大功率整流器整流元件及快熔選型思考

陳建全

（廣州擎天實業有限公司 廣州 510800）

引言

目前，在大功率整流器設計中，主要是根據整流器的額定電壓、額定電流、設計裕度和整流元件、快熔標稱的額定電壓、額定電流來選擇器件的型號及并聯數，由于對整流系統缺少整體設計考慮，影響了整流器的穩定運行，整流器易發故障，故障容易擴大，事故處理難度大[1]。

本文根據作者對大功率整流器的多年設計經驗，以系統設計的理念結合試驗結果從整流元件、快熔參數含義、性能匹配、抗短路能力設計等方面提出了一些設計思考。

1 整流元件、快熔額定參數的選擇

在整流元件、快熔選型計算中，最受關注的參數為額定電流、額定電壓和I2t。

1.1 整流元件選擇

行業通常是按實際運行電壓峰值的2.53倍選擇整流元件的額定電壓、按實際運行電流的33.5倍選擇整流元件的額定電流。整流元件的額定電壓是元件在額定結溫下的反向（斷態）重復峰值電壓，整流元件的實際運行結溫低于額定結溫，反向（斷態）重復峰值電壓約10～20 %的提高，所以按實際運行電壓峰值的2.5～3倍選擇整流元件的額定電壓是合適的選擇。但元件廠家對整流元件的額定電流的標定值是計算值，不同廠家的標定方法并非完全一致，計算前需要對整流元件的額定電流進行校正。

根據整流元件額定電流I的計算公式：

式中：

I—元件正向（通態）平均電流（額定電流）；

P—元件通過額定電流I時的發熱功率；

V0—元件正向（通態）門檻電壓；

f—波形系數，按單相半波定義波形，波形系數為1.57；

r—元件正向（通態）斜率電阻；

Tj—元件最高結溫（各廠家取值存在不同）；

Tc—元件管殼溫度（各廠家取值存在不同）；

Rj-c—元件結－殼熱阻；

η—散熱裕度系數（各廠家取值存在不同）。

元件的V0、r、Rj-c為元件的本征參數，元件制造完成后即已固化，但生產廠家可以在兼顧電氣和機械應力對元件影響的前提下，通過對最高結溫（Tj）、管殼溫度（Tc）以及散熱裕度系數（η）的不同取值，取不同的額定電流標定值。計算示例如表1。

表1 整流元件額定電流計算

由表1可見，同一元件，不同廠家可以有不同的額定電流標定值。選擇整流元件時應對其額定電流值進行修正，特別是對不同廠家產品進行選擇比較時更應統一額定電流的標稱條件。一般地，整流二極管取結溫150 ℃、殼溫100 ℃，晶閘管取結溫125 ℃、殼溫70 ℃是行業比較認同的做法。

1.2 快熔選擇[2]

快熔的作用是隔離事故點和保護整流元件，整流器的短路故障主要有直流側母排短路（外部故障）導致整流器過電流及整流元件失效（內部故障）導致整流臂短路。快熔選型應達到以下要求：

1）要有足夠的分斷能力，整流器發生內部整流臂短路故障時，快熔能夠安全分斷流過支路快熔的最大故障電流（均方根值），確保不發生管殼爆裂引起整流器電弧短路、事故擴大；

2）快熔分斷產生的分斷過電壓（峰值）一般為故障電路電壓的2倍左右，要求要遠小于整流元件的額定電壓，防止快熔熔斷時造成其它完好的整流元件過電壓擊穿損壞；

3）快熔在正常運行時，管殼溫度不宜過高導致熔芯加速老化甚至局部過熱熔融，除了在選擇快熔額定電流時留有一定的裕度外，應充分加強快熔的散熱條件，比如采用雙面水冷、銅排連接等；

4）快熔I2t的選擇要綜合考慮快熔的弧前I2t、分斷I2t和整流元件浪涌I2t及管殼爆裂I2t的匹配。從快熔保護整流元件的角度，要求快熔的分斷I2t要小于整流元件的浪涌I2t，但實際上隨著額定電壓和額定電流的提高，快熔的I2t增大的幅度要快于整流元件浪涌I2t的增大幅度，對于大電流高電壓的超大功率整流器，要做到快熔的分斷I2t小于整流元件的浪涌I2t比較困難，除非大幅度增加元件并聯數以降低快熔的額定電流值。

表2是整流元件-快熔串聯支路在1 000 V、2 000 A（均方根值）運行條件下，采用不同額定電壓、額定電流快熔的分斷I2t和分斷過電壓，可以看出，隨著選用快熔的額定電壓、額定電流的提高，其分斷I2t和分斷過電壓有較大幅度的增加。快熔的分斷I2t是在1.1倍額定電壓和預期分斷電流的條件下測定，采用4英寸整流二極管（額定電壓5 500 V、額定電流4 700 A、浪涌I2t=27.4MA2s）或5英寸晶閘管（額定電壓5 500 V、額定電流4 250 A、浪涌I2t=31.6MA2s）匹配1 100 V、3 000 A快熔比較合適。

表2 不同型號快熔實際運行參數對比

2 調壓整流變壓器阻抗電壓選擇

調壓整流變壓器的阻抗電壓對整流系統的故障短路電流有決定性的影響，有必要把調壓整流變壓器、整流器及電網短路容量等作為整體進行系統設計，以提高整流系統的抗故障能力。

例如，某電解整流系統，單機機組額定電壓DC1250V、額定電流2×2×20 kA（見圖1），整流器采用整流二極管三相橋式整流，采用一拖二方式，整流橋每個橋臂采用6個4英寸整流二極管并聯。下面按調壓整流變壓器不同阻抗電壓的2種情形進行分析討論（為簡略計算，下述計算忽略電網電壓波動、自飽和電抗器及母線阻抗等因素，系統電抗遠大于電阻，采用短路功率法進行計算[3]）。

圖1 整流供電系統示意圖

2.1 調壓整流變壓器總阻抗電壓18 %（見表3）

表3 變壓器阻抗電壓18 %時整流系統配置

調壓變壓器的短路功率為：

整流變壓器的短路功率為：

整流器發生直流側短路（外部故障）時，變壓器全級次短路，單機組調壓整流變壓器合并短路功率Psc為：

計算出：Psc=615 MVA

整流橋臂的穩態電流均方根值Isco為[5]：

整流器發生整流元件失效，整流臂短路（內部故障）時，只有1臺整流變壓器發生短路，單機組調壓整流變壓器合并短路功率Psc為：

計算出：Psc=431 MVA

整流橋臂短路電流均方根值Isci為[4]：

2.2 調壓整流變壓器總阻抗電壓為14 %（見表4）

表4 變壓器阻抗電壓14 %時整流系統配置

重復上述計算：

調壓變壓器的短路功率為：

整流變壓器的短路功率為：

整流器發生直流側短路（外部故障）時，單機組調壓整流變壓器合并短路功率Psc=765 MVA

整流橋臂的穩態電流均方根值Isco=78 992 A

整流器發生整流元件失效短路（內部故障）時，單機組調壓整流變壓器合并短路功率Psc=544 MVA

整流橋臂短路電流均方根值Isci=317 kA

從上述計算可知，調壓整流變壓器的阻抗電壓對整流器短路電流有決定性的影響，按整流器每橋臂采用6個4英寸整流二極管并聯方案，在調壓整流變壓器阻抗為18 %、14 %時，發生直流側短路（外部故障）時，元件過電流分別為10.2 kA和13.2 kA，如果在1個元件退出運行的情況下發生直流母線短路，元件過電流分別為12.3 kA和15.8 kA；發生整流元件失效短路（內部故障）時，整流元件、快熔通過的短路電流分別為244 kA和317 kA。按目前的器件水平，15.8 kA電流對于4寸整流元件以及317 kA電流對于快熔都已是極限能力，整流器存在較大安全隱患，詳見下述試驗說明。

3 整流元件、快熔抗短路能力試驗

整流器要求整流元件、快熔有較強的過電流能力，以保證在發生直流側短路（外部故障），斷路器跳閘（約60 ms）前，整流元件不損壞，快熔不熔斷。同時要求快熔有足夠的分斷能力，以保證發生整流元件失效（內部故障）時，快熔可靠分斷。元件、快熔的過電流能力和快熔的分斷能力對整流器非常重要，有必要通過試驗驗證。

根據短路電流公式[5]：

其中I為短路電流的穩態均方根電流，R、X分別為回路電阻、電抗，φ0為短路時一次側電壓初相角，當φ0=0時，有最大短路電流情況，按經驗值取R/X=1/25[6]，短路電流為：

ωt=π時出現第1個短路電流峰值，imax1=1.882，均方根電流i1=1.681I，底部寬度約18 ms（見圖2）。短路電流前5個波頭的沖擊系數及波頭底部時間寬度見表5。

圖2 短路試驗電流曲線

表5 短路電流前5個波頭數據

整流元件、快熔抗短路能力試驗電路見圖3，試驗短路回路按R/X=1/25取值。試驗情況見表6，試驗1～2試驗波形圖參見圖4，試驗3～6試驗波形圖參見圖5，試驗7～8試驗波形圖參見圖6。

圖3 整流元件、快熔抗短路能力試驗

圖4 過電流試驗波形圖（快熔熔斷）

圖5 過電流試驗波形圖（快熔不熔斷）

圖6 快熔分斷能力試驗波形圖

表6 整流元件、快熔抗短路能力試驗

3 000 A、1 500 V快熔和3 500 A、1 500 V快熔的18 ms弧前電流分別為42 kA和52 kA，對應可承受短路電流穩態值為25 kA和31 kA。

對于22 kA短路電流，試驗1-2中，3 000 A快熔熔斷時間為13 ms、13.5 ms，在短路電流的第1個波頭（18 ms）內完成；試驗3～4中，3 500 A快熔過電流1 s后不熔斷；試驗5～6中，降低試驗的短路穩態電流值至16 kA后，2 800 A、1 500 V快熔過電流1 s不熔斷。從試驗3～6可見，要獲得較高的快熔過電流能力，快熔的弧前電流需選取較大裕度。從試驗3～6中可以看出，快熔在通過短路電流的第1個波頭后，快熔能持續通過1 s的過電流；整流元件在通過第1個波頭的過電流后仍在80～180 ms內損壞，管殼在調節槽處燒穿。

試驗7-8為快熔分斷能力試驗，快熔均能可靠分斷，未發生快熔或整流元件管殼爆裂，但與過電流試驗相似，整流元件均發生在管殼調節槽處燒穿的情況。

比較100 ms與20 ms均方根電流，通過短路電流計算式計算前5個短路波頭的均方根電流值，100 ms的均方根電流比20 ms下降了16 %；通過快熔弧前電流-時間曲線計算，快熔弧前電流下降約9 %；通過整流元件的浪涌電流-時間曲線計算，整流元件過浪涌電流能力下降超過30 %。快熔的過電流能力下降慢于短路電流，通過第1個波頭后，快熔能夠承受后面短路電流的沖擊；整流元件的過電流能力下降要比短路電流更快，即使通過了第1個波頭，仍會在后面短路電流的沖擊下損壞。與上述3～6試驗結果相符。

4 整流元件、快熔設計選型分析

1）變壓器阻抗電壓的選擇對整流系統的抗短路能力和安全運行有重要影響，整流器應與調壓整流變壓器進行整體的系統設計，調壓整流變壓器的阻抗電壓不能過低，如上述1 250 V、2×40 kA整流器計算中，在調壓整流變壓器取阻抗電壓14 %時，要求快熔分斷能力317 kA，超出了快熔的合理選型；要求橋臂在直流側短路時過電流78 992 A，如按1S左右的過電流能力，需要4英寸整流二極管每臂8并以上，整流元件電流設計裕度將大幅提升，整流器的均流和結構安裝都存在較大困難。

2）試驗3～8都存在整流元件在管殼調節槽處沿軸向燒穿的情況，這是由于整流元件熱容量小的緣故，整流元件燒穿容易引發整流器弧光短路，事故擴大。對于使用大尺寸元件以減少橋臂的元件并聯數的設計方法，隨著額定電流的提高，快熔的I2t增大的幅度要快于整流元件浪涌I2t的增大幅度，同時，整流元件的過電流能力并不會隨著元件的電流提升同比例提高，其結果將導致發生直流側短路時，整流元件的過電流能力很難滿足短路過電流要求；發生整流元件失效、快熔分斷時，由于分斷I2t過大，也容易發生整流元件燒穿產生弧光的問題。例如：6 200 A、5 500 V 5英寸二極管的I2t為46.9 MA2s，4 500 A、1 100 V快熔的分斷I2t在1 000 V使用電壓下為60.8 MA2s。對于電壓更高、電流更大的整流器的計算結果表明，在充分保證整流器抗短路能力的前提下，選擇大尺寸元件并不能相應減少并聯數。為兼顧元件均流，整流器采用同相逆并聯方式是一個比較合適的方案。

5 結語

整流器設計應秉持系統設計的理念，綜合考慮整流器元件、快熔選型、調壓整流變壓器阻抗電壓、設備制造成本、使用成本的眾多因素選擇合適方案。要同時考慮整流系統正常運行時的穩定性和發生故障時的抗短路能力，在整流元件和快熔選型時首先要考慮的是過電流能力，條件允許時還需要對設計方案進行試驗驗證。在保證較高均流系數和整流器結構安全的前提下，選擇電流較小規格的元件有助于降低元件和快熔的I2t，有利于元件和快熔的匹配，多的并聯數也利于分散直流側短路時元件承受的沖擊過電流，提高設備安全性。