用國產(chǎn)整流設(shè)備替換進口整流設(shè)備的技術(shù)對比與分析
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圖4 同軸式整流臂電流流向示意圖
由圖4可見，在整流裝置這一部分，按電流流向和磁場分布規(guī)律，交變磁場的大部分能夠被抵消。但是，直流母線框后面去整流變壓器一段的交變磁場不能被抵消。
采用同軸結(jié)構(gòu)，整流變壓器的引出線結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單。
在西吉萊克的整流裝置中，4英寸整流二極管采用單面水冷卻，將4英寸器件當3英寸器件使用。這樣，有利于減小整流裝置損耗，簡化水路結(jié)構(gòu)。但設(shè)備造價要相應地提高。
2.2.3 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)
同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式是日本富士電機及中國各主要整流器制造廠家普遍采用的結(jié)構(gòu)方式。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖5和圖6所示。
圖5 三相橋式同相逆并聯(lián)整流主電路連接原理圖
圖6 同相逆并聯(lián)整流臂電流流向和磁場分布示意圖
同相逆并聯(lián)技術(shù)的應用始于上世紀70年代。是從根本上消除大電流交變磁場負面影響的一種治本的辦法。從整流變壓器繞組引出端開始，到整流裝置直流匯流點為止，除飽和電抗器一段（在飽和電抗器以前）之外，所產(chǎn)生的交變磁場的大部分能夠被相互抵消掉。對消除渦流發(fā)熱，降低閥側(cè)母線電抗壓降和減小交變磁場對電流分配的影響都特別有效。
采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，必須處理好兩個同相逆并聯(lián)連接的整流臂之間絕緣問題，以防止發(fā)生短路故障。經(jīng)過不斷地研究和改進，現(xiàn)在這個問題已經(jīng)得到了解決，不再是影響同相逆并聯(lián)技術(shù)應用的障礙。如果不受快熔分斷能力的限制，采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)繼續(xù)增加整流機組單機電流的空間最大。
3 整流器件和快速熔斷器
整流器件和快速熔斷器都是整流裝置中的核心元器件，其技術(shù)水平和性能指標是保證整機技術(shù)水平的關(guān)鍵。二者之間選配得合理與否對于整個整流機組是至關(guān)重要的。
3.1 整流器件
3.1.1 目前國內(nèi)外整流器件的實際水平
現(xiàn)在，不管是國內(nèi)還是國外，用于整流的電力半導體器件（即整流器件）的技術(shù)水平和性能指標都有了很大的提高。目前，在實際工業(yè)應用中，整流器件能夠達到的最高電流和電壓等級如表3所列。
表3 目前整流器件最高電流和電壓等級
| 參數(shù)名稱 | 4英寸二極管 | 4英寸晶閘管 | 5英寸電觸發(fā)晶閘管 | 5英寸光觸發(fā)晶閘管 |
|---|---|---|---|---|
| 管芯直徑/mm | 100 | 100 | 125 | 125 |
| 正向（通態(tài)）平均電流/A | 3400～7400 | 2700～4500 | 3000 | 3000 |
| 反向（斷態(tài)）重復峰壓/V | 1200～6500 | 1200～5200 | 6800～7800 | 8000 |
| 主要生產(chǎn)供應商 | 株洲機車所ABB | 西電所英國西碼 | 西電所ABB | 德國EUPEC |
3.1.2 國內(nèi)外整流器件技術(shù)參數(shù)對比
一般情況下，采用4英寸器件，其電流、電壓等級選擇范圍比較寬，每個整流臂并聯(lián)4～6只就能滿足要求。對于需要多器件并聯(lián)的同類整流裝置而言，4～6只并聯(lián)是最合理的選擇。所以，目前在電解鋁工程中大量使用的還是4英寸的整流器件。
在表4中，以4英寸二極管為例，列出國產(chǎn)器件和進口器件的主要參數(shù)的對比。同時也列出了原BBC用于中鋁青海分公司一期工程的2英寸二極管（型號為DSA1208－29A）的主要參數(shù)。
| 符號 | 參數(shù)名稱 | 單位 | 參數(shù)值 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| BBC | ABB | 國產(chǎn) | |||
| 管芯直徑 | mm | 50 | 100 | 100 | |
| IF（AV） | 正向平均電流 | A | 2410 | 4680 | 4200 |
| IFSM | 正向不重復流涌電流 | kA | 31 | 73 | 55 |
| I2t | 浪涌電流平方時間積 | 106A2·s | 4.8 | 26.6 | 15.1 |
| I2tc | 管殼不破裂的電流平方時間積 | 106A2·s | 85 | ||
| VRRM | 反向重復峰值電壓 | V | 2900 | 5000 | 5000 |
| VFM | 正向峰值電壓 | V | 1.33 | 1.49 | |
| ΔVF | 正向峰值壓降分散性 | mV | ±10 | ±100 | |
| rF | 斜率電阻 | mΩ | 0.15 | 0.112 | 0.082 |
| V(FO) | 門檻電壓 | V | 0.85 | 0.77 | 1.08 |
| Rjc | 結(jié)殼直流熱阻 | K/kW | 15 | 5.7 | 6.0 |
| Tj | 內(nèi)部等效結(jié)溫 | ℃ | 160 | 150 | 150 |
| F | 緊固力 | kN | 21 | 90 | 90 |
由表4可見，國產(chǎn)器件和國外器件相比，盡管在性能參數(shù)上還存在一些差距，但其基本參數(shù)如電流、電壓等級已非常接近或者相等。
3.1.3 國產(chǎn)器件和進口器件的主要差別
1）國產(chǎn)器件通態(tài)電壓高，相對損耗也大。以一個額定輸出電流76（=38×2）kA的整流機組為例，在滿載運行條件下，一個機組要增加損耗38kW（=18.9×2）。
2）進口器件的浪涌電流大，其較強的抗短路沖擊能力，有利于合理選配快速熔斷器。
3）進口器件通態(tài)電壓分散性小、一致性好，斜率電阻大、門檻電壓低，有利于均流和保持均流穩(wěn)定。
3.2 快速熔斷器及其選配
按照電解鋁供電電源的運行特點，快速熔斷器的主要作用是隔斷故障支路，保護完好的整流臂，防止事故擴大。表5列出了幾種在電化學用整流裝置中大量使用的大電流快熔的主要技術(shù)參數(shù)。
從保護方面而言，快速熔斷器的熔斷I2t和極限分斷能力是兩個非常重要的參數(shù)，選型時必須滿足以下幾點要求：
1）要求快速熔斷器的熔斷I2t必須小于器件管殼不破裂能承受的最大I2t。當整流臂的某支路整流器件因擊穿而發(fā)生閥側(cè)短路時，要求與該故障支路器件串聯(lián)的快熔必須在器件管殼可能爆裂之前就要熔斷，以防止器件管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。如表4所列，ABB4英寸二極管管殼不破裂能承受的最大I2t=85MA2·s，要求所選配的快熔的熔斷I2t必須小于這個值。
2）要求快速熔斷器的極限分斷電流必須大于故障（整流）臂能產(chǎn)生的最大預期短路電流。例如，一個額定直流輸出（37×2）kA／1220V的整流機組，發(fā)生閥側(cè)短路時，最大預期短路電流約186kA。所以，要求快熔的極限分斷能力必須大于186kA。如果快熔分斷能力達不到這個要求，有可能發(fā)生管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。
3）要求每個整流臂上各并聯(lián)整流器件的浪涌電流平方時間積（即每個器件的I2t）之和必須大于與器件串聯(lián)的快熔的I2t。按圖7所示電路，查表4和表5，3只ABB器件（4680A/5000V）的I2t之和26.6×3=79.8MA2·s大于一個Bussmann快熔（4500A/1100V）的I2t=67.5MA2·s。因此，要求每個臂的并聯(lián)元件數(shù)不得少于3只。
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