用國產(chǎn)整流設(shè)備替換進口整流設(shè)備的技術(shù)對比與分析
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圖4 同軸式整流臂電流流向示意圖
由圖4可見，在整流裝置這一部分，按電流流向和磁場分布規(guī)律，交變磁場的大部分能夠被抵消。但是，直流母線框后面去整流變壓器一段的交變磁場不能被抵消。
采用同軸結(jié)構(gòu)，整流變壓器的引出線結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單。
在西吉萊克的整流裝置中，4英寸整流二極管采用單面水冷卻，將4英寸器件當(dāng)3英寸器件使用。這樣，有利于減小整流裝置損耗，簡化水路結(jié)構(gòu)。但設(shè)備造價要相應(yīng)地提高。
2.2.3 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)
同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式是日本富士電機及中國各主要整流器制造廠家普遍采用的結(jié)構(gòu)方式。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖5和圖6所示。
圖5 三相橋式同相逆并聯(lián)整流主電路連接原理圖
圖6 同相逆并聯(lián)整流臂電流流向和磁場分布示意圖
同相逆并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用始于上世紀70年代。是從根本上消除大電流交變磁場負面影響的一種治本的辦法。從整流變壓器繞組引出端開始，到整流裝置直流匯流點為止，除飽和電抗器一段（在飽和電抗器以前）之外，所產(chǎn)生的交變磁場的大部分能夠被相互抵消掉。對消除渦流發(fā)熱，降低閥側(cè)母線電抗壓降和減小交變磁場對電流分配的影響都特別有效。
采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，必須處理好兩個同相逆并聯(lián)連接的整流臂之間絕緣問題，以防止發(fā)生短路故障。經(jīng)過不斷地研究和改進，現(xiàn)在這個問題已經(jīng)得到了解決，不再是影響同相逆并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的障礙。如果不受快熔分斷能力的限制，采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)繼續(xù)增加整流機組單機電流的空間最大。
3 整流器件和快速熔斷器
整流器件和快速熔斷器都是整流裝置中的核心元器件，其技術(shù)水平和性能指標是保證整機技術(shù)水平的關(guān)鍵。二者之間選配得合理與否對于整個整流機組是至關(guān)重要的。
3.1 整流器件
3.1.1 目前國內(nèi)外整流器件的實際水平
現(xiàn)在，不管是國內(nèi)還是國外，用于整流的電力半導(dǎo)體器件（即整流器件）的技術(shù)水平和性能指標都有了很大的提高。目前，在實際工業(yè)應(yīng)用中，整流器件能夠達到的最高電流和電壓等級如表3所列。
表3 目前整流器件最高電流和電壓等級
| 參數(shù)名稱 | 4英寸二極管 | 4英寸晶閘管 | 5英寸電觸發(fā)晶閘管 | 5英寸光觸發(fā)晶閘管 |
|---|---|---|---|---|
| 管芯直徑/mm | 100 | 100 | 125 | 125 |
| 正向（通態(tài)）平均電流/A | 3400～7400 | 2700～4500 | 3000 | 3000 |
| 反向（斷態(tài)）重復(fù)峰壓/V | 1200～6500 | 1200～5200 | 6800～7800 | 8000 |
| 主要生產(chǎn)供應(yīng)商 | 株洲機車所ABB | 西電所英國西碼 | 西電所ABB | 德國EUPEC |
3.1.2 國內(nèi)外整流器件技術(shù)參數(shù)對比
一般情況下，采用4英寸器件，其電流、電壓等級選擇范圍比較寬，每個整流臂并聯(lián)4～6只就能滿足要求。對于需要多器件并聯(lián)的同類整流裝置而言，4～6只并聯(lián)是最合理的選擇。所以，目前在電解鋁工程中大量使用的還是4英寸的整流器件。
在表4中，以4英寸二極管為例，列出國產(chǎn)器件和進口器件的主要參數(shù)的對比。同時也列出了原BBC用于中鋁青海分公司一期工程的2英寸二極管（型號為DSA1208－29A）的主要參數(shù)。
| 符號 | 參數(shù)名稱 | 單位 | 參數(shù)值 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| BBC | ABB | 國產(chǎn) | |||
| 管芯直徑 | mm | 50 | 100 | 100 | |
| IF（AV） | 正向平均電流 | A | 2410 | 4680 | 4200 |
| IFSM | 正向不重復(fù)流涌電流 | kA | 31 | 73 | 55 |
| I2t | 浪涌電流平方時間積 | 106A2·s | 4.8 | 26.6 | 15.1 |
| I2tc | 管殼不破裂的電流平方時間積 | 106A2·s | 85 | ||
| VRRM | 反向重復(fù)峰值電壓 | V | 2900 | 5000 | 5000 |
| VFM | 正向峰值電壓 | V | 1.33 | 1.49 | |
| ΔVF | 正向峰值壓降分散性 | mV | ±10 | ±100 | |
| rF | 斜率電阻 | mΩ | 0.15 | 0.112 | 0.082 |
| V(FO) | 門檻電壓 | V | 0.85 | 0.77 | 1.08 |
| Rjc | 結(jié)殼直流熱阻 | K/kW | 15 | 5.7 | 6.0 |
| Tj | 內(nèi)部等效結(jié)溫 | ℃ | 160 | 150 | 150 |
| F | 緊固力 | kN | 21 | 90 | 90 |
由表4可見，國產(chǎn)器件和國外器件相比，盡管在性能參數(shù)上還存在一些差距，但其基本參數(shù)如電流、電壓等級已非常接近或者相等。
3.1.3 國產(chǎn)器件和進口器件的主要差別
1）國產(chǎn)器件通態(tài)電壓高，相對損耗也大。以一個額定輸出電流76（=38×2）kA的整流機組為例，在滿載運行條件下，一個機組要增加損耗38kW（=18.9×2）。
2）進口器件的浪涌電流大，其較強的抗短路沖擊能力，有利于合理選配快速熔斷器。
3）進口器件通態(tài)電壓分散性小、一致性好，斜率電阻大、門檻電壓低，有利于均流和保持均流穩(wěn)定。
3.2 快速熔斷器及其選配
按照電解鋁供電電源的運行特點，快速熔斷器的主要作用是隔斷故障支路，保護完好的整流臂，防止事故擴大。表5列出了幾種在電化學(xué)用整流裝置中大量使用的大電流快熔的主要技術(shù)參數(shù)。
從保護方面而言，快速熔斷器的熔斷I2t和極限分斷能力是兩個非常重要的參數(shù)，選型時必須滿足以下幾點要求：
1）要求快速熔斷器的熔斷I2t必須小于器件管殼不破裂能承受的最大I2t。當(dāng)整流臂的某支路整流器件因擊穿而發(fā)生閥側(cè)短路時，要求與該故障支路器件串聯(lián)的快熔必須在器件管殼可能爆裂之前就要熔斷，以防止器件管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。如表4所列，ABB4英寸二極管管殼不破裂能承受的最大I2t=85MA2·s，要求所選配的快熔的熔斷I2t必須小于這個值。
2）要求快速熔斷器的極限分斷電流必須大于故障（整流）臂能產(chǎn)生的最大預(yù)期短路電流。例如，一個額定直流輸出（37×2）kA／1220V的整流機組，發(fā)生閥側(cè)短路時，最大預(yù)期短路電流約186kA。所以，要求快熔的極限分斷能力必須大于186kA。如果快熔分斷能力達不到這個要求，有可能發(fā)生管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。
3）要求每個整流臂上各并聯(lián)整流器件的浪涌電流平方時間積（即每個器件的I2t）之和必須大于與器件串聯(lián)的快熔的I2t。按圖7所示電路，查表4和表5，3只ABB器件（4680A/5000V）的I2t之和26.6×3=79.8MA2·s大于一個Bussmann快熔（4500A/1100V）的I2t=67.5MA2·s。因此，要求每個臂的并聯(lián)元件數(shù)不得少于3只。
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