500kA大型電解槽關鍵供電設備參數計算

摘 要：電解鋁整流系統一般由整流變壓器、整流器等關鍵設備組成，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對鋁電解鋁220kV供電整流系統中的整流變壓器、整流器關鍵參數進行了研究，通過合理的設備選型，以達到降低電解鋁生產成本的目的。

關鍵詞：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

中圖分類號：TM 714" " " " 文獻標志碼：A

隨著電解鋁行業的持續發展，電解技術向著機組系列大電流、大規模方向發展，電解鋁廠正不斷向大型化、規模化方向發展。供電整流技術在經歷了幾十年的不斷探索后，在設計理念和新技術的應用等方面已實現了全方位的發展和進步，電解槽系列電流已發展到目前的500kA。在滿足生產需求的同時，安全性、設備選型合理性和投資經濟性決定了電解鋁供電系統在市場上的競爭能力。針對電解鋁電源系統設備的安全性、合理性問題，本文研究了整流變壓器、整流柜的關鍵參數計算，以不斷提高電解鋁行業相關從業人員對電解鋁電源整流系統的認知。

1 整流機組的調壓方案

目前，電解鋁行業常用的整流方式為二極管整流機組和可控硅整流機組。整流變壓器、飽和電抗器、有載調壓變壓器和二極管整流器構成了二極管整流機組，有載開關粗調，電抗器細調。可控硅整流機組通常由有載調壓變壓器、整流變壓器和可控硅整流器組成，有載開關粗調，可控硅細調。

在電解鋁行業迅速發展的同時，整流系統也得到快速發展，廣泛應用的整流技術有2種，即同相逆并聯技術和非同相逆并聯技術。同相逆并聯是指2根同相位、反極性的導排組成的母線并聯在整流裝置中，整流變壓器閥側由一個線圈分為2個線圈，而且反極性使用；非同相逆并聯與同相逆并聯不同，其采用雙橋接線結構，采用傳統的三相單橋接線方式。與同相逆并聯比較，非同相逆并聯結構簡單、安全性高且整流效率高。

1.1 可控硅整流

可控硅整流的優點是穩流精度高、響應速度快且調壓范圍廣，通常其調壓整流變壓器可不采用大范圍調壓的有載調壓開關。但可控硅整流裝置也有一定的缺點，例如諧波電流大、控制回路復雜等。

1.2 二極管整流

目前，電解鋁行業普遍采用有載調壓變壓器粗調配合自飽和電抗器細調的方式實現二極管整流，這是行業最成熟的解決方案。采用該方案具有運行可靠、便于維護的優點，但同時也具有空間占用多、噪聲大的缺點。

1.3 方案的選擇

結合對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107級調壓方式，通過調壓變壓器和整流變壓器，將220kV進線電壓直接轉變為1560V直流電壓輸出，同時滿足直流電流2×46kA輸出。調變采用線端有載調壓，繞組接線簡單。整流變采用2個獨立鐵芯，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壓范圍為0V～70V，單機組等效12脈波輸出，整流變閥側同相逆并聯，整流裝置為非同相逆并聯。

2 整流變壓器參數選擇計算

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

2.1 45萬t鋁產量與電解槽的數量

電化當量為0.3355A/n，電流效率為0.92。一臺電解槽年產鋁量為=1351.93t/年臺。生產45萬t電解鋁所需500kA電解槽數量為×1.05=349臺。

因為該廠的管理、工藝控制水平較好，電流效率高，電流效率取0.95×10-3，所以一臺電解槽每年產鋁量為=1396.02t/年臺，每臺設備的產量為×1.05=338臺。

2.2 直流電壓UdN（額定直流電壓）

根據電解槽槽臺數，選擇系列直流電壓UdN（額定直流電壓），取每個電解槽槽壓為4.2V，考慮3個陽極效應電壓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為變壓器阻抗百分數（取12%）；PK為變壓器負載損耗百分數（取1%）；S為串聯換相組數（三相橋為2，雙反星型帶平衡電抗器為1）；NS為每臂串聯元件數（暫取1）；UT為整流管通態壓降（硅管為0.7V，可控硅為1V）；∑US為0.2%～2.5%UdN；ε為電網電壓允許波動幅值，一般取5%，個別地區取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UdN≥800V時取小值，當電壓≤100V且電流≥3kA時可取2.5%（本列取0.5%）。如有飽和電抗器，還包括其調壓范圍的7%～10%（取10%，即70×10%）。代入數據則有公式（2）。

Udio==1774.1V（2）

考慮留一定裕量，實際取Udio=1810V。

在通常的計算中，可以用Udio=1.15UdN來計算，也可用Udio=UdN+200計算，即，Udio=1.15UdN=1.15×1560=1794V，Udio=UdN+200=1560+200=1760V。

2.4 整流變壓器閥側交流線電壓有效值U2L（三相橋式整流電路）

整流變壓器閥側交流線電壓有效值U2L如公式（3）所示。

（3）

2.5 整流變壓器閥側交流相電壓有效值U2P

整流變壓器閥側交流相電壓有效值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為整流器單機組額定直流電流，單位kA。

當UdN＞800V時，一般從可靠角度出發，不會考慮雙反星型帶平衡電抗器[5-6]整流電路；當IdN≤8%～12%UdN時，側三相橋式整流電路綜合指標較好，IdN=8%×1560=124.8kA；當IdN≥12%UdN時，如果選擇三相橋式整流電路，就會出現閥側變壓器內部局部過熱和附加損耗增大的現象，IdN=12%×1560=187.2kA。

為此，對年產45萬t電解鋁以上、系列電流500kA的項目，閥側整流電路只能是三相橋式同相逆并聯（或非同相逆并聯）電路，并且每臺套整流機組直流電流不宜超過125kA。

整流機組配置為N模式，整流機組組數N=+2=4+

2=6臺套。本公司采用N+2模式，整流機組為8臺套，6臺套整流機組應滿足全電流500kA，每臺套整流機組電流為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 整流柜參數的選定

大功率整流器在電解鋁生產中具有至關重要的作用，其技術指標是保證整機技術水平的關鍵因素之一，合理設計并優化可提高整流器的性能和穩定性，從而提高電解鋁的生產效率和質量。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，因此選擇二極管時應確保其額定參數能滿足所需應用中的最大電壓和電流要求。同時，二極管的平均電流應考慮系統的熱設計和散熱能力，以確保二極管能夠在適當的工作溫度下工作。

3.1 二極管校驗

對ABB二極管4英寸元件5SDD5055N002、Bussmann5#單體快熔170M8091進行校驗，分別見表1、表2。

表1 5SDD5055N002元件參數表

符號 參數名稱 單位 參數值

IFAV 標稱正向平均電流 A 4570

IFSM 正向不重復浪涌電流 kA 73.0

I2 tr 管芯電流平方時間積 mA2s 27.5

URRM 反向重復峰值電壓 V 5000

URSM 反向不重復峰值電壓 V 5500

rF 斜率電阻 mΩ 0.107

UFO 門檻電壓 V 0.8

Tj 最高工作結溫 ℃ 150

F 標準壓緊力 kN 90

表2 170M8091參數表

符號 名稱 單位 參數 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 參數校驗

使用二極管時，需要考慮其最大反向工作電壓和最大反向工作電流。超過這些限制會導致元件損壞。為了保護元件并延長其壽命，在實際使用中需要考慮“儲備系數”。

3.2.1 二極管電壓儲備系數

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

（5）

式中：KV為二極管電壓儲備系數；URRM為反向重復峰值電壓；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，其平均電流的計算對電路設計和分析非常重要。橋臂平均電流如公式（6）所示。

（6）

式中：ICP為橋臂平均電流；SC為串聯換相數，對于三相橋式整流電路SC=2，對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（同相逆并聯為24臂，三相橋式整流為12臂）。

則有ICP===7.7kA。

3.2.3 二極管電流儲備系數

電流儲備系數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。電流儲備系數通常是每個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備系數為3～5，這樣可以確保在瞬間負載或過載情況下元件不會受到損壞。二極管電流儲備系數如公式（7）所示。

（7）

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

該項目考慮7只整流元件。考慮n時，選擇7只進行驗算，如公式（8）所示；考慮（n-1）時，選擇6只進行驗算，如公式（9）所示。

（8）

（9）

3.2.4 整流柜均流系數

均流系數是各類變流裝置整流柜重要參數。均流系數代表了整流柜某個整流橋臂并聯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行。均流系數的定義是同一橋臂中流經并聯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；∑I為整流臂實際平均電流；nby為整流臂并聯元件數；Iman為整流臂內最大導電電流；∑U為整流臂實際平均電壓；Uman為整流臂內最大導電電壓。

由于硅整流元件伏安特性、整流臂的磁場分布、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，進而導致硅整流元件快熔熔斷。KC均流系數值見表3。

表3 KC均流系數值

并聯元件數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顯著特點是常年不間斷地連續運行，為負載提供強大的直流電能。在為負載提供直流電能的同時，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性能優劣的2項重要指標。根據JB/T7840—1998《電化學用整流器》標準規定，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，必須設法降低損耗。在整流器的各項損耗中，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鍵。降低二極管正向損耗的措施主要包括2個方面，一是盡可能降低整流管正向峰值電壓，二是適當增加并聯支路。根據ZHWF-46000×2/1560整流器廠家標準，額定運行條件下單臺整流器的損耗為141kW，對整流器效率進行計算，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。

經過計算，比標準規定的整流效率提高0.2％，節能效果較明顯。

4 結語

本文對電解鋁供電整流變壓器、整流器等關鍵參數進行了選型分析，為降低大電流產生的磁場對整流變壓器、整流器局部過熱的影響，減少設備大馬拉小車的現象提供經驗和理論計算依據。同時也能為電解鋁廠生產和設備制造廠帶來新的效益，加快我國大型鋁廠的設計、生產，提升企業競爭力。

參考文獻

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