电解铝用超大功率整流器的设计

作者：时间：2011-02-12来源：网络收藏

摘要：主要介绍电解铝用220kA、1220V、ZHS型超大功率整流器的技术参数和结构设计，以求达

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179880.htm

到高效率、低损耗、小体积、高可靠性等要求。

关键词：超大功率整流器铝电解自动稳流技术高效率

Design of Superhigh Power Rectifier for Use in Electrochemistry

Abstract: This paper mostly introduces techno－ parameter and structure design of superhigh power rectifier of ZHS type 220kA/1220V for electrochemistry in order to obtain high efficiency and low waste and small volume and high reliability.

Keywords:Superhigh power rectifier Electrolysis aluminium Automatic stabilized current technique High efficiency

电解铝用超大功率整流器，由于其高电压、强电流以及电解铝的工艺要求，如何使其达到高可靠性、高稳定度、高效率一直是用户十分关注的问题。这篇文章的理论性及实用性均较好，特此推荐，值得从事超大功率电化学整流器的设计者和使用者一读。

　　青铜峡铝厂三期工程是我国目前规模最大的电解铝在建项目。建成后，单系列年产铝将达到14万吨，也是当前世界上最大的电解铝工程之一。其整流电源全部采用国产设备。国内现已建成投运的最大电解铝生产线单系列年产是10万吨的规模，除最近投运的云南铝厂采用国产设备外，其余8～10万吨级电解铝工程均采用国外引进设备。对于系列电流达220kA、电压为1220V年产量14万吨电解铝的超大功率整流电源设备的研制，其主要技术特点是要求达到高效率、低损耗、小体积、高可靠性和高度的自动化水平，在国内同类产品中居领先水平，在国际上也具有代表性。

1整流装置的主要技术参数

整流电流（系列）：220kA。

整流电压：1220V

理想空载直流电压：1450V

整流机组数：4组

单机组额定整流电流：（37000×2）A

单机组额定直流功率：90.3MW

整流效率：99.8％

整流主电路连接形式：三相桥式同相逆并联连接。

电网供电电压：220kV

等效整流相数：单机组为等效12相整流，4机组组成等效48相，整流变压器网侧采用曲折星形和六边形移相。

国内目前几个单系列年产8～10万吨大型电解铝项目的整流器与本项目的主要技术指标对比如表1。表中除青海铝厂一期是80年代投产的以外，其余都是90年代开始投入运行的。由此对比可见，本装置主要技术参数和性能指标的水平在同类产品中是领先的。

　　表1

电源技术参数	平果铝厂	贵州铝厂一期	贵州铝厂三期	青海铝厂一期	青海铝厂二期	云南铝厂	青铜峡三期
单系列年产量（万吨）	10	8	8	10	10	10	14
交流电网电压（kV）	220	220	220	110	110	220	220
额定直流电压（V）	1150	680	920	1150	1150	850	1220
系列电流（kA）	160	180	160	160	160	180	220
单机组直流电流（kA）	56	68	56	56	56	68	74
机组数（个）	4	4	4	4	4	4	4
四机组运行时效率（％）			98.4机组	98.4机组	98.4机组	99.6装置	99.8装置
整流元件	晶闸管	整流管	晶闸管	整流管	整流管	整流管	整流管
机组整流管数（只）	72	192	72	144	168	144	240
整流元件规格	3750A3400V	1600A3000V	3750A3400V	1340A3200V	1100A3200V	3500A3500V	3000A5000V
制造厂商	瑞典ABB	日本富士	瑞典ABB	瑞士ABB	西门子	西整厂	西整厂

2整流管与快速熔断器

　　整流管是核心器件，其技术指标是保证整机技术水平的关键因素之一。3英寸高压低损耗整流管的研制成功，为开发高压大功率整流装置奠定了基础。该装置中采用的整流元件是管芯直径为3英寸的ZP3000－50整流管，其正向平均电流为IF（AV）=3000A，反向重复峰值电压URRM=5000V。

　　快速熔断器也是装置中的重要元件。根据快熔的

选用原则，要求快熔的额定电压UN尽可能地与使用电压（即变压器阀侧电压）UVO接近，选用RSH11－3600型的快速熔断器可以满足要求，即额定电压UN=1100V（与UVO=1073V接近），额定电流IN=3600A，并要求分断能力大于100kA。

其它相关参数可见表2。用快熔作各并联支路整流管过流保护，要求I2tf≤0.9I2tv而RSH11－3600不能满足这个要求。但对于多只整流管并联联接的整流电路，按有关标准规定，快熔只起隔离故障支路作用，选用RSH11－3600快熔也是可以的。若选用电流更小些的快熔，也可以降低其I2t，但这样会限制整流管能力的发挥。

表2

参数名称	参数值
每臂并联整流管只数np(只)	10
均流系数KI	0.86
整流管电流储备系数KAI（倍）	4.4
整流管电压储备系数KAV（倍）	4.1
整流管的I2tv(A2s)	15×106
快速熔断器的I2tf(A2s)	18×106

3损耗及整流效率

用于电化学工业的整流装置的一个显著特点是常年不间断地连续运行，为负载提供强大的直流电能。在为负载提供直流电能的同时，整流装置自身也要消耗能量。所以整流装置的损耗△P及整流效率η是衡量电化学用整流装置技术性能优劣的两项重要指标。按照JB/T7840－1998《电化学用整流器》标准规定，额定直流电压1250V整流器，其整流效率不得低于99.6％。为了提高整流效率，必须设法降低损耗。在整流装置的各项损耗中，整流管的正向损耗是主要的，约占总损耗的80％，因此，降低整流管的正向损耗是提高整流效率的关键。降低整流管正向损耗的措施主要有两个方面：一是尽可能地减小整流管正向峰值电压；二是适当增加并联支路。按西整厂的企业内控标准，ZP3000－50整流管当峰值电流为6000A时，正向峰值电压UFM≤1.7V。每臂并联整流管只数由7只增加到10只。根据标准的规定，可以求得额定运行条件下整流装置的各项损耗如表3。

表3

损耗的名称	数值（kW）	占总损耗的（％）
整流管的正向功率损耗P1	81.4	78.95
整流管反向损耗P2	0.62	0.60
快速熔断器损耗P3	5.9	5.72
母线损耗P4	12.2	11.83
其它损耗P5	3	2.91
总损耗△P=P1＋P2＋P3＋P4＋P5	103.1	100