直流供電技術在石墨化爐工程中的應用及研究

韓丁富

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

隨著全球新能源產品的快速發展，鋰電池負極材料的市場需求量大幅增加，石墨化產能快速增長，新增石墨化爐也隨之增長。石墨化爐采用電能加熱方式，因此電耗成本占比較大，其節能降耗的研究也深受行業重視。

石墨化是指在高溫下，以熱能引起的運動為基礎，使碳元素微晶由無序狀態過渡到有序狀態，采用電加熱方式。近年來，有很多文獻對石墨化供電技術進行了研究，文獻[1]針對石墨化整流裝置的快熔斷路器參數進行了探討；文獻[2]和文獻[3]對石墨化整流機組直流電流及直流電壓與石墨化爐的參數進行了研究，得到了供電裝置的最優匹配參數，既能保證石墨化產品的質量，又減少能耗；文獻[4]分析了交流供電存在負荷不平衡問題，對交直流供電能耗進行了對比，最后并指出石墨化爐供電是朝著快曲線、高密度、大功率的方向發展。這些研究成果對石墨化爐直流供電中的技術提供了重要參考。

1 交直流供電的優缺點

石墨化采用的是電加熱方式，電加熱方式可以分為交流供電和直流供電，2 者各有優缺點。

1.1 交流供電

交流石墨化爐的有效電功率為

式中：P為石墨化爐有效電功率；U為變壓器輸出電壓；cosφ為網路的功率因數。

輸入石墨化爐的有效電功率在電流和電壓一定的情況下，會隨著功率因數的大小而變化。石墨化爐全網路的功率因數計算公式表示為

式中：R為網路總電阻，包括爐芯電阻和導電電極及導電母線的電阻；X為全網路的感抗；Z為全網路總阻抗。

交流石墨化供電一般采用單相交流供電方式，由于容量較大，單相交流負荷對三相平衡有嚴重影響。同時，交流石墨化爐受感抗影響，功率因數降低，特別通電后期功率因數會下降到0.5 左右，全爐的平均功率因數是0.75 左右，因此必須安裝一定數量的電容器提高交流石墨化供電網路的功率因數。

1.2 直流供電

為解決交流供電對三相電網的影響和交流供電設備功率因數低的問題，我國從70 年代開始自行設計和制造了多種不同容量的直流石墨化供電設備。其中，直流石墨化供電設備包括變壓器和整流機組。

石墨化爐直流電壓一般不超過200 V[4]。隨著石墨化爐直流電流的加大，目前單機組最大電流可以達到360 kA，容量可以達到32 000 kVA，因此采用雙反星形結線較合理，這樣可以減少元器件數量，降低損耗，同時也可以使同一整流臂內各并聯整流元件間的電流均勻分布，縮短換相過程，提高整流效率。

根據整流技術原理，交流變直流是依靠移相多重聯結的整流電路，因此直流供電存在的問題是諧波對電網的影響。整流機組使用的整流脈波數量越多，整流橋產生的低次諧波相互抵消就越多，諧波抑制能力越高。石墨化整流機組采用單機組12 脈波形式，單機組在電網側匯流處經過疊加抵消，電網處僅存12×n±1(n為正整數)次諧波，基本上消滅了幅值較大的5 次和7 次諧波。

2 整流器

2.1 整流器結構設計

針對石墨化整流器，設計一種可靠性更高、結構新穎、使用安全以及性能優良的大電流整流器，對石墨化爐的安全正常運行具有重要的作用。

在石墨化爐設計整流器技術方案時，需要注意以下問題。第一，整流器結構選材需要滿足渦流發熱的材質，同時采用同相逆并聯使整流臂產生的外部磁場空間成對抵消。第二，冷卻裝置方案需要簡化水路系統又要減少電腐蝕。第三，盡可能降低外部過電壓對整流器主柜的危害。

2.2 過電壓保護

過電壓保護分為操作過電壓、換相過電壓及直流過電壓3 種：操作過電壓保護電路在分合閘時產生的電壓；換相過電壓是由于二極管在換相結束后，不能立即恢復阻斷能力，此時有較大的反向電流流過，反向電流會因線路電感在器件兩端產生的過電壓；直流過電壓指直流側發生雷擊等侵入的過電壓[5]。

針對整流器的過電壓保護可以采取R-C吸收回路，根據不同的過電壓類型，需要選擇合適的R-C參數和安裝位置。

2.3 過電流保護

整流電路中元件失去阻斷能力造成的短路：一是加在整流元件上的反向電壓超出元件承受電壓，擊穿整流元件；二是整流元件過熱擊穿，使整流元件失去反向阻斷能力。

整流元件過流保護采用快速熔斷器與整流元件串聯的方式進行保護，快速熔斷器參數的選擇既要考慮過電壓擊穿和過熱擊穿保護的雙重特性，同時快速熔斷器的I2t必須小于整流元件的I2t。

2.4 繼電保護

整流器除了設置硬件保護外，為提高系統的運行安全，還需要設置非電量保護和繼電保護。由于石墨化爐一般為單機組整流，單機組整流電流比較大，對元件的過電流保護比較重要，而石墨化直流電壓一般不超過200 V，對電壓保護主要是防止雷擊過電壓和操作過電壓。

3 直流測量

石墨化爐為直流大電流供電，其直流的準確測量關系到效率、控制和電耗核算及節能技術的應用等重要問題。目前對直流大電流的測量方法主要分為直接測量法和間接測量法[6]。

（1）直接測量法。一是通過電阻上的壓降來計算直流電流；二是根據被測電流建立的磁場，通過測量跟磁場有關的參數如磁通、磁勢等來測量電流大小。其主要的測量方案如表1 所示。

表1 直接測量法方案

（2）間接測量方法。通過整流技術原理，閥側交流和直流電流存在某種對應關系，通過對應關系實現直流電流的測量，三相橋式整流電路如圖1 所示。

圖1 三相橋式整流電路測量原理

圖1 反映了通過測定交流電流間接測量直流電流的原理，電路中iA、iB、iC電流波形與ia、ib、ic和i1、i2、i3完全相同，而流過電纜表A 中的電流i1、i2、i3各取半波相加，因而可寫成

在忽略變壓器勵磁電流的情況下，電流表A 的指數IM完全可以表示直流電流Id。整流變壓器一次電流是勵磁電流和負荷電流的合成，因此在不可控整流機組中，整流變壓器的勵磁電流引起的測量誤差很小[7]。由于石墨化爐為單整流機組，單機組電流超過200 kA，通過傳統方法直接測量，存在精度低、設備大型化安裝困難以及價格高等缺點。而采用間接測量時石墨化爐不需要控制某一時刻的直流電流，只需要控制總功率，就可以保證產品質量。因此與傳統測量方法相比，間接測量方法更適合石墨爐的直流測量。

4 直流母線

為減少投資，石墨化爐主母線采用鋁母線，母線電流密度越低，母線溫升越低，運行損耗越小。由于石墨化爐電流大小隨著爐子的爐組不斷變化，同時石墨化爐可以間斷生產，每爐之間有生產間隔時間，在停爐時間段母線可以冷卻，母線電流密度不需要要求很高。目前石墨化主鋁母線電流密度可取0.5 ～0.7 A/mm2，銅母線可取1.0 ～1.5 A/mm2。為減少接觸電阻，石墨化電極接頭與銅母線連接，銅母線與鋁母線的接觸面之間搭接面的電流密度一般不大于0.1 A/mm2。同時，為降低母線溫升，改善母線安裝空間的通風條件，設計時可以把鋁母線分成多片，每片之間間隔一定距離。

5 結 論

文章研究了整流器結構設計方案需要注意的問題，并給出了整流元件的過電壓、過電流及繼電保護等方案。通過分析現狀直流測量方法的優缺點，給出了適合石墨化爐直流測量的方案，同時分析了直流鋁母線損耗大、溫升高等問題，結合經濟效益給出了合理經濟電流密度。隨著新能源材料技術的發展，利用直流技術提高電能質量、減少系統損耗、增強供電可靠性及提高經濟效益有較大的發展空間。