大功率整流器中整流元件與快熔選型改進(jìn)

李慶華

（焦作萬方鋁業(yè)股份有限公司，河南　焦作　454150）

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大功率整流器中整流元件與快熔選型改進(jìn)

李慶華

（焦作萬方鋁業(yè)股份有限公司，河南焦作454150）

摘要：通過對(duì)某電解鋁系列大功率整流器的整流元件與快速熔斷器技術(shù)參數(shù)匹配的分析校核，并根據(jù)校核結(jié)果對(duì)快速熔斷器進(jìn)行了從新選型更換，改造后提高了該電解鋁系列整流直流供電的安全性。

關(guān)鍵詞：大功率整流器；整流元件；快速熔斷器；校核；選型；匹配

1　大功率整流器特點(diǎn)

大功率整流器是一種輸出強(qiáng)大直流電流的設(shè)備,主要用于電化學(xué)工業(yè)，電化學(xué)工業(yè)整流裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是常年不間斷地連續(xù)運(yùn)行，為負(fù)載提供強(qiáng)大的直流電能。以電解鋁用整流器為代表，電解系列工藝電流強(qiáng)化不斷提高，使整流器輸出的直流電流很大，對(duì)整流器中整流元件、快速熔斷器性能提出了更高的技術(shù)要求，如何使其保護(hù)配合達(dá)到高可靠性、高穩(wěn)定度有著重要的意義［1］。

2　大功率整流器實(shí)際運(yùn)行中故障

以某電解鋁廠為例，其110kV整流變電采用的是橋式同相逆并聯(lián)二極管整流電源，系列直流電流305kA，由5套整流裝置組成，每套整流裝置包括2臺(tái)ZHS-50000/ 880型整流柜，整流元件型號(hào)：ZP-5200/4000V，快速熔斷器型號(hào)：RSH-6400A/1000V。2012年7月間，該電解系列整流系統(tǒng)2＃整流柜A柜連續(xù)兩次發(fā)生整流元件爆炸損壞事故。由于整流供電系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作及時(shí)、可靠，雖然沒有對(duì)電解生產(chǎn)造成影響，但整流柜的整流元件、快速熔斷器爆炸損壞事故仍引起了電解鋁廠、整流柜生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)院的高度重視。兩次事故情況，均是在正常運(yùn)行過程中，出現(xiàn)整流元件損壞事故跳閘信號(hào)、2#整流柜弧光保護(hù)動(dòng)作、2#整流柜直流反向，2#整流機(jī)組斷路器跳閘，逆流保護(hù)動(dòng)作1#、3#、4#、5#整流機(jī)組斷路器跳閘，電解系列失電。2#整流柜事故現(xiàn)場(chǎng)有明顯的電弧閃爍痕跡和短路現(xiàn)象。整流元件、快速熔斷器瓷套環(huán)出現(xiàn)不同程度的炸裂，在2#整流柜閥側(cè)有明顯噴散狀放電痕跡［2］。

通過對(duì)損壞的2#整流柜整流元件、快速熔斷器參數(shù)進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)整流元件的管殼不破裂I2t（72×106A2S）小于快速熔斷器的熔斷I2t（84.1×106A2S），整流元件的I2t小于快速熔斷器的I2t，使整流元件在故障情況下極容易發(fā)生伸縮環(huán)爆裂現(xiàn)象，所產(chǎn)生的弧光引發(fā)整流柜短路使事故擴(kuò)大。故2#整流柜數(shù)只整流元件爆炸，是由于整流元件與快速熔斷器技術(shù)參數(shù)匹配不合適引起的。

3　整流元件損壞現(xiàn)象分析

理想狀態(tài)下，整流元件的基本特性是正向?qū)?，反向阻斷。整流器利用整流元件這一單向?qū)щ娞匦詫?shí)現(xiàn)電流變換。所以，整流元件是實(shí)現(xiàn)整流器電流變換功能的核心器件。實(shí)際情況下，整流元件的反向阻斷能力是有限的。整流元件因喪失反向阻斷能力而永久失效的主要原因?yàn)椋阂皇钦骰芈分屑釉谡髟系姆聪螂妷撼鲈惺苣芰?，此時(shí)元件會(huì)被擊穿，失去反向阻斷能力，此種損壞現(xiàn)象叫過電壓擊穿；二是整流元件對(duì)溫度很敏感，一旦過熱元件會(huì)因PN結(jié)溫過高而失去反向阻斷能力，這種現(xiàn)象叫過熱擊穿。過熱擊穿多在高倍數(shù)瞬間過電流沖擊情況下導(dǎo)致元件管芯溫度驟然升高所致。

表1　快熔的其他參數(shù)

4　整流元件損壞的兩種保護(hù)方式

①“過電壓擊穿”采取“隔離保護(hù)”。當(dāng)整流元件因過電壓而擊穿時(shí)，快速熔斷器將快速熔斷，其作用在于隔離與之串聯(lián)的故障支路，利用快熔起隔離保護(hù)作用，防止事故擴(kuò)大。與按限流保護(hù)選配快熔的根本區(qū)別在于：一是所在支路的元件先壞，快熔后斷；二是快熔熔斷I2t大于元件管芯的耐浪涌I2t。對(duì)于電化學(xué)用整流器，隔離保護(hù)屬于必須滿足的基本保護(hù)。

②“過熱擊穿”采取“過流保護(hù)”。如果按過流保護(hù)要求選配快熔，則要求快熔熔斷I2t小于元件管芯耐浪涌I2t。這樣可以保護(hù)元件不會(huì)因電流過大而過熱，即用快熔保護(hù)本支路元件，不要因?yàn)檫^電流（包括浪涌和過載）而導(dǎo)致過熱擊穿。通過分析發(fā)現(xiàn)，能夠滿足過流保護(hù)的快熔，同樣能夠滿足隔離保護(hù)的要求，代價(jià)是需要增加整流臂內(nèi)的元件（含快熔）并聯(lián)支路數(shù)。

5　整流元件與快速熔斷器的匹配改進(jìn)

通過對(duì)整流元件損壞現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)以往大功率整流器中快速熔斷器與整流元件匹配選型時(shí)只注重隔離保護(hù)，輕視了過熱擊穿保護(hù)。利用過熱擊穿保護(hù)具備隔離保護(hù)的雙重特性，對(duì)該電解鋁系列整流元件及快速熔斷器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行核對(duì)性計(jì)算分析。

5.1整流柜元件的選擇

根據(jù)該電解系列電流305kA及整流設(shè)備技術(shù)參數(shù)選擇整流柜元件。每臺(tái)整流柜的實(shí)際最大電流為：

5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行

Idmax=Ie/（n′×n）=305/（2×5）=30.500kA

4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行

Idmax=Ie/（n′×n-1）=305/（2×4）=38.125kA

其中，Ie—系列額定電流值，n′—整流柜運(yùn)行數(shù)，n—整流機(jī)組運(yùn)行數(shù)。

元件電流裕量為（以N-1、四機(jī)組運(yùn)行為例）：

其中，If（av）—元件額定電流，Idn—單柜平均電流，N—單臂元件數(shù)，n1單柜橋臂數(shù)，均流系數(shù)KI=0.8。

元件參數(shù)的選擇：元件電流、電壓安全裕量系數(shù)Kai≥3.0的原則選取。

該鋁廠電解系列電流≤305kA，KI=0.80，4臺(tái)、5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，單臂元件數(shù)為N或N-1時(shí),整流元件ZP-5200/ 4000V選型是合適安全的，電流、電壓安全裕量大于3。

5.2快速熔斷器熔斷I2t的選擇

5.2.1按照快熔與元件的匹配原則。若要求快熔熔斷時(shí)，同一支路的元件管殼應(yīng)不爆裂，則快熔熔斷I2t值應(yīng)不超過元件管殼不破裂I2t值的90%。即：

快熔熔斷I2t值≤0.9×72×106A2S

其中，72×106A2S是該電解系列整流元件管殼不破裂I2t值。

5.2.2快熔額定電流的選擇。按照快熔額定電流IRN≥KiKaIR的確定原則。其中，Ki—電流裕度系數(shù)，Ki= 1.1～1.5；Ka—環(huán)境溫度系數(shù)，Ka=1.0～1.2；IR—流過快熔的實(shí)際電流（均方根值）。由此可以得出：

另外，由該電解系列整流柜電路結(jié)構(gòu)和直流參數(shù)可分別得出六并和五并時(shí)的IR。

依據(jù)快熔與元件的匹配原則，如式（1）～（4）式計(jì)算分析，故將該電解鋁系列整流柜中的快熔參數(shù)變更為5 600A/1 000V。

5.2.3快熔的其他參數(shù)。快熔的其他參數(shù)見表1。

采用上述方法有效地提高了整流柜的安全運(yùn)行，減少因快速熔斷器未熔斷而引發(fā)的整流元件爆炸事故的發(fā)生，可為同行提供良好的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］全國電力電子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T8740-98.電化學(xué)用整流器標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

［2］孫樹樸.電力電子技術(shù)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

中圖分類號(hào)：TM461

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）01-0142-02

收稿日期：2016-01-04

作者簡介：李慶華（1973-），男，本科，電氣工程師，研究方向：供配電及整流供電。

Rectifier Components and Fast Fusion Selection in High Power Rectifier

Li Qinghua
（Jiaozuo Wanfang Aluminum Industry Limited by Share Ltd.，Jiaozuo Henan 454150）

Abstract:Through the analysis and checking of rectifying elements of an electrolytic aluminum series high power rec?tifier with rapid fuse technology parameter matching,and fast fuse was replaced of new type according to the check?ing results.After the transformation,the safety of DC power supply is improved.

Keywords:high power rectifier；rectifier element；fast fuse；check；type selection；matching