家標準GB4208（IEC529）“外殼防護等級的分類”的規(guī)定，整流器柜體通常采用的防護等級見下表。

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3.柜體防磁。

前面已經(jīng)提到，電化學用整流器的運行電流有3 個突出的特點：第一，輸人輸出電流大，小則數(shù)千安培，大到幾萬安培；第二，從變壓器閥側(cè)輸人到直流匯流點，各相和各整流臂中所流過的電流都是交變的；第三，各整流臂內(nèi)流過的電流波形近似梯形波，含有豐富的高次諧波成分（注：直流輸出電壓越高，直流回路電感越大，整流臂內(nèi)電流波形更接近于矩形波，所含高次諧波分量也就越大）。

大電流交變電流會產(chǎn)生交變磁場，交變磁場的危害主要表現(xiàn)在：第一，因電磁感應(yīng)（渦流或環(huán)流）引起柜體和整流器內(nèi)部鋼鐵構(gòu)件局部過熱（嚴重情況下，會導致局部被燒紅），并產(chǎn)生附加損耗；第二，引起各相、各整流臂以及整流臂內(nèi)各并聯(lián)支路之間電流分配不平衡。

鋼結(jié)構(gòu)整流器柜體的防磁，目的在于防止大電流交變磁場引起柜體鋼構(gòu)件局部過熱。實際設(shè)計當中，可以綜合具體情況，采取以下措施：

a.整流主電路聯(lián)結(jié)采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，能很好地從根本上解決大電流交變磁場帶來的一系列問題，包括柜體發(fā)熱問題?？墒?，同相逆并聯(lián)技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，不一定適合所有的電化學用整流器。如低壓大電流整流器（功率小，體積小，不宜采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)）和高電壓大電流整流器（直流電壓太高，防直流短路困難，不宜采用完全的同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)）。

b.根據(jù)電磁感應(yīng)原理，采用屏蔽措施。在母線和可能發(fā)熱的柜體鋼構(gòu)件之間，加上1 塊高導磁、高電阻率的磁屏蔽板（如硅鋼片），給交變磁場提供旁路，或者采用不導磁、電阻率很低的反磁材料（如鋁板）構(gòu)成電屏蔽（由渦流電流產(chǎn)生反向磁場阻止交變磁場的穿透作用）。然而，這種方法可行性很有限。

c.為了隔斷柜體構(gòu)件形成的閉合磁路，或者切斷可能形成的環(huán)流，可以部分采用非導磁（或不導電）材料，如不銹鋼材料，合金鋁材、鋼化玻璃、絕緣材料、工程塑料等。需要焊接的骨架，在可能發(fā)熱的部位采用不銹鋼材料，如1Cr18Ni9Ti；交直流進出線位置，采用高（機械和絕緣）強度的環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板，如3240，346 等；支撐整流臂的承重梁，可以采用鋁合金型材或絕緣材料，如角鋁、槽鋁、絕緣角、絕緣槽、絕緣條、絕緣棒等；柜門可以大面積地采用鋼化玻璃制作；各種管、套等部件，也可以采用工程塑料制造，如ABS，PPO 和PPR 等。

d.在空間尺寸允許的條件下，增大導電母線與柜體鋼鐵構(gòu)件之間的空間距離，也是非常有效的防磁方法。如焊接成形的柜體骨架，閉合環(huán)路不可避免，必須增大通有文變電流的母線與閉合環(huán)路之間的空間距離。經(jīng)驗證明，如果沒有反方向電流起抵消作用的話，這個距離不得小于300mm。

4.柜體防腐。

鋼結(jié)構(gòu)整流器柜體的防腐處理措施主要有：

a.表面著漆，可以噴漆、烤漆或泳漆，漆層厚度（底漆+面漆）不得小于100μm。

b.表面噴塑，噴塑的防腐效果最好，覆蓋層厚度不得小于80μm。