直流供電技術(shù)在石墨化爐工程中的應(yīng)用及研究

韓丁富

（貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

隨著全球新能源產(chǎn)品的快速發(fā)展，鋰電池負(fù)極材料的市場(chǎng)需求量大幅增加，石墨化產(chǎn)能快速增長，新增石墨化爐也隨之增長。石墨化爐采用電能加熱方式，因此電耗成本占比較大，其節(jié)能降耗的研究也深受行業(yè)重視。

石墨化是指在高溫下，以熱能引起的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，使碳元素微晶由無序狀態(tài)過渡到有序狀態(tài)，采用電加熱方式。近年來，有很多文獻(xiàn)對(duì)石墨化供電技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]針對(duì)石墨化整流裝置的快熔斷路器參數(shù)進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]對(duì)石墨化整流機(jī)組直流電流及直流電壓與石墨化爐的參數(shù)進(jìn)行了研究，得到了供電裝置的最優(yōu)匹配參數(shù)，既能保證石墨化產(chǎn)品的質(zhì)量，又減少能耗；文獻(xiàn)[4]分析了交流供電存在負(fù)荷不平衡問題，對(duì)交直流供電能耗進(jìn)行了對(duì)比，最后并指出石墨化爐供電是朝著快曲線、高密度、大功率的方向發(fā)展。這些研究成果對(duì)石墨化爐直流供電中的技術(shù)提供了重要參考。

1 交直流供電的優(yōu)缺點(diǎn)

石墨化采用的是電加熱方式，電加熱方式可以分為交流供電和直流供電，2 者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 交流供電

交流石墨化爐的有效電功率為

式中：P為石墨化爐有效電功率；U為變壓器輸出電壓；cosφ為網(wǎng)路的功率因數(shù)。

輸入石墨化爐的有效電功率在電流和電壓一定的情況下，會(huì)隨著功率因數(shù)的大小而變化。石墨化爐全網(wǎng)路的功率因數(shù)計(jì)算公式表示為

式中：R為網(wǎng)路總電阻，包括爐芯電阻和導(dǎo)電電極及導(dǎo)電母線的電阻；X為全網(wǎng)路的感抗；Z為全網(wǎng)路總阻抗。

交流石墨化供電一般采用單相交流供電方式，由于容量較大，單相交流負(fù)荷對(duì)三相平衡有嚴(yán)重影響。同時(shí)，交流石墨化爐受感抗影響，功率因數(shù)降低，特別通電后期功率因數(shù)會(huì)下降到0.5 左右，全爐的平均功率因數(shù)是0.75 左右，因此必須安裝一定數(shù)量的電容器提高交流石墨化供電網(wǎng)路的功率因數(shù)。

1.2 直流供電

為解決交流供電對(duì)三相電網(wǎng)的影響和交流供電設(shè)備功率因數(shù)低的問題，我國從70 年代開始自行設(shè)計(jì)和制造了多種不同容量的直流石墨化供電設(shè)備。其中，直流石墨化供電設(shè)備包括變壓器和整流機(jī)組。

石墨化爐直流電壓一般不超過200 V[4]。隨著石墨化爐直流電流的加大，目前單機(jī)組最大電流可以達(dá)到360 kA，容量可以達(dá)到32 000 kVA，因此采用雙反星形結(jié)線較合理，這樣可以減少元器件數(shù)量，降低損耗，同時(shí)也可以使同一整流臂內(nèi)各并聯(lián)整流元件間的電流均勻分布，縮短換相過程，提高整流效率。

根據(jù)整流技術(shù)原理，交流變直流是依靠移相多重聯(lián)結(jié)的整流電路，因此直流供電存在的問題是諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。整流機(jī)組使用的整流脈波數(shù)量越多，整流橋產(chǎn)生的低次諧波相互抵消就越多，諧波抑制能力越高。石墨化整流機(jī)組采用單機(jī)組12 脈波形式，單機(jī)組在電網(wǎng)側(cè)匯流處經(jīng)過疊加抵消，電網(wǎng)處僅存12×n±1(n為正整數(shù))次諧波，基本上消滅了幅值較大的5 次和7 次諧波。

2 整流器

2.1 整流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)石墨化整流器，設(shè)計(jì)一種可靠性更高、結(jié)構(gòu)新穎、使用安全以及性能優(yōu)良的大電流整流器，對(duì)石墨化爐的安全正常運(yùn)行具有重要的作用。

在石墨化爐設(shè)計(jì)整流器技術(shù)方案時(shí)，需要注意以下問題。第一，整流器結(jié)構(gòu)選材需要滿足渦流發(fā)熱的材質(zhì)，同時(shí)采用同相逆并聯(lián)使整流臂產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)空間成對(duì)抵消。第二，冷卻裝置方案需要簡(jiǎn)化水路系統(tǒng)又要減少電腐蝕。第三，盡可能降低外部過電壓對(duì)整流器主柜的危害。

2.2 過電壓保護(hù)

過電壓保護(hù)分為操作過電壓、換相過電壓及直流過電壓3 種：操作過電壓保護(hù)電路在分合閘時(shí)產(chǎn)生的電壓；換相過電壓是由于二極管在換相結(jié)束后，不能立即恢復(fù)阻斷能力，此時(shí)有較大的反向電流流過，反向電流會(huì)因線路電感在器件兩端產(chǎn)生的過電壓；直流過電壓指直流側(cè)發(fā)生雷擊等侵入的過電壓[5]。

針對(duì)整流器的過電壓保護(hù)可以采取R-C吸收回路，根據(jù)不同的過電壓類型，需要選擇合適的R-C參數(shù)和安裝位置。

2.3 過電流保護(hù)

整流電路中元件失去阻斷能力造成的短路：一是加在整流元件上的反向電壓超出元件承受電壓，擊穿整流元件；二是整流元件過熱擊穿，使整流元件失去反向阻斷能力。

整流元件過流保護(hù)采用快速熔斷器與整流元件串聯(lián)的方式進(jìn)行保護(hù)，快速熔斷器參數(shù)的選擇既要考慮過電壓擊穿和過熱擊穿保護(hù)的雙重特性，同時(shí)快速熔斷器的I2t必須小于整流元件的I2t。

2.4 繼電保護(hù)

整流器除了設(shè)置硬件保護(hù)外，為提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全，還需要設(shè)置非電量保護(hù)和繼電保護(hù)。由于石墨化爐一般為單機(jī)組整流，單機(jī)組整流電流比較大，對(duì)元件的過電流保護(hù)比較重要，而石墨化直流電壓一般不超過200 V，對(duì)電壓保護(hù)主要是防止雷擊過電壓和操作過電壓。

3 直流測(cè)量

石墨化爐為直流大電流供電，其直流的準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)系到效率、控制和電耗核算及節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用等重要問題。目前對(duì)直流大電流的測(cè)量方法主要分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法[6]。

（1）直接測(cè)量法。一是通過電阻上的壓降來計(jì)算直流電流；二是根據(jù)被測(cè)電流建立的磁場(chǎng)，通過測(cè)量跟磁場(chǎng)有關(guān)的參數(shù)如磁通、磁勢(shì)等來測(cè)量電流大小。其主要的測(cè)量方案如表1 所示。

表1 直接測(cè)量法方案

（2）間接測(cè)量方法。通過整流技術(shù)原理，閥側(cè)交流和直流電流存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)直流電流的測(cè)量，三相橋式整流電路如圖1 所示。

圖1 三相橋式整流電路測(cè)量原理

圖1 反映了通過測(cè)定交流電流間接測(cè)量直流電流的原理，電路中iA、iB、iC電流波形與ia、ib、ic和i1、i2、i3完全相同，而流過電纜表A 中的電流i1、i2、i3各取半波相加，因而可寫成

在忽略變壓器勵(lì)磁電流的情況下，電流表A 的指數(shù)IM完全可以表示直流電流Id。整流變壓器一次電流是勵(lì)磁電流和負(fù)荷電流的合成，因此在不可控整流機(jī)組中，整流變壓器的勵(lì)磁電流引起的測(cè)量誤差很小[7]。由于石墨化爐為單整流機(jī)組，單機(jī)組電流超過200 kA，通過傳統(tǒng)方法直接測(cè)量，存在精度低、設(shè)備大型化安裝困難以及價(jià)格高等缺點(diǎn)。而采用間接測(cè)量時(shí)石墨化爐不需要控制某一時(shí)刻的直流電流，只需要控制總功率，就可以保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，間接測(cè)量方法更適合石墨爐的直流測(cè)量。

4 直流母線

為減少投資，石墨化爐主母線采用鋁母線，母線電流密度越低，母線溫升越低，運(yùn)行損耗越小。由于石墨化爐電流大小隨著爐子的爐組不斷變化，同時(shí)石墨化爐可以間斷生產(chǎn)，每爐之間有生產(chǎn)間隔時(shí)間，在停爐時(shí)間段母線可以冷卻，母線電流密度不需要要求很高。目前石墨化主鋁母線電流密度可取0.5 ～0.7 A/mm2，銅母線可取1.0 ～1.5 A/mm2。為減少接觸電阻，石墨化電極接頭與銅母線連接，銅母線與鋁母線的接觸面之間搭接面的電流密度一般不大于0.1 A/mm2。同時(shí)，為降低母線溫升，改善母線安裝空間的通風(fēng)條件，設(shè)計(jì)時(shí)可以把鋁母線分成多片，每片之間間隔一定距離。

5 結(jié) 論

文章研究了整流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案需要注意的問題，并給出了整流元件的過電壓、過電流及繼電保護(hù)等方案。通過分析現(xiàn)狀直流測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了適合石墨化爐直流測(cè)量的方案，同時(shí)分析了直流鋁母線損耗大、溫升高等問題，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益給出了合理經(jīng)濟(jì)電流密度。隨著新能源材料技術(shù)的發(fā)展，利用直流技術(shù)提高電能質(zhì)量、減少系統(tǒng)損耗、增強(qiáng)供電可靠性及提高經(jīng)濟(jì)效益有較大的發(fā)展空間。