大功率晶閘管整流裝置在電解鋁行業的應用

周 鑫

（沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

國內早期鋁電解整流裝置采用調壓整流變壓器加二極管整流裝置，無自動穩流功能，完全靠手動調壓進行恒流操作，系統結構簡單，但操作復雜，電解效率低。80年代后期引進有載調壓變壓器配飽和電抗器，此系統自動穩流靠模擬調節，雖有自動穩流效果，但效果并不理想[1]。20世紀90年代，隨著可控硅元件電壓、電流等級的提高，國內電解鋁行業開始用晶閘管整流裝置彌補二極管整流裝置的缺陷。本文重點介紹晶閘管整流裝置在電解鋁行業的優勢，詳細說明晶閘管整流裝置在電解鋁行業中的應用情況[2]。

1 晶閘管整流裝置的優勢

1.1 成本優勢

二極管整流裝置多采用多級有載開關（95級以上）粗調配飽和電抗器細調達到電流調節及穩流效果。而晶閘管整流裝置常采用少級有載開關（54級或79級）調壓配合晶閘管移相角調節以達到穩流效果[3]。

在同樣等級條件下，晶閘管整流裝置成本要比二極管整流裝置成本高，但從整套系統看，恰恰相反[4]。二極管整流的整流變壓器需另配飽和電抗器且有載調壓開關級數較多；而晶閘管整流的整流變壓器則可省去飽和電抗器，同時有載調壓級數相對減少，對應整流變壓器的硬件投資成本降低，從整套系統硬件成本分析晶閘管整流裝置還是略有優勢。

1.2 節能降耗優勢

在三相橋式整流器中，晶閘管整流器輸出的直流電壓與整流器閥側電壓成正比，與控制角成反比。計算公式如下：

式中：U1-閥側交流電壓；U2-電解直流電壓；α-控制角

結論：當閥側電壓一定時，控制角α越小，晶閘管整流器輸出的直流電壓越大。生產中，在保證晶閘管整流器輸出直流電壓恒定的情況下，可通過降低控制角來彌補閥側電壓的降低，而閥側電壓的降低由調壓變壓器有載開關擋位來實現。有載開關擋位越低，損耗越小，整流效率越好，從而實現大容量變壓器長時間在較小損耗工況運行。

另外，在大容量變壓器長期運行中，通過拉格朗日乘數法來分配每個機組的負載電流，結合工況改變調壓變壓器檔位和控制角，也可有效提高整流系統的整流效率。

1.3 安全性能優勢

當前電解鋁行業大多采用二極管整流裝置，當出現設備運行故障時，只能依靠高壓斷路器跳閘進行保護。一旦高壓開關保護失控，故障就無法終止。

例如國內某鋁廠的整流變壓器重瓦斯故障，碰巧當時高壓斷路器操作機構失靈，導致斷路器無法斷開，即使裝置發出跳閘信號高壓開關也無法動作，整流機組繼續運行，最終導致整流變壓器爆炸起火。假如采用晶閘管整流裝置就會避免事故惡化，晶閘管整流裝置可以瞬間關斷元件脈沖讓整流器輸出電流為零，遏制事故擴散。

晶閘管整流裝置還具備高壓斷路器保護功能。當整流裝置出現母排過熱報警時，二極管整流裝置只能發出跳閘信號，此刻整流變壓器處于高負荷運行狀態，突然甩負荷對高壓斷路器沖擊較大，影響高壓斷路器壽命。而晶閘管可先執行降電流命令，然后封鎖脈沖，使輸出電流完全為零，最后進行高壓斷路器跳閘。既保護整流系統安全，又減少高壓斷路器損傷，能有效延長斷路器壽命。

2 電解鋁晶閘管整流裝置的設計

電解鋁整流裝置維護極其重要，二極管穩流控制系統多是單套設計，一旦損壞，只能放棄穩流功能。而在晶閘管整流裝置中，穩流系統常按兩套冗余設計，可實現帶負荷無擾動切換。目前晶閘管控制系統日益成熟，完全實現了數字化、模塊化，且維護方便，解決了晶閘管維護時影響生產等問題。

2.1 整流裝置控制系統的設計理念與維護

晶閘管整流控制系統是整流裝置的核心，以晶閘管數字穩流控制器為核心單元的系統特點如下：

2.1.1 穩流控制系統

采用獨立的全數字雙通道系統，構成冗余熱備用設計。僅需其中一個數控器在線工作正常，即可確保晶閘管整流機組直流供電，保證了直流供電的可靠性。

由數控器構成的穩流控制系統，可實現系統內外故障自診斷智能化保護處理及維修故障信息提示。

完成最大機組過流限制與保護，觸發電壓及脈沖功放故障監控及保護，雙穩流通道全自動熱備用監控切換等智能化保護處理功能。采用智能邏輯判斷，自動選擇最佳直流電流調整模式及最佳有載開關操作動作配合使機組達到最佳運行效果。

2.1.2 在線器件更換維護方便

多層次冗余系統備份設計，可滿足在晶閘管整流機組供電不中斷的情況下，在線維修更換系統中的全部任一模塊及器件。并由系統自動識別判斷，實現系統參數主備自動復制。

2.2 整流裝置的設計理念與維護

晶閘管整流裝置需設計合理、結構新穎、技術先進，為電解鋁行業提供穩定、可靠的直流供電。

2.2.1 良好均流系數

晶閘管元件的選擇不僅要求在ITAV和VDRM/VRRM進行匹配，還要對晶閘管的觸發電流IGT的大小和通態壓降VT的分散性、元件結溫等方面進行匹配，來保證機組良好的均流系數。并在每個元件加上均流電抗器，強迫均流，保證均流效果持久性。

2.2.2 整流柜絕緣隔離

在相間、臂間及層間裝有絕緣隔板，避免元件故障引起相間臂間拉弧。

2.2.3 脈沖模塊安全等級高

每個單元脈沖模塊嚴格執行耐高壓檢測，保證脈沖模塊安全可靠運行。觸發脈沖從穩流控制器至整流柜內脈沖模塊具有三道隔離防護措施，可有效防止整流柜內高壓反串至穩流控制器，確保穩流控制器安全。

3 在鋁廠中的應用實例

某鋁廠整流所為400KA整流裝置，系列直流電壓為1000V。系統采用6套晶閘管整流裝置，每套整流裝置直流輸出電流90KA，其設計參數如下：

（式中ΣP—整流柜總損耗）。

每套整流裝置采用數字化智能控制器，既能獨立完成自身的控制、調節、管理功能，又能相互之間進行通訊，實現了集中、協調的統一管理。晶閘管整流裝置智能控制系統，采用獨立的電流小閉環控制，具有優越的穩流性能，即使發生多個陽極效應，其動態穩流精度仍可達到0.1%。經現場實踐，晶閘管整流裝置運行安全穩定，維護方便、顯著提高了電解鋁生產效率，為鋁廠帶來了可觀的經濟效益。

4 結語

晶閘管整流裝置通過改變導通角來改變輸出電流，其響應速度快，具有較高的動態穩流精度。由于采用全數字化智能控制系統，提高了整流裝置的可靠性，使整流裝置的結構簡化、維修方便、均流系數提高、節能效果顯著。