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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。用国产整流设备替换进口整流设备的技术对比与分析1引言近年来 , 中国电解铝工业得到了前所未有的迅猛发展, 这不但给中国整流电源设备制造行业带来了发展的机遇, 而且也促进了中国电化学用整流电源设备技术水平的提高。 当前 , 国产电解铝用超高功率整流电源设备与国外同类产品相比 , 不但在价格上占有优势, 而且在技术水平的提高上也是非常显着的。整流电源设备是电解铝生产的关键设备之一, 其主要特点是输出功率非常大 , 必须能常年不间断地连续运行, 给电解槽稳定地提供强大的直流电流。就其技术进步和技术先进性而言, 主要体现在输出功率大小, 损
2、耗与效率 , 可靠性 , 自动化程度等几个方面。现在 , 即使是单系列年产250kt 以上的电解铝工程所需要的整流电源设备已不再依赖国外进口, 这是国产设备技术经济指标全面提高的重要标志。从中铝青海分公司一电解用国产整流设备替换进口整流设备的实践说明, 用现在的国产整流设备替换过去进口的整流设备已完全具备条件。2 整流主电路连接结构问题一个电解铝系列的设计年产量是确定并联整流机组个数和单机组功率的基本依据。单个整流机组输出功率越大 , 所需并联机组个数越少 , 便可相对降低电源设备的投资。 据不完全统计 , 当前国内在建的大型电解铝工程的主要技术数据如表 1所列。由 表 1 可 见 ,现 在
3、单 机 组 直 流 输 出 功 率 最 大 已 达 到1300 382103=98.8MW 。实践证明 , 再进一步增大单机组直流输出功率, 除资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。受到整流器件电压等级和快速熔断器极限分断能力的限制之外, 还受到整流变压器和整流器连接结构的制约。下面就三种有代表性的整流主电路连接方式进行对比分析。表1国内当前在建的大型电解铝工程主要技术数据名称年产量 /kt 系列电流 /kA 系列电压 /V 机组个数机组电流 /kA 机组电压 /V 器件选择快熔选择青铜峡铝业250 350 1250 6 382 1250 进口 国产云南铝业250 35
4、0 1300 6 382 1300 进口 进口河南中孚铝业240 320 1300 6 352 1300 进口 国产东方希望铝业240 320 1300 6 352 1300 进口 国产山西关铝铝业200 300 1200 6 322 1200 进口 国产信发希望铝业140 250 1000 4 432 1000 进口 国产广元启明星铝业200 320 860 5 422 860 进口 国产山东华信铝业140 250 1050 4 432 1050 进口 国产山西华泽铝业140 320 1200 6 322 1200 进口 进口山东邹平铝业80 250 600 4 432 600 进口 国产山
5、东澳伸铝业150 250 1050 4 432 1050 进口 国产中铝青海铝业100 160 1200 4 332 1200 进口 进口2.1BBC 整流设备存在的问题和原因分析中铝青海分公司一电解, 年产电解铝 100kt 。整流电源设备是在1985年由当时的瑞士 BBC 提供 , 也是 BBC 自 1958年生产电化学用硅整流设备以来 , 承接的第 330份订单。整个系列有 260台电解槽 , 系列电流 160kA, 系列电压 1150V, 由四个电流为 56kA, 电压 1150V 的整流机组并联供电。这在当时称得上是世资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。界上
6、功率最大 , 技术最先进的电化学用整流设备了。至今, 经过 16 的运行 ,就整流器本身而言, 与后来国内其它各厂从德国西门子, 瑞典ASEA, 法国西吉莱克 , 意大利安萨尔多以及日本富士电机等国际著名公司引进的同类整流器相比 , 仍不逊色。图 1和图 2分别是整流主电路连接原理图与整流装置结构示意图。由图2可知 , 整流装置的结构特点是将整流的正、 负极分成两个独立单元 , 以避免整流装置内部发生直流侧短路。 不但如此 , 其母线结构的整体性和动态稳定性也非常优越。然而 , 经过十多年的运行证明, 该整流装置的优点是以增加整流变压器的制造难度和缩短整流变压器使用寿命为代价获得的。其主要表现
7、为:1) 变压器噪声过大 , 达到 90dB 以上 ;2) 运行温升偏高 , 最高可达到 85 ;3) 绝缘过快老化 , 现在最严重的地方 , 表面已出现焦裂现象 ;4) 自饱和电抗器调压范围不够, 只有 20V 左右。图1整流主电路连接原理图资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。图 2整流装置结构示意图由于BBC 当时是第一次制造这么大容量的整流变压器, 对于大电流交变磁场所产生的危害认识不足。由图1可见 , 当强大的交流电流经过阀侧交流母线时 , 所产生的交变磁场不能被相互抵消; 而阀侧母线的连接方式使得自饱和电抗器的引出线之间有过多的相互交叉, 结构非常复杂, 因
8、此 , 不得不过多地采用软连接 , 使之没有足够的支撑; 在大电流交变磁场的作用下, 产生的振动 , 局部涡流发热和对自饱和电抗性能的影响就很突出, 以致于超出允许范围, 加速设备老化。另外 , 或者是受运输尺寸的限制 , 或者是为了节省材料 , BBC 将本应做成两个器身的整流变压器合二为一成一个。 而且取消了中间的共轭铁心 , 使变压器结构特别紧凑 , 变成了分裂式变压器。 分裂式变压器的电磁特性还与其穿越阻抗的大小有关 , 所产生的负面影响也不能被轻易忽视。2.2克服交变电磁场影响的主要对策在超高功率整流机组中, 由于强电流引起的交变磁场, 给机组的运行带来一系列的负面影响, 其主要表现
9、为 :1) 在阀侧母线周围的钢结构件中产生涡流, 引起局部发热 ;2) 阀侧母线电抗压降引起的无功损耗导致机组的平均功率因数相对偏低,资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。变压器补偿绕组和补偿电容器的容量相对偏大;3) 容易引起各相之间 , 各整流臂之间和同臂内各支路之间电流分配不均衡。其中因涡流引起的局部发热是影响整流机组 , 特别是整流变压器使用寿命的主要原因之一。为了克服强电流交变磁场产生的不利影响, 各制造厂商都有针对性地采取了各种各样的专门措施。由于采取的措施不一样 , 因此 , 获得的效果也就不尽相同。相对来讲 , 比较典型的有三种 : 一种是全部采用非导磁
10、材料做结构件 ; 另一种是采用同轴式结构 ; 再一种就是采用同相逆并联结构。 三者之间的主要优缺点对比如表 2所列。表2克服大电流交变磁场不利影响的各种措施的比较项目非导磁材料结构同轴式结构同相逆并联结构主电路连接图图 1 图 3图 5 基本结构示意图 图 2 图 4 图6 代表性厂商 ABB 和德国西门子 法国阿尔斯通和西吉莱克 日本富士和中国各厂家 消除阀侧交变磁场引起局部涡流发热的原理 采用非导磁材料构件以避免母线周围构件发热采用同轴结构使交变磁场相互抵消避免涡流发热采用同相逆并联结构使交变磁场相互抵消避免涡流发热 消除整流装置涡流发热的实际效果差 一般 好 消除变压器涡流发热的实际效果
11、差 差 好 功率因数 低 一般 高 对均流的影响 大 中 小 对绝缘结构要求一般 高 高 整流装置结构的相对复杂程度简单 复杂 一般2.2.1全部采用非导磁材料以 ABB 和西门子为代表的大部分厂商, 采取的措施是从选材入手。在整流装置内部及其周围尽可能地避免使用钢结构件, 而是选用非导磁材料构件 ,以防止涡流引起局部发热。 如图 2所示 , ABB的做法是将正、 负连接母线焊接资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。成两个整体的框架, 其结构强度和抗电动力都非常好。可是, 这种方式对于消除大电流交变磁场负面影响只是一种治标的办法, 实际效果并不理想, 限制了单机组电流的
12、继续增大。2.2.2同轴式结构法国阿尔斯通和西吉莱克的做法是将整流装置的各个整流臂做成同轴式结构。整流主电路连接原理图和整流臂结构示意图如图3和图 4所示。这种结构是将交流母线穿过直流母线框窗口, 再把器件和快熔以交流母线为轴线对称分布安装在交流母线上, 然后经连接母排汇接到后面的直流母线框上。图 3同轴式三相桥式整流主电路连接原理图图 4同轴式整流臂电流流向示意图由图 4可见 , 在整流装置这一部分 , 按电流流向和磁场分布规律 , 交变磁场的大部分能够被抵消。 可是 , 直流母线框后面去整流变压器一段的交变磁场不能被抵消。采用同轴结构 , 整流变压器的引出线结构相对来说比较简单。在西吉莱克
13、的整流装置中 , 4英寸整流二极管采用单面水冷却 , 将 4英寸器件当 3英寸器件使用。这样 , 有利于减小整流装置损耗 , 简化水路结构。但设备造价要相应地提高。2.2.3同相逆并联结构资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。同相逆并联结构方式是日本富士电机及中国各主要整流器制造厂家普遍采用的结构方式。整流主电路连接原理图和整流臂结构示意图如图5和图 6所示。图 5三相桥式同相逆并联整流主电路连接原理图图6同相逆并联整流臂电流流向和磁场分布示意图同相逆并联技术的应用始于上世纪 70年代。是从根本上消除大电流交变磁场负面影响的一种治本的办法。 从整流变压器绕组引出端开始 , 到整流装置直流汇流点为止 , 除饱和电抗器一段 ( 在饱和电抗器以前 ) 之外 , 所产生的交变磁场的大部分能够被相互抵消掉。 对消除涡流发热 , 降低阀侧母线电抗压降和减小交变磁场对电流分配的影响都特别有效。采用同相逆并联技术, 必须处理好两个同相逆并联连接的整流臂之间绝缘问题 , 以防止发生短路故障。经过不断地研究和改进 , 现在这个问题已经得到了解决 , 不再是影响同相逆并联技术应用的障碍。 如果不受快熔分断能力的限制 , 采用同相逆并联结构继续增加整流机组单机电流的空间最大。