用國(guó)產(chǎn)整流設(shè)備替換進(jìn)口整流設(shè)備的技術(shù)對(duì)比與分析

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)電解鋁工業(yè)得到了前所未有的迅猛發(fā)展，這不僅給我國(guó)整流電源設(shè)備制造行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇，而且也促進(jìn)了我國(guó)電化學(xué)用整流電源設(shè)備技術(shù)水平的提高。目前，國(guó)產(chǎn)電解鋁用超高功率整流電源設(shè)備與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，不僅在價(jià)格上占有優(yōu)勢(shì)，而且在技術(shù)水平的提高上也是非常顯著的。

整流電源設(shè)備是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要特點(diǎn)是輸出功率非常大，必須能常年不間斷地連續(xù)運(yùn)行，給電解槽穩(wěn)定地提供強(qiáng)大的直流電流。就其技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)先進(jìn)性而言，主要體現(xiàn)在輸出功率大小，損耗與效率，可靠性，自動(dòng)化程度等幾個(gè)方面。

現(xiàn)在，即使是單系列年產(chǎn)250kt以上的電解鋁工程所需要的整流電源設(shè)備已不再依賴國(guó)外進(jìn)口，這是國(guó)產(chǎn)設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面提高的重要標(biāo)志。從中鋁青海分公司一電解用國(guó)產(chǎn)整流設(shè)備替換進(jìn)口整流設(shè)備的實(shí)踐說(shuō)明，用現(xiàn)在的國(guó)產(chǎn)整流設(shè)備替換過(guò)去進(jìn)口的整流設(shè)備已完全具備條件。

2 整流主電路連接結(jié)構(gòu)問題

一個(gè)電解鋁系列的設(shè)計(jì)年產(chǎn)量是確定并聯(lián)整流機(jī)組個(gè)數(shù)和單機(jī)組功率的基本依據(jù)。單個(gè)整流機(jī)組輸出功率越大，所需并聯(lián)機(jī)組個(gè)數(shù)越少，便可相對(duì)降低電源設(shè)備的投資。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)在建的大型電解鋁工程的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所列。

由表1可見，現(xiàn)在單機(jī)組直流輸出功率最大已達(dá)到1300×38×2×10³=98.8MW。實(shí)踐證明，再進(jìn)一步增大單機(jī)組直流輸出功率，除受到整流器件電壓等級(jí)和快速熔斷器極限分?jǐn)嗄芰Φ南拗浦?，還受到整流變壓器和整流器連接結(jié)構(gòu)的制約。下面就三種有代表性的整流主電路連接方式進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 國(guó)內(nèi)目前在建的大型電解鋁工程主要技術(shù)數(shù)據(jù)

2.1 BBC整流設(shè)備存在的問題和原因分析

中鋁青海分公司一電解，年產(chǎn)電解鋁100kt。整流電源設(shè)備是在1985年由當(dāng)時(shí)的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生產(chǎn)電化學(xué)用硅整流設(shè)備以來(lái)，承接的第330份訂單。整個(gè)系列有260臺(tái)電解槽，系列電流160kA，系列電壓1150V，由四個(gè)電流為56kA，電壓1150V的整流機(jī)組并聯(lián)供電。這在當(dāng)時(shí)稱得上是世界上功率最大，技術(shù)最先進(jìn)的電化學(xué)用整流設(shè)備了。至今，經(jīng)過(guò)16～17年的運(yùn)行，就整流器本身而言，與后來(lái)國(guó)內(nèi)其他各廠從德國(guó)西門子，瑞典ASEA，法國(guó)西吉萊克，意大利安薩爾多以及日本富士電機(jī)等國(guó)際著名公司引進(jìn)的同類整流器相比，仍不遜色。

圖1和圖2分別是整流主電路連接原理圖與整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，整流裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將整流的正、負(fù)極分成兩個(gè)獨(dú)立單元，以避免整流裝置內(nèi)部發(fā)生直流側(cè)短路。不僅如此，其母線結(jié)構(gòu)的整體性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也非常優(yōu)越。然而，經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行證明，該整流裝置的優(yōu)點(diǎn)是以增加整流變壓器的制造難度和縮短整流變壓器使用壽命為代價(jià)獲得的。其主要表現(xiàn)為：

1）變壓器噪聲過(guò)大，達(dá)到90dB以上；

2）運(yùn)行溫升偏高，最高可達(dá)到85℃；

3）絕緣過(guò)快老化，現(xiàn)在最嚴(yán)重的地方，表面已出現(xiàn)焦裂現(xiàn)象；

4）自飽和電抗器調(diào)壓范圍不夠，只有20V左右。

圖1 整流主電路連接原理圖

圖2 整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖

由于BBC當(dāng)時(shí)是第一次制造這么大容量的整流變壓器，對(duì)于大電流交變磁場(chǎng)所產(chǎn)生的危害認(rèn)識(shí)不足。由圖1可見，當(dāng)強(qiáng)大的交流電流通過(guò)閥側(cè)交流母線時(shí)，所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)不能被相互抵消；而閥側(cè)母線的連接方式使得自飽和電抗器的引出線之間有過(guò)多的相互交叉，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此，不得不過(guò)多地采用軟連接，使之沒有足夠的支撐；在大電流交變磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的振動(dòng)，局部渦流發(fā)熱和對(duì)自飽和電抗性能的影響就很突出，以致于超出允許范圍，加速設(shè)備老化。

另外，或者是受運(yùn)輸尺寸的限制，或者是為了節(jié)省材料，BBC將本應(yīng)做成兩個(gè)器身的整流變壓器合二為一成一個(gè)。并且取消了中間的共軛鐵心，使變壓器結(jié)構(gòu)特別緊湊，變成了分裂式變壓器。分裂式變壓器的電磁特性還與其穿越阻抗的大小有關(guān)，所產(chǎn)生的負(fù)面影響也不能被輕易忽視。

2.2 克服交變電磁場(chǎng)影響的主要對(duì)策

在超高功率整流機(jī)組中，由于強(qiáng)電流引起的交變磁場(chǎng)，給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)一系列的負(fù)面影響，其主要表現(xiàn)為：

1）在閥側(cè)母線周圍的鋼結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流，引起局部發(fā)熱；

2）閥側(cè)母線電抗壓降引起的無(wú)功損耗導(dǎo)致機(jī)組的平均功率因數(shù)相對(duì)偏低，變壓器補(bǔ)償繞組和補(bǔ)償電容器的容量相對(duì)偏大；

3）容易引起各相之間，各整流臂之間和同臂內(nèi)各支路之間電流分配不均衡。

其中因渦流引起的局部發(fā)熱是影響整流機(jī)組，特別是整流變壓器使用壽命的主要原因之一。

為了克服強(qiáng)電流交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的不利影響，各制造廠商都有針對(duì)性地采取了各種各樣的專門措施。由于采取的措施不一樣，所以，獲得的效果也就不盡相同。相對(duì)來(lái)講，比較典型的有三種：一種是全部采用非導(dǎo)磁材料做結(jié)構(gòu)件；另一種是采用同軸式結(jié)構(gòu)；再一種就是采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。三者之間的主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所列。

表2 克服大電流交變磁場(chǎng)不利影響的各種措施的比較

2.2.1 全部采用非導(dǎo)磁材料

以ABB和西門子為代表的大部分廠商，采取的措施是從選材入手。在整流裝置內(nèi)部及其周圍盡可能地避免使用鋼結(jié)構(gòu)件，而是選用非導(dǎo)磁材料構(gòu)件，以防止渦流引起局部發(fā)熱。如圖2所示，ABB的做法是將正、負(fù)連接母線焊接成兩個(gè)整體的框架，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗電動(dòng)力都非常好。但是，這種方式對(duì)于消除大電流交變磁場(chǎng)負(fù)面影響只是一種治標(biāo)的辦法，實(shí)際效果并不理想，限制了單機(jī)組電流的繼續(xù)增大。

2.2.2 同軸式結(jié)構(gòu)

法國(guó)阿爾斯通和西吉萊克的做法是將整流裝置的各個(gè)整流臂做成同軸式結(jié)構(gòu)。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3和圖4所示。這種結(jié)構(gòu)是將交流母線穿過(guò)直流母線框窗口，再把器件和快熔以交流母線為軸線對(duì)稱分布安裝在交流母線上，然后經(jīng)連接母排匯接到后面的直流母線框上。

圖3 同軸式三相橋式整流主電路連接原理圖