高電壓可控硅整流電源
摘要：在45KA/500V整流電源的基礎(chǔ)上，根據(jù)國際鋁電解發(fā)展趨勢，本所又開發(fā)成功國內(nèi)直流電壓最高的35KA/1150VDC同相逆并聯(lián)可控硅三相橋式整流電源,在技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)工藝上有進(jìn)一步的提高,達(dá)到當(dāng)代國際先進(jìn)水平。本文對此電源作簡要介紹，并對電源間環(huán)流作了初步分析。
關(guān)鍵詞：高電壓 同相逆并聯(lián) 可控硅 整流 環(huán)流
--、前言
進(jìn)入90年代以來，隨著我國電解鋁工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為降低能耗，對鋁電解直流電源的要求越來越高。目前我國很多鋁廠采用的是60年代后期引進(jìn)或國產(chǎn)的遞降變壓器+有載調(diào)壓開關(guān)與二極管整流器組成的供電電源系統(tǒng)，平均穩(wěn)流精度約5%，動態(tài)響應(yīng)差，有載開關(guān)壽命短、維修量大。80年代加入了飽和電抗器細(xì)調(diào)，減少了有載開關(guān)的動作次數(shù)，平均穩(wěn)流精度可達(dá)1~3%，但動態(tài)穩(wěn)流精度仍較差，影響可靠性。此類系統(tǒng)由于帶有載開關(guān)的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，穩(wěn)流精度低，系統(tǒng)投資高。80年代后期，國內(nèi)三家鋁廠（山東鋁業(yè)公司、貴州鋁廠、平果鋁廠）先后引進(jìn)由ABB公司生產(chǎn)的直降大電流可控硅整流機組，動態(tài)穩(wěn)流精度0.1%、整流效率高于98%，單臺整流器電流可達(dá)56KA，電流效率高、節(jié)能、無接點、無載跳閘、可靠性高、運行經(jīng)濟效益顯著，但進(jìn)口價格昂貴。1995年11月由天津電氣傳動設(shè)計研究所與山東鋁業(yè)公司聯(lián)合開發(fā)的單機容量45KA/500V同相逆并聯(lián)可控硅整流電源，在山東鋁業(yè)公司電解鋁廠投入運行。系統(tǒng)的整體性能達(dá)到90年代國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，穩(wěn)流精度0.1%、整流效率高于98%，而噪音、均流等指標(biāo)優(yōu)于同期的ABB產(chǎn)品；完全可以取代同類進(jìn)口產(chǎn)品，而投資比引進(jìn)國外產(chǎn)品節(jié)省40%以上；可實現(xiàn)無載跳閘、可靠性高、維修量小、有明顯的增產(chǎn)節(jié)能效果。本產(chǎn)品獲得97年中國有色金屬工業(yè)總公司科技進(jìn)步二等獎、機械工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎、98年國家科技進(jìn)步二等獎、被原國家科技委員會審定為國家級新產(chǎn)品。
當(dāng)前電解系列正朝著大電流、高電壓的方向發(fā)展，鋁電解系列最大電流達(dá)300KA，電壓達(dá)1200V。一個電解系列電解槽越多，所需的供電電源額定電壓越高，則供電整流系統(tǒng)效率越高，電解系列效益也越好。研制容量更大，額定電壓更高的高性能可控硅整流電源裝置是我國鋁電解工業(yè)的迫切需要，對鋁電解工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步有著重要意義。為此在中國有色金屬工業(yè)技術(shù)交流開發(fā)中心承包的長城鋁業(yè)公司水電廠電解整流電源系統(tǒng)技改項目中，推廣應(yīng)用我所研制的單臺整流器額定輸出為35KA/1150V的同相逆并聯(lián)可控硅整流電源。
二、直降大功率可控硅整流電源系統(tǒng)
1、 長城鋁業(yè)公司電解系列電源技術(shù)要求： 系列電流：80KA 系列電壓：1150V 穩(wěn)流精度：0.1% 整流效率：>98%
2、 電源系統(tǒng)配置
針對上述技術(shù)要求，經(jīng)過充分調(diào)研論證，考慮到今后系列電流尚需要強化，確定系列整流電源由4臺110KV直降同相逆并聯(lián)整流變壓器（江西變壓器廠生產(chǎn)）、4臺額定輸出為35KA/1150VDC的高性能同相逆并聯(lián)可控硅整流電源及一套110KV高壓濾波器（沈陽鋁鎂設(shè)計研究院研制）組成，由沈陽鋁鎂設(shè)計研究院完成總體設(shè)計。進(jìn)線電源為多進(jìn)線110KV系統(tǒng)，正常運行時4臺機組投入運行；當(dāng)一臺機組檢修時，其它三臺仍能滿足電解生產(chǎn)需要。4臺整流變壓器一次側(cè)為曲折接法，分別移相±22.5°、±7.5°，4臺運行時，系列輸出等效24相直流電壓。整流變壓器一次側(cè)采用無載倒段開關(guān)，使輸出直流電壓分別為1150V、950V，以保證在電解槽數(shù)較少時提高功率因數(shù)，降低諧波電流。整流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
三．35KA/1150V同相逆并聯(lián)可控硅整流電源的特點
在山東鋁業(yè)公司我所同相逆并聯(lián)45KA/500V可控硅整流電源成功運行的基礎(chǔ)上，針對長城鋁業(yè)公司高電壓的特點，在產(chǎn)品設(shè)計制造上作了周密細(xì)致的考慮，使整流電源的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步提高。
1 高絕緣強度
本裝置額定電壓為1150VDC，是國內(nèi)外同相逆并聯(lián)大電流可控硅整流裝置中的最高電壓。由于同相逆并聯(lián)技術(shù)特點是要求同相的兩根反極性母排的距離盡量小，否則其效果將大大削弱，為此對1150VDC的高電壓整流裝置結(jié)構(gòu)的絕緣作了必要的加強，以保證有足夠的絕緣強度，實際運行中，電網(wǎng)的電壓高達(dá)120KV以上，裝置仍正常運行。
2 降低噪音和振動
在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對整流器采取了整體加固措施，使本裝置的噪音和振動較山鋁產(chǎn)品有明顯的降低。
3 交流進(jìn)線
為保證交流進(jìn)線的對稱性和結(jié)構(gòu)的完整性，將同相同極性的交流母排聯(lián)成一體由中間進(jìn)線，且改進(jìn)了整流器交流母排的機加工工藝，保證了交流進(jìn)線母排聯(lián)接對稱。
4 無滲漏
針對原設(shè)計中主水管接頭易滲水,水管加壓后膨脹現(xiàn)象，設(shè)計制造了新的管接頭，采用高強度管材，有效地解決了滲水現(xiàn)象。
5 快熔冷卻
快熔采用雙面水冷措施，有效地降低了快熔的溫度。室溫為38℃，額定電流時快熔最高殼溫70℃左右。
6 采用高性能的西門子電容作為換相電容
此外，本裝置仍保留了45KA/500V整流電源的優(yōu)點：采用技術(shù)指標(biāo)優(yōu)秀的ABB４吋可控硅和法國FERRAZ快速熔斷器，本裝置的其它主要元件均采用進(jìn)口或中外合資廠家的產(chǎn)品。每臺整流電源配置2臺浪涌保護(hù)箱、3臺就地控制柜：電流調(diào)節(jié)柜、信號保護(hù)柜、輔助電源柜。全部設(shè)備均由天津電氣傳動設(shè)計研究所設(shè)計制造。
綜上所述，長城鋁業(yè)公司所用的35KA/1150V同相逆并聯(lián)可控硅整流器具有比45KA/500V電源更高的技術(shù)指標(biāo)和工藝水平，在實際運行中可靠工作。
四.自動穩(wěn)流控制系統(tǒng)
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
每臺整流電源電流調(diào)節(jié)柜中的自動穩(wěn)流控制系統(tǒng)，采用獨立的電流閉環(huán)控制，具有優(yōu)秀的穩(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(dá)0.1%。
圖2為自動穩(wěn)流控制系統(tǒng)方框圖，其穩(wěn)流原理簡要說明如下：當(dāng)某一電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時，其槽壓由4V階躍到30V左右，導(dǎo)致直流電流Id下降，If隨之下降，差值電流DI=Idg-If -，使觸發(fā)角a前移，輸出直流電壓迅速升高，保持直流電流不變。由于系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)好，調(diào)節(jié)過程在毫秒級即可完成，因此輸出直流電流波動很小，僅幾十安培。對于電網(wǎng)波動，同樣可實現(xiàn)自動穩(wěn)流。
2.整流電源的電流給定
(1) 本地給定：在電流調(diào)節(jié)柜上手動設(shè)定所需的運行電流，一般用于調(diào)試階段。
(2) 遙控給定：在主控室各機組對應(yīng)的1#~4#整流器控制柜手動設(shè)定，通過變換器將電流給定信號變?yōu)?~20mA的電流源信號，送到電流調(diào)節(jié)柜，這樣可有效地避免長距離傳輸可能受到的干擾。在正常運行時，操作人員可在主控室靈活控制各整流器的運行電流，彼此不受約束。
(3) 計算機給定：由主控室上位機數(shù)字設(shè)定電解系列總電流給定，與裝設(shè)于總直流母排上的LEM直流傳感器的總電流反饋信號組成閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)系列電流自動穩(wěn)流。計算機將總給定通過變送器變成0~20mA信號分別送達(dá)每個整流機組，所有受控機組有相同的電流給定。
實踐證明，設(shè)置上述三種給定,操作靈活、快速，在需要切投某機組時系列電流無明顯波動。在計算機控制機組投入切除的過程中，各機組的輸出電流值自動平均分配，可靠地保證了電解生產(chǎn)的需要。
3. 整流電源的信號保護(hù)系統(tǒng)
每個整流電源均有一臺信號保護(hù)柜，具有完善的保護(hù)功能，柜內(nèi)配置了OMRON C200H系列可編程序控制器（PLC），I/O信號量可達(dá)200點，并可根據(jù)需要靈活擴展。PLC根據(jù)系統(tǒng)的保護(hù)和工藝要求完成各種信號的采集、處理，實現(xiàn)機組的投、切操作、故障信號的記憶、報警；在發(fā)生跳閘故障時通過調(diào)節(jié)柜實現(xiàn)推b、封脈沖及無載跳閘操作；同時，PLC將所有的信號送至主控制室上位機控制系統(tǒng)（淄博凱鵬高科工貿(mào)有限責(zé)任公司研制），由上位機實現(xiàn)分類處理、報表打印及聲光報警等，每個故障跳閘信號和故障報警信號均可顯示和打印輸出，PLC信號保護(hù)系統(tǒng)具有下述功能。
(1) 電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)
a. 當(dāng)電流輸出>112% IdN（IdN為直流額定電流值）時，報警，系統(tǒng)正常工作；
b. 當(dāng)裝置快熔熔斷一只時，報警，并自動使整流電流輸出減小20%，系統(tǒng)繼續(xù)運行；
c. 當(dāng)±15V、+24V、同步電源異常、輸出電流達(dá)125%IdN、、快熔熔斷二只等任一故障發(fā)生時，系統(tǒng)通過PLC推b，使電源電流輸出迅速降至零，同時通過PLC操作高壓斷路器實現(xiàn)無載跳閘；
d. 當(dāng)IdN>130%IdN時，電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動推b，使IdN在十幾毫秒內(nèi)迅速降為零。
(2) 冷卻系統(tǒng)
a. 跳閘信號：主水（去離子水）水溫高、主水低水位、主水低流量、主水高電導(dǎo)；
b. 報警信號：主水低水位、主水低流量、主水水溫高、付水失壓。
(3) 變壓器
a. 跳閘信號：交流電流過載、浪涌過壓、浪涌電流瞬斷、浪涌電流過流、三相不平衡、壓力釋放閥釋放、重瓦斯；
b. 報警信號：變壓器高溫、輕瓦斯、高油位、低油位、備用冷卻器自投、冷卻器油泵過載、冷卻器風(fēng)機過載、冷卻器油泵流量失常。
五．調(diào)試和投運
1 出廠調(diào)試
本系統(tǒng)全部4套整流電源研制完成后，在出廠時進(jìn)行了嚴(yán)格的系統(tǒng)調(diào)試、高壓小電流試驗和低壓大電流試驗。
2 現(xiàn)場調(diào)試
1999年12月進(jìn)行現(xiàn)場投運調(diào)試：
⑴低壓短路大電流試驗，每臺機組額定負(fù)載連續(xù)運行8小時；
⑵高壓小電流試驗；
⑶機組抗干擾試驗。
3 帶電解槽運行
機組直接帶電解槽的并聯(lián)投運調(diào)試：整流器負(fù)荷均衡24小時運行；一臺整流器35KA，其它負(fù)荷均衡24小時運行。 經(jīng)現(xiàn)場測試，整流裝置可控硅的均流系數(shù)均為0.9以上，電流穩(wěn)流精度達(dá)到0.1%。投運后，運行正常，工作可靠，達(dá)到廠家技術(shù)要求。
六.整流電源運行噪音及振動
1 單臺整流電源帶電解槽運行，由于加工工藝和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn), 同山鋁45KA/500V電源相比,運行時噪音及振動均顯著減弱。
2 整流電源首次并聯(lián)帶電解槽運行，當(dāng)各整流電源電流升至14KA~20KA，整流電壓200多伏時，整流室內(nèi)直流輸出母排振動強烈，噪音很大，分析原因如下：
(1) 可控硅整流電源具有自動穩(wěn)流的特點，它根據(jù)DI的大小自動改變觸發(fā)角a來調(diào)節(jié)輸出直流電壓以達(dá)到穩(wěn)流的目的，在升電流的過程中觸發(fā)角a在90°－25°之間變化；
(2) 為增加輸出相數(shù)，減小網(wǎng)側(cè)諧波，各整流電源交流進(jìn)線電壓之間存在一定的相位差（本系統(tǒng)為15°）。當(dāng)系列電壓較低時，a角很大，各整流電源輸出直流電壓的瞬時值有很大的差值。各整流電源直流輸出母排是直接并聯(lián)到匯流母排，沒有限流電抗器，僅靠母排之間微弱的分布電感來限流，所以此時將產(chǎn)生很大的動態(tài)環(huán)流，整流電源額定電壓越高，差值越大，環(huán)流越大；而在二極管整流系統(tǒng)中，其a角始終為0°，電壓瞬時值的差值不大，所以動態(tài)環(huán)流也較小。
(3) 由于整流電源輸出直流電流很大，直流輸出母排多采用多根鋁母排并聯(lián)構(gòu)成，這些鋁母排中流過同極性電流，因而在鋁母排之間產(chǎn)生相斥的電動力，如果鋁母排截面較小，而高頻動態(tài)環(huán)流很大，這樣電源直流輸出母排將產(chǎn)生很大的振動和噪音，甚至出現(xiàn)機械共振，這是高電壓可控硅整流器的特殊問題。
經(jīng)計算，本系統(tǒng)各整流電源間直流電壓瞬時值的差值最大可達(dá)1000V左右，從而會形成很大的高頻環(huán)流，因而產(chǎn)生了很大的振動和噪音。根據(jù)ABB及我所可控硅整流機組現(xiàn)場調(diào)試運行經(jīng)驗，整流室內(nèi)直流輸出母排應(yīng)盡量選用大截面鋁母排并聯(lián)為好，并安裝牢固。本系統(tǒng)在改進(jìn)和加固直流母排后，振動和噪音已降至正常水平。
七．整流電源的主要技術(shù)指標(biāo)
輸入電壓：同相逆并聯(lián)1005VAC、三相、50Hz
輸出電壓：1150VDC
輸出電流：35KADC
穩(wěn)流精度：0.1%
整流效率：98.5%
噪音：<90dB
均流系數(shù)：>0.90
過載：112%報警
過流：125%跳閘
重量：約3噸
體積：2300′2800′1150mm
八．結(jié)論
本電源穩(wěn)流精度、均流系數(shù)、噪音等指標(biāo)均達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平，整流裝置設(shè)計合理、技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)新穎，工作可靠，是國內(nèi)單臺容量最大的（40.25MW）直流電壓最高的同相逆并聯(lián)可控硅整流電源。其價格較國外引進(jìn)的同類產(chǎn)品低40%以上，產(chǎn)品工藝水平同進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)，完全能夠取代進(jìn)口的同類產(chǎn)品，是大型鋁電解電源理想的更新?lián)Q代設(shè)備。