電解鋁企業(yè)整流所改造中330kA晶閘管整流柜的應(yīng)用

（沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽 110001）

0.引言

330kA晶閘管整流柜是一種大功率的整流器，近幾年此類晶閘管的整流柜也在電解鋁的行業(yè)中逐漸得到了推廣與應(yīng)用。在電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)中，整流所的穩(wěn)定供電至關(guān)重要，直接關(guān)系到電解系列的正常和高效生產(chǎn)，為了保證其生產(chǎn)工作的高質(zhì)高效進行，電解鋁企業(yè)就需要借助大功率晶閘管的整流柜進行整流所的改造，而電解鋁企業(yè)整流所改造中如何進行大功率晶閘管整流柜的應(yīng)用，就是文章主要研究的內(nèi)容。

1.某電解鋁企業(yè)整流所情況

在此電解鋁的企業(yè)內(nèi)，其電解系列的整流所內(nèi)負荷帶有140臺電解槽，具有660V直流電壓、330kA直流電流，其年產(chǎn)的電解鋁達到12萬噸。此整流所內(nèi)，主要通過220kV的電網(wǎng)進行供電，通過5臺71800kV·A容量整流的變壓器對5組的整流機組實施供電。在每組的機組中，進行1臺數(shù)量調(diào)壓的變壓器、1臺數(shù)量整流的變壓器配置，選擇55級別有載調(diào)壓的開關(guān)和5臺數(shù)量整流器以并聯(lián)方式進行供電處理。

2.此企業(yè)整流設(shè)備現(xiàn)狀

對此企業(yè)整流設(shè)備的實際情況進行分析，發(fā)現(xiàn)存在諸多的問題。首先，橋臂間存在過近的距離，因為安全距離的不足導(dǎo)致弧光容易出現(xiàn)相間的短路情況；在正負匯流的銅排間、橋臂的底部位置絕緣支撐、相間橋臂等絕緣較為薄弱，若絕緣下降易出現(xiàn)短路的事故。其次，目前晶閘管對脈沖系統(tǒng)觸發(fā)的電路是單通道的模式且無冗余，若對脈沖電路產(chǎn)生的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，整流柜就會出現(xiàn)脈沖控制的失去；且還存在電源失電控制、電源失電同步、缺相和脈沖的丟失等情況電路保護設(shè)計的缺乏。再次，在實際的運行期間，在單柜的電流比38kA大時，柜體會出現(xiàn)較大的噪聲和振動，且呈現(xiàn)均流不好或者快熔損壞等異常的情況。面對這種情況，在1臺機組進行檢修或者出現(xiàn)故障而停機時，其4臺機組就不能對330kA輸出，不能對電解工作額定電流的要求滿足，會被迫降到290kA的電流，進而對生產(chǎn)工藝的平衡性產(chǎn)生破壞，增加損耗，且降低產(chǎn)量和效率[1]。

3.電解鋁企業(yè)整流所改造中330kA晶閘管整流柜的應(yīng)用

3.1 合理設(shè)計整流柜的技術(shù)參數(shù)

（1）主要的技術(shù)參數(shù)。此單柜的額定直流電壓（Udn）為660V的輸出；單柜的額定直流電流（Idn）為44kA的輸出；穩(wěn)流的精度為0.1%；均流的系數(shù)超過0.9；在整流接線中，采用三相橋同、相逆的并聯(lián)方式；整流單柜輸出6脈波的脈波數(shù)；在調(diào)壓中，變壓器存在有載的調(diào)壓粗調(diào)和晶閘管的相控細調(diào)方式，細調(diào)在0%～100%的Udn范圍；過載的能力是Ⅱ級別實現(xiàn)100%的連續(xù)、1min的150%。（2）合理選擇整流的主柜內(nèi)元器件。對晶閘管的元件參數(shù)進行確定中，要求單柜電流為44kA、2組的三相橋、閥側(cè)有12條的進線；其閥側(cè)臂的電流Iep=44000/2×0.557=12694A，閥側(cè)臂的平均電流為(44000/2)×(1/3)=7333A，在每臂中，選擇ABB的公司所生產(chǎn)5STP 45Q2800_4500A/2800V的可控硅72個數(shù)量，法國的巴斯曼所生產(chǎn)3500A/680V的快速性熔斷器72個數(shù)量使用；電流的儲備系數(shù)（k）為5000×6×0.95÷7333 =3.89，電壓的儲備系數(shù)（kV）為2800/660=4.24。（3）計算快熔參數(shù)。在一44kA的整流單元發(fā)生短路時，其快熔的不融化選擇就會進行計算，假設(shè)若AB之間出現(xiàn)短路，其整流柜的交流電源就會跳閘。通過計算得知，快熔能夠承受最大為15ms的沖擊電流，對選型手冊查選可以得知，在15ms快熔下熔化電流為32kA，比23387A要大，因此滿足實際的要求[2]。

3.2 穩(wěn)流控制

（1）智能化整流柜。對每一個整流柜中進行一套智能化控制系統(tǒng)的安裝，此系統(tǒng)內(nèi)有智能檢測的單元、傳感器、通信的接口、相應(yīng)輸入和輸出的接口電路。因為進行智能化控制系統(tǒng)的引入，對常規(guī)表計以及指示燈取消，對整流柜的控制、操作、信息的傳遞與顯示、狀態(tài)的監(jiān)視等都實現(xiàn)智能化的效果。（2）穩(wěn)流的原理。在所有整流的控制柜內(nèi)自動穩(wěn)流的控制系統(tǒng)中，都使用獨立性電流的小閉環(huán)管控系統(tǒng)，它在穩(wěn)流性能方面十分優(yōu)越，即便出現(xiàn)多個的陽極效應(yīng)情況，其動態(tài)的穩(wěn)流精度依然能夠達到0.1%。它的原理為：若某一個電解槽出現(xiàn)陽極效應(yīng)后，它的槽壓就會從4V階躍至越35V，造成Id直流電流發(fā)生下降，而If也隨之發(fā)生下降，此時差值電流為Id—If呈現(xiàn)上升，導(dǎo)致α向前移動，輸出的直流電壓就會迅速地升高，來使直流保持不變。因為系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)具有很快的速度，調(diào)節(jié)的過程毫秒級內(nèi)就能夠完成，所以直流電流輸出的波動就會很小，僅僅有幾百安培的情況，且對電網(wǎng)波動同樣能夠?qū)崿F(xiàn)自動地穩(wěn)流效果。（3）穩(wěn)流的電流給定。在穩(wěn)流的電流給定中，主要有就地給定、計算機的大閉環(huán)式穩(wěn)流系統(tǒng)、計算機遙控集中給定3種方式。在就地給定中，主要是對整流的控制柜上進行所需運行電流的手動設(shè)定。在計算機遙控集中給定中，于主控室的上位機上把所對應(yīng)#1～#5的整流控制相應(yīng)設(shè)定值借助變換器將光纜的信號從電流所給定光信號進行0mA～20mA電流源的信號轉(zhuǎn)變，并分別送至整流的控制柜內(nèi)，這樣就能夠?qū)﹂L距離的傳輸可能會出現(xiàn)的干擾實現(xiàn)避免。正常運行的狀態(tài)時，相關(guān)操作人員能夠在主控室內(nèi)對各整流器運行的電流靈活控制，且彼此不會受到約束影響。在計算機的大閉環(huán)式穩(wěn)流系統(tǒng)內(nèi)，因為主控室的上位機進行電解系列的總電流其給定值數(shù)字設(shè)定，和上位機位置10路的總加信號、裝設(shè)在總直流的母排上萊姆直流的傳感器總電流的反饋信號構(gòu)成了大閉環(huán)式自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對系列電流的自動化穩(wěn)流效果。計算機把總給定借助變送器進行0mA～20mA的信號轉(zhuǎn)變，分別送到每個整流的機組內(nèi)，全部受控機組通過相同電流實施給定。

在上述的3種給定中，具有靈活和快速操作特點，在對某臺機組切換投時，系列的電流也內(nèi)有明顯的波動現(xiàn)象。通過計算機對機組的投入和切除控制中，其各機組內(nèi)輸出的電流值能夠自動和平均地分配，實現(xiàn)對電解的生產(chǎn)需要有效保障。

3.3 機組的可編程式監(jiān)控系統(tǒng)

（1）對運行進行操作。此系統(tǒng)可以對整流柜電源控制、電源的分合閘強觸發(fā)、對有載開關(guān)的升降擋、對高壓開關(guān)的分合閘、相關(guān)輔機的合分閘等操作，還能夠?qū)κ謩幼詣舆M行切換、對近控和遠控進行切換、對備用系統(tǒng)進行切換、對交直流的反饋進行切換、緊急的跳閘、脈沖封鎖等。（2）對故障的檢測、報警與保護。在控制柜、直流刀、整流柜、水系統(tǒng)和整流的變壓器等系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠?qū)嵤┞暪獾膱缶野凑展收系念愋筒扇∠鄳?yīng)的保護處理手段。（3）對數(shù)據(jù)的采集。通過PLC內(nèi)I/O的端口來對整流的控制柜、直流的刀閘、高壓的開關(guān)、油風(fēng)冷和純水冷式有載開關(guān)的擋位等相關(guān)開關(guān)量的狀態(tài)實施采集；對現(xiàn)場的模擬量，如導(dǎo)通角、直流的電流和電壓、水溫、水壓、油溫和有載的檔位等實施采集，為機組的運行和管理進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提供。（4）數(shù)字化的通信。使用可編程的邏輯控制器PLC通信模塊的接口，對工業(yè)現(xiàn)場的總線完成柜內(nèi)的各智能化數(shù)字模塊和觸摸屏的人機界等設(shè)備的通信網(wǎng)構(gòu)建，實現(xiàn)數(shù)字化的通信，并和外部系統(tǒng)的機組PLC、上位的計算機其工作站和工藝分散的控制系統(tǒng)間實現(xiàn)數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)控制。

3.4 改造的過程和效果分析

在改造過程中，主要涉及到安裝、調(diào)試、調(diào)整、消缺以及空載的小電流與帶負荷的試驗等。其實質(zhì)的內(nèi)容包括原有整流器的控制柜、A/B柜、過電壓的吸收箱、穩(wěn)流柜和均流儀的拆裝；對地溝開鑿和砌筑，對地腳螺栓澆筑，對控制電源的電纜敷設(shè)，對閥側(cè)母線加工，對直流出線的裝置吊架制作，對電源開關(guān)和其隔離的開關(guān)以及調(diào)壓整流的變壓器組與附屬的信號進行連接。面對調(diào)試期間存在整流柜的橋臂有加工銅屑遺留，導(dǎo)致橋臂發(fā)生異常和溫度高而跳閘、匯流的銅排安裝不平整以及螺栓緊固的不到位等情況，通過相應(yīng)處理措施的采取，對影響設(shè)備的可靠運行相應(yīng)因素實施消除[3]。

在改造處理后，其水冷橋臂的元件運行中平均為30℃的溫度，單機組的元件橋臂其均流系數(shù)為85%、穩(wěn)流的精度為0.1%，其均流、噪音和電流帶載的能力都滿足預(yù)期技術(shù)的效果，有效提升了整流系統(tǒng)的可靠性。在此次技改中，通過對進口元件選型以及對加工工藝、結(jié)構(gòu)上多項技術(shù)實施改進，對5臺數(shù)量整流機組全部改造完成后，當(dāng)電解系列的電流在1臺發(fā)生檢修時，而其他4臺的機組也具備對系列電流要求340kA進行提供，從而保證電解的生產(chǎn)不會受到降負荷的影響，對電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好條件。

3.5 此新設(shè)備的優(yōu)點

此新設(shè)備在使用中呈現(xiàn)出諸多的優(yōu)點，如絕緣強度高、降低振動和噪音、無滲漏、快熔冷卻、進口元件性能高等。在絕緣強度高方面，對整流裝置的結(jié)構(gòu)絕緣性實施加強，以確保絕緣的強度足夠，對交直流的臂間和橋式的相間以及閥側(cè)銅排的進端柜頂位置直流正負的母線間均實施絕緣的特殊性處理。在降低振動和噪音方面，此整流器對整體實施加固處理的措施，有效降低了裝置噪音以及振動。在無滲漏方面，原來的設(shè)計中其主水管的接采取管箍的形式，常出現(xiàn)滲水的情況，要停機實施處理，對電解運行產(chǎn)生影響，而新柜體采取管螺紋的接頭形式，對滲水問題實現(xiàn)有效解決。在快熔冷卻方面，對快熔采取雙面水冷的處理方式，對有快熔溫度有效降低，對快熔壽命以及穩(wěn)定性實現(xiàn)延長。在進口元件性能高方面，采用了技術(shù)指標(biāo)較為優(yōu)秀的5STP 45Q2800_4500A/2800V類型可控硅和法國巴斯曼所生產(chǎn)3500A/680V的快速性熔斷器，在每臺的整流電源中配置2臺數(shù)量過電壓的保護箱，對換相的過電壓和操作的過電壓采取SwitzerlandABB的電容。

4.結(jié)語

通過對本文電解鋁企業(yè)整流所的改造中330kA晶閘管整流柜的應(yīng)用進行分析，對原來自動化的系統(tǒng)以及水系統(tǒng)實現(xiàn)保留，通過技術(shù)改造對其存在的各類問題實現(xiàn)了解決，對其功能和效果實現(xiàn)了有效的提升，且新設(shè)備呈現(xiàn)出諸多的優(yōu)勢，這說明新的改造具有很好的效果，值得進一步研究和推廣使用。