500kA大型電解槽關(guān)鍵供電設(shè)備參數(shù)計(jì)算

摘 要：電解鋁整流系統(tǒng)一般由整流變壓器、整流器等關(guān)鍵設(shè)備組成，本文用三相橋式全控整流電路、大功率硅整流元件原理等知識(shí)對(duì)鋁電解鋁220kV供電整流系統(tǒng)中的整流變壓器、整流器關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)合理的設(shè)備選型，以達(dá)到降低電解鋁生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞：整流變壓器；整流器；三相橋式全控整流電路；大功率硅整流元件原理

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 714" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著電解鋁行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，電解技術(shù)向著機(jī)組系列大電流、大規(guī)模方向發(fā)展，電解鋁廠正不斷向大型化、規(guī)?；较虬l(fā)展。供電整流技術(shù)在經(jīng)歷了幾十年的不斷探索后，在設(shè)計(jì)理念和新技術(shù)的應(yīng)用等方面已實(shí)現(xiàn)了全方位的發(fā)展和進(jìn)步，電解槽系列電流已發(fā)展到目前的500kA。在滿足生產(chǎn)需求的同時(shí)，安全性、設(shè)備選型合理性和投資經(jīng)濟(jì)性決定了電解鋁供電系統(tǒng)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。針對(duì)電解鋁電源系統(tǒng)設(shè)備的安全性、合理性問(wèn)題，本文研究了整流變壓器、整流柜的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，以不斷提高電解鋁行業(yè)相關(guān)從業(yè)人員對(duì)電解鋁電源整流系統(tǒng)的認(rèn)知。

1 整流機(jī)組的調(diào)壓方案

目前，電解鋁行業(yè)常用的整流方式為二極管整流機(jī)組和可控硅整流機(jī)組。整流變壓器、飽和電抗器、有載調(diào)壓變壓器和二極管整流器構(gòu)成了二極管整流機(jī)組，有載開(kāi)關(guān)粗調(diào)，電抗器細(xì)調(diào)?？煽毓枵鳈C(jī)組通常由有載調(diào)壓變壓器、整流變壓器和可控硅整流器組成，有載開(kāi)關(guān)粗調(diào)，可控硅細(xì)調(diào)。

在電解鋁行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，整流系統(tǒng)也得到快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用的整流技術(shù)有2種，即同相逆并聯(lián)技術(shù)和非同相逆并聯(lián)技術(shù)。同相逆并聯(lián)是指2根同相位、反極性的導(dǎo)排組成的母線并聯(lián)在整流裝置中，整流變壓器閥側(cè)由一個(gè)線圈分為2個(gè)線圈，而且反極性使用；非同相逆并聯(lián)與同相逆并聯(lián)不同，其采用雙橋接線結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的三相單橋接線方式。與同相逆并聯(lián)比較，非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高且整流效率高。

1.1 可控硅整流

可控硅整流的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)流精度高、響應(yīng)速度快且調(diào)壓范圍廣，通常其調(diào)壓整流變壓器可不采用大范圍調(diào)壓的有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)。但可控硅整流裝置也有一定的缺點(diǎn)，例如諧波電流大、控制回路復(fù)雜等。

1.2 二極管整流

目前，電解鋁行業(yè)普遍采用有載調(diào)壓變壓器粗調(diào)配合自飽和電抗器細(xì)調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)二極管整流，這是行業(yè)最成熟的解決方案。采用該方案具有運(yùn)行可靠、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有空間占用多、噪聲大的缺點(diǎn)。

1.3 方案的選擇

結(jié)合對(duì)可控硅整流和二極管整流的研究，本文確定采用降壓自耦線端連續(xù)107級(jí)調(diào)壓方式，通過(guò)調(diào)壓變壓器和整流變壓器，將220kV進(jìn)線電壓直接轉(zhuǎn)變?yōu)?560V直流電壓輸出，同時(shí)滿足直流電流2×46kA輸出。調(diào)變采用線端有載調(diào)壓，繞組接線簡(jiǎn)單。整流變采用2個(gè)獨(dú)立鐵芯，分別為曲折星形/正反三角形、曲折三角形/正反三角形，移相角度分別為±1.875°、±5.625°、±9.375°和±13.125°，自飽和電抗器線性調(diào)壓范圍為0V～70V，單機(jī)組等效12脈波輸出，整流變閥側(cè)同相逆并聯(lián)，整流裝置為非同相逆并聯(lián)。

2 整流變壓器參數(shù)選擇計(jì)算

年產(chǎn)45萬(wàn)t電解鋁生產(chǎn)線，采用500kA大型預(yù)焙槽，調(diào)變采用首端自耦調(diào)壓[1-2]，整流裝置采用二極管非同相逆并聯(lián)接線方式整流，整流變壓器由調(diào)壓變、整流變以及飽和電抗器組成。

2.1 45萬(wàn)t鋁產(chǎn)量與電解槽的數(shù)量

電化當(dāng)量為0.3355A/n，電流效率為0.92。一臺(tái)電解槽年產(chǎn)鋁量為=1351.93t/年臺(tái)。生產(chǎn)45萬(wàn)t電解鋁所需500kA電解槽數(shù)量為×1.05=349臺(tái)。

因?yàn)樵搹S的管理、工藝控制水平較好，電流效率高，電流效率取0.95×10-3，所以一臺(tái)電解槽每年產(chǎn)鋁量為=1396.02t/年臺(tái)，每臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)量為×1.05=338臺(tái)。

2.2 直流電壓UdN（額定直流電壓）

根據(jù)電解槽槽臺(tái)數(shù)，選擇系列直流電壓UdN（額定直流電壓），取每個(gè)電解槽槽壓為4.2V，考慮3個(gè)陽(yáng)極效應(yīng)電壓90V，系列黑電壓50V，UdN=（338×4.2）+90+50=1559.6V=1560V。

2.3 額定直流空載電壓Udio

額定直流空載電壓Udio如公式（1）所示。

（1）

式中：UdN為額定直流電壓；Ux為變壓器阻抗百分?jǐn)?shù)（取12%）；PK為變壓器負(fù)載損耗百分?jǐn)?shù)（取1%）；S為串聯(lián)換相組數(shù)（三相橋?yàn)?，雙反星型帶平衡電抗器為1）；NS為每臂串聯(lián)元件數(shù)（暫取1）；UT為整流管通態(tài)壓降（硅管為0.7V，可控硅為1V）；∑US為0.2%～2.5%UdN；ε為電網(wǎng)電壓允許波動(dòng)幅值，一般取5%，個(gè)別地區(qū)取10%（本列取5%）；α為可控硅最小控制角（一般取α=50°～200°，二極管取α=0°）。

當(dāng)UdN≥800V時(shí)取小值，當(dāng)電壓≤100V且電流≥3kA時(shí)可取2.5%（本列取0.5%）。如有飽和電抗器，還包括其調(diào)壓范圍的7%～10%（取10%，即70×10%）。代入數(shù)據(jù)則有公式（2）。

Udio==1774.1V（2）

考慮留一定裕量，實(shí)際取Udio=1810V。

在通常的計(jì)算中，可以用Udio=1.15UdN來(lái)計(jì)算，也可用Udio=UdN+200計(jì)算，即，Udio=1.15UdN=1.15×1560=1794V，Udio=UdN+200=1560+200=1760V。

2.4 整流變壓器閥側(cè)交流線電壓有效值U2L（三相橋式整流電路）

整流變壓器閥側(cè)交流線電壓有效值U2L如公式（3）所示。

（3）

2.5 整流變壓器閥側(cè)交流相電壓有效值U2P

整流變壓器閥側(cè)交流相電壓有效值U2P如公式（4）所示。

（4）

2.6 整流變壓器閥側(cè)交流相電流有效值I2

三相橋式整流電路[3-4]，Y接，線電流等于相電流，I2=0.8165IdN。其中IdN為整流器單機(jī)組額定直流電流，單位kA。

當(dāng)UdN＞800V時(shí)，一般從可靠角度出發(fā)，不會(huì)考慮雙反星型帶平衡電抗器[5-6]整流電路；當(dāng)IdN≤8%～12%UdN時(shí)，側(cè)三相橋式整流電路綜合指標(biāo)較好，IdN=8%×1560=124.8kA；當(dāng)IdN≥12%UdN時(shí)，如果選擇三相橋式整流電路，就會(huì)出現(xiàn)閥側(cè)變壓器內(nèi)部局部過(guò)熱和附加損耗增大的現(xiàn)象，IdN=12%×1560=187.2kA。

為此，對(duì)年產(chǎn)45萬(wàn)t電解鋁以上、系列電流500kA的項(xiàng)目，閥側(cè)整流電路只能是三相橋式同相逆并聯(lián)（或非同相逆并聯(lián)）電路，并且每臺(tái)套整流機(jī)組直流電流不宜超過(guò)125kA。

整流機(jī)組配置為N模式，整流機(jī)組組數(shù)N=+2=4+

2=6臺(tái)套。本公司采用N+2模式，整流機(jī)組為8臺(tái)套，6臺(tái)套整流機(jī)組應(yīng)滿足全電流500kA，每臺(tái)套整流機(jī)組電流為N==83.33≈84kA。

額定直流電流IdN=1.1×=91.66≈92kA。

整流變壓器閥側(cè)交流相電流有效值I2=0.8165IdN=0.8165×

92=75.12kA。

整流變壓器容量ST=3U2PIdN=3×0.4275UdioIdN=1.047UdioIdN=1.047×1810×2×46=174346.44kVA，額定容量為175000kVA。

3 整流柜參數(shù)的選定

大功率整流器在電解鋁生產(chǎn)中具有至關(guān)重要的作用，其技術(shù)指標(biāo)是保證整機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵因素之一，合理設(shè)計(jì)并優(yōu)化可提高整流器的性能和穩(wěn)定性，從而提高電解鋁的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。需要注意的是，二極管的最大電壓和最大電流受額定電壓和額定電流的限制，因此選擇二極管時(shí)應(yīng)確保其額定參數(shù)能滿足所需應(yīng)用中的最大電壓和電流要求。同時(shí)，二極管的平均電流應(yīng)考慮系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和散熱能力，以確保二極管能夠在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟认鹿ぷ鳌?/p>

3.1 二極管校驗(yàn)

對(duì)ABB二極管4英寸元件5SDD5055N002、Bussmann5#單體快熔170M8091進(jìn)行校驗(yàn)，分別見(jiàn)表1、表2。

表1 5SDD5055N002元件參數(shù)表

符號(hào) 參數(shù)名稱 單位 參數(shù)值

IFAV 標(biāo)稱正向平均電流 A 4570

IFSM 正向不重復(fù)浪涌電流 kA 73.0

I2 tr 管芯電流平方時(shí)間積 mA2s 27.5

URRM 反向重復(fù)峰值電壓 V 5000

URSM 反向不重復(fù)峰值電壓 V 5500

rF 斜率電阻 mΩ 0.107

UFO 門(mén)檻電壓 V 0.8

Tj 最高工作結(jié)溫 ℃ 150

F 標(biāo)準(zhǔn)壓緊力 kN 90

表2 170M8091參數(shù)表

符號(hào) 名稱 單位 參數(shù) 備注

UR 額定電壓 V 1500 均方根值

IRN 額定電流 A 3000 均方根值

3.2 參數(shù)校驗(yàn)

使用二極管時(shí)，需要考慮其最大反向工作電壓和最大反向工作電流。超過(guò)這些限制會(huì)導(dǎo)致元件損壞。為了保護(hù)元件并延長(zhǎng)其壽命，在實(shí)際使用中需要考慮“儲(chǔ)備系數(shù)”。

3.2.1 二極管電壓儲(chǔ)備系數(shù)

電壓儲(chǔ)備系數(shù)是指在正常工作條件下，最大反向重復(fù)峰值電壓、最大反向工作電壓的比值，一般情況下電壓儲(chǔ)備系數(shù)為2～3，如公式（5）所示。

（5）

式中：KV為二極管電壓儲(chǔ)備系數(shù)；URRM為反向重復(fù)峰值電壓；URM為最大反向工作電壓峰值（三相橋式整流電路）；Udio為額定直流空載電壓。

則有URM=1.045×Udio=1.045×1810=1892V，Kv==

=2.64。

3.2.2 橋臂平均電流

橋臂平均電流是衡量二極管整流橋重要參數(shù)，其平均電流的計(jì)算對(duì)電路設(shè)計(jì)和分析非常重要。橋臂平均電流如公式（6）所示。

（6）

式中：ICP為橋臂平均電流；SC為串聯(lián)換相數(shù)，對(duì)于三相橋式整流電路SC=2，對(duì)于雙反星型帶平衡電抗器電路SC=1；IdN為額定電流輸出電流；nb為整流臂數(shù)（同相逆并聯(lián)為24臂，三相橋式整流為12臂）。

則有ICP===7.7kA。

3.2.3 二極管電流儲(chǔ)備系數(shù)

電流儲(chǔ)備系數(shù)是指在正常工作條件下，為了保證元件不受損壞，在額定值上留出一定的余量。電流儲(chǔ)備系數(shù)通常是每個(gè)橋臂元件額定正向平均電流與橋臂平均電流的比值，一般情況下橋臂電流儲(chǔ)備系數(shù)為3～5，這樣可以確保在瞬間負(fù)載或過(guò)載情況下元件不會(huì)受到損壞。二極管電流儲(chǔ)備系數(shù)如公式（7）所示。

（7）

式中：KI為二極管電流儲(chǔ)備系數(shù)；nby為整流橋臂并聯(lián)元件數(shù)；IFNV為元件額定正向平均電流（A）；ICP為橋臂平均電流（A）；Kgz為電流過(guò)載系數(shù)1.05～1.1；KKa為綜合系數(shù)0.5。

該項(xiàng)目考慮7只整流元件?？紤]n時(shí)，選擇7只進(jìn)行驗(yàn)算，如公式（8）所示；考慮（n-1）時(shí)，選擇6只進(jìn)行驗(yàn)算，如公式（9）所示。

（8）

（9）

3.2.4 整流柜均流系數(shù)

均流系數(shù)是各類(lèi)變流裝置整流柜重要參數(shù)。均流系數(shù)代表了整流柜某個(gè)整流橋臂并聯(lián)各支路整流元件均流情況的好壞。而均流情況的好壞又直接影響整流柜的安全運(yùn)行。均流系數(shù)的定義是同一橋臂中流經(jīng)并聯(lián)各支路元件的電流平均值與其中最大值的比值，如公式（10）所示。

（10）

式中：KC為整流柜均流系數(shù)；∑I為整流臂實(shí)際平均電流；nby為整流臂并聯(lián)元件數(shù)；Iman為整流臂內(nèi)最大導(dǎo)電電流；∑U為整流臂實(shí)際平均電壓；Uman為整流臂內(nèi)最大導(dǎo)電電壓。

由于硅整流元件伏安特性、整流臂的磁場(chǎng)分布、整流臂匯流母線電阻以及快速熔斷器電阻等因素影響，因此整流臂或硅整流元件電流不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致硅整流元件快熔熔斷。KC均流系數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 KC均流系數(shù)值

并聯(lián)元件數(shù)nby KC

2～5 0.9

6～10 0.85～0.8

11～15 0.8～0.75

16～20 0.75～0.7

3.2.5 損耗和整流效率

大功率整流器的一個(gè)顯著特點(diǎn)是常年不間斷地連續(xù)運(yùn)行，為負(fù)載提供強(qiáng)大的直流電能。在為負(fù)載提供直流電能的同時(shí)，整流器自身也要消耗能量，因此整流器的損耗ΔP和整流效率η是衡量大功率整流器技術(shù)性能優(yōu)劣的2項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)JB/T7840—1998《電化學(xué)用整流器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，額定直流電壓1560V整流器的整流效率不得低于99.6％。為了提高整流效率，必須設(shè)法降低損耗。在整流器的各項(xiàng)損耗中，二極管的正向損耗是主要的，約占總損耗的80％，因此降低二極管的正向損耗是提高整流效率的關(guān)鍵。降低二極管正向損耗的措施主要包括2個(gè)方面，一是盡可能降低整流管正向峰值電壓，二是適當(dāng)增加并聯(lián)支路。根據(jù)ZHWF-46000×2/1560整流器廠家標(biāo)準(zhǔn)，額定運(yùn)行條件下單臺(tái)整流器的損耗為141kW，對(duì)整流器效率進(jìn)行計(jì)算，如公式（11）所示。

（11）

式中：η為整流器效率；UdN為額定直流電壓；IdN為額定電流輸出電流；ΔP為整流器總損耗。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的整流效率提高0.2％，節(jié)能效果較明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電解鋁供電整流變壓器、整流器等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了選型分析，為降低大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)整流變壓器、整流器局部過(guò)熱的影響，減少設(shè)備大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象提供經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算依據(jù)。同時(shí)也能為電解鋁廠生產(chǎn)和設(shè)備制造廠帶來(lái)新的效益，加快我國(guó)大型鋁廠的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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