電解鋁企業整流所改造中330kA晶閘管整流柜的應用

（沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，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中逐漸得到了推廣與應用。在電解鋁企業的生產中，整流所的穩定供電至關重要，直接關系到電解系列的正常和高效生產，為了保證其生產工作的高質高效進行，電解鋁企業就需要借助大功率晶閘管的整流柜進行整流所的改造，而電解鋁企業整流所改造中如何進行大功率晶閘管整流柜的應用，就是文章主要研究的內容。

1.某電解鋁企業整流所情況

在此電解鋁的企業內，其電解系列的整流所內負荷帶有140臺電解槽，具有660V直流電壓、330kA直流電流，其年產的電解鋁達到12萬噸。此整流所內，主要通過220kV的電網進行供電，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臺數量調壓的變壓器、1臺數量整流的變壓器配置，選擇55級別有載調壓的開關和5臺數量整流器以并聯方式進行供電處理。

2.此企業整流設備現狀

對此企業整流設備的實際情況進行分析，發現存在諸多的問題。首先，橋臂間存在過近的距離，因為安全距離的不足導致弧光容易出現相間的短路情況；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，若絕緣下降易出現短路的事故。其次，目前晶閘管對脈沖系統觸發的電路是單通道的模式且無冗余，若對脈沖電路產生的任何一個環節出現故障，整流柜就會出現脈沖控制的失去；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，柜體會出現較大的噪聲和振動，且呈現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，進而對生產工藝的平衡性產生破壞，增加損耗，且降低產量和效率[1]。

3.電解鋁企業整流所改造中330kA晶閘管整流柜的應用

3.1 合理設計整流柜的技術參數

（1）主要的技術參數。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；穩流的精度為0.1%；均流的系數超過0.9；在整流接線中，采用三相橋同、相逆的并聯方式；整流單柜輸出6脈波的脈波數；在調壓中，變壓器存在有載的調壓粗調和晶閘管的相控細調方式，細調在0%～100%的Udn范圍；過載的能力是Ⅱ級別實現100%的連續、1min的150%。（2）合理選擇整流的主柜內元器件。對晶閘管的元件參數進行確定中，要求單柜電流為44kA、2組的三相橋、閥側有12條的進線；其閥側臂的電流Iep=44000/2×0.557=12694A，閥側臂的平均電流為(44000/2)×(1/3)=7333A，在每臂中，選擇ABB的公司所生產5STP 45Q2800_4500A/2800V的可控硅72個數量，法國的巴斯曼所生產3500A/680V的快速性熔斷器72個數量使用；電流的儲備系數（k）為5000×6×0.95÷7333 =3.89，電壓的儲備系數（kV）為2800/660=4.24。（3）計算快熔參數。在一44kA的整流單元發生短路時，其快熔的不融化選擇就會進行計算，假設若AB之間出現短路，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的安裝，此系統內有智能檢測的單元、傳感器、通信的接口、相應輸入和輸出的接口電路。因為進行智能化控制系統的引入，對常規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、狀態的監視等都實現智能化的效果。（2）穩流的原理。在所有整流的控制柜內自動穩流的控制系統中，都使用獨立性電流的小閉環管控系統，它在穩流性能方面十分優越，即便出現多個的陽極效應情況，其動態的穩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陽極效應后，它的槽壓就會從4V階躍至越35V，造成Id直流電流發生下降，而If也隨之發生下降，此時差值電流為Id—If呈現上升，導致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。因為系統的動態響應具有很快的速度，調節的過程毫秒級內就能夠完成，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，且對電網波動同樣能夠實現自動地穩流效果。（3）穩流的電流給定。在穩流的電流給定中，主要有就地給定、計算機的大閉環式穩流系統、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#1～#5的整流控制相應設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電流源的信號轉變，并分別送至整流的控制柜內，這樣就能夠對長距離的傳輸可能會出現的干擾實現避免。正常運行的狀態時，相關操作人員能夠在主控室內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。在計算機的大閉環式穩流系統內，因為主控室的上位機進行電解系列的總電流其給定值數字設定，和上位機位置10路的總加信號、裝設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成了大閉環式自動調節的系統，從而實現對系列電流的自動化穩流效果。計算機把總給定借助變送器進行0mA～20mA的信號轉變，分別送到每個整流的機組內，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，系列的電流也內有明顯的波動現象。通過計算機對機組的投入和切除控制中，其各機組內輸出的電流值能夠自動和平均地分配，實現對電解的生產需要有效保障。

3.3 機組的可編程式監控系統

（1）對運行進行操作。此系統可以對整流柜電源控制、電源的分合閘強觸發、對有載開關的升降擋、對高壓開關的分合閘、相關輔機的合分閘等操作，還能夠對手動自動進行切換、對近控和遠控進行切換、對備用系統進行切換、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、水系統和整流的變壓器等系統發生故障時，能夠實施聲光的報警，且按照故障的類型采取相應的保護處理手段。（3）對數據的采集。通過PLC內I/O的端口來對整流的控制柜、直流的刀閘、高壓的開關、油風冷和純水冷式有載開關的擋位等相關開關量的狀態實施采集；對現場的模擬量，如導通角、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數據的提供。（4）數字化的通信。使用可編程的邏輯控制器PLC通信模塊的接口，對工業現場的總線完成柜內的各智能化數字模塊和觸摸屏的人機界等設備的通信網構建，實現數字化的通信，并和外部系統的機組PLC、上位的計算機其工作站和工藝分散的控制系統間實現數字通信的網絡控制。

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、調試、調整、消缺以及空載的小電流與帶負荷的試驗等。其實質的內容包括原有整流器的控制柜、A/B柜、過電壓的吸收箱、穩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，對閥側母線加工，對直流出線的裝置吊架制作，對電源開關和其隔離的開關以及調壓整流的變壓器組與附屬的信號進行連接。面對調試期間存在整流柜的橋臂有加工銅屑遺留，導致橋臂發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，通過相應處理措施的采取，對影響設備的可靠運行相應因素實施消除[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為85%、穩流的精度為0.1%，其均流、噪音和電流帶載的能力都滿足預期技術的效果，有效提升了整流系統的可靠性。在此次技改中，通過對進口元件選型以及對加工工藝、結構上多項技術實施改進，對5臺數量整流機組全部改造完成后，當電解系列的電流在1臺發生檢修時，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不會受到降負荷的影響，對電解槽穩定生產提供良好條件。

3.5 此新設備的優點

此新設備在使用中呈現出諸多的優點，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，對整流裝置的結構絕緣性實施加強，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，原來的設計中其主水管的接采取管箍的形式，常出現滲水的情況，要停機實施處理，對電解運行產生影響，而新柜體采取管螺紋的接頭形式，對滲水問題實現有效解決。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，對快熔壽命以及穩定性實現延長。在進口元件性能高方面，采用了技術指標較為優秀的5STP 45Q2800_4500A/2800V類型可控硅和法國巴斯曼所生產3500A/680V的快速性熔斷器，在每臺的整流電源中配置2臺數量過電壓的保護箱，對換相的過電壓和操作的過電壓采取SwitzerlandABB的電容。

4.結語

通過對本文電解鋁企業整流所的改造中330kA晶閘管整流柜的應用進行分析，對原來自動化的系統以及水系統實現保留，通過技術改造對其存在的各類問題實現了解決，對其功能和效果實現了有效的提升，且新設備呈現出諸多的優勢，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。