高电压可控硅整流电源
摘要：在45KA/500V整流电源的基础上，根据国际铝电解发展趋势，本所又开发成功国内直流电压最高的35KA/1150VDC同相逆并联可控硅三相桥式整流电源,在技术指标及结构工艺上有进一步的提高,达到当代国际先进水平。本文对此电源作简要介绍，并对电源间环流作了初步分析。
关键词：高电压 同相逆并联 可控硅 整流 环流
--、前言
进入90年代以来，随着我国电解铝工业技术的发展，为降低能耗，对铝电解直流电源的要求越来越高。目前我国很多铝厂采用的是60年代后期引进或国产的递降变压器+有载调压开关与二极管整流器组成的供电电源系统，平均稳流精度约5%，动态响应差，有载开关寿命短、维修量大。80年代加入了饱和电抗器细调，减少了有载开关的动作次数，平均稳流精度可达1~3%，但动态稳流精度仍较差，影响可靠性。此类系统由于带有载开关的变压器结构复杂，可靠性较低，稳流精度低，系统投资高。80年代后期，国内三家铝厂（山东铝业公司、贵州铝厂、平果铝厂）先后引进由ABB公司生产的直降大电流可控硅整流机组，动态稳流精度0.1%、整流效率高于98%，单台整流器电流可达56KA，电流效率高、节能、无接点、无载跳闸、可靠性高、运行经济效益显著，但进口价格昂贵。1995年11月由天津电气传动设计研究所与山东铝业公司联合开发的单机容量45KA/500V同相逆并联可控硅整流电源，在山东铝业公司电解铝厂投入运行。系统的整体性能达到90年代国际同类产品先进水平，稳流精度0.1%、整流效率高于98%，而噪音、均流等指标优于同期的ABB产品；完全可以取代同类进口产品，而投资比引进国外产品节省40%以上；可实现无载跳闸、可靠性高、维修量小、有明显的增产节能效果。本产品获得97年中国有色金属工业总公司科技进步二等奖、机械工业部科技进步一等奖、98年国家科技进步二等奖、被原国家科技委员会审定为国家级新产品。
当前电解系列正朝着大电流、高电压的方向发展，铝电解系列最大电流达300KA，电压达1200V。一个电解系列电解槽越多，所需的供电电源额定电压越高，则供电整流系统效率越高，电解系列效益也越好。研制容量更大，额定电压更高的高性能可控硅整流电源装置是我国铝电解工业的迫切需要，对铝电解工业的发展和进步有着重要意义。为此在中国有色金属工业技术交流开发中心承包的长城铝业公司水电厂电解整流电源系统技改项目中，推广应用我所研制的单台整流器额定输出为35KA/1150V的同相逆并联可控硅整流电源。
二、直降大功率可控硅整流电源系统
1、 长城铝业公司电解系列电源技术要求： 系列电流：80KA 系列电压：1150V 稳流精度：0.1% 整流效率：>98%
2、 电源系统配置
针对上述技术要求，经过充分调研论证，考虑到今后系列电流尚需要强化，确定系列整流电源由4台110KV直降同相逆并联整流变压器（江西变压器厂生产）、4台额定输出为35KA/1150VDC的高性能同相逆并联可控硅整流电源及一套110KV高压滤波器（沈阳铝镁设计研究院研制）组成，由沈阳铝镁设计研究院完成总体设计。进线电源为多进线110KV系统，正常运行时4台机组投入运行；当一台机组检修时，其它三台仍能满足电解生产需要。4台整流变压器一次侧为曲折接法，分别移相±22.5°、±7.5°，4台运行时，系列输出等效24相直流电压。整流变压器一次侧采用无载倒段开关，使输出直流电压分别为1150V、950V，以保证在电解槽数较少时提高功率因数，降低谐波电流。整流电源系统结构图如图1所示。
三．35KA/1150V同相逆并联可控硅整流电源的特点
在山东铝业公司我所同相逆并联45KA/500V可控硅整流电源成功运行的基础上，针对长城铝业公司高电压的特点，在产品设计制造上作了周密细致的考虑，使整流电源的技术指标进一步提高。
1 高绝缘强度
本装置额定电压为1150VDC，是国内外同相逆并联大电流可控硅整流装置中的最高电压。由于同相逆并联技术特点是要求同相的两根反极性母排的距离尽量小，否则其效果将大大削弱，为此对1150VDC的高电压整流装置结构的绝缘作了必要的加强，以保证有足够的绝缘强度，实际运行中，电网的电压高达120KV以上，装置仍正常运行。
2 降低噪音和振动
在原结构的基础上，对整流器采取了整体加固措施，使本装置的噪音和振动较山铝产品有明显的降低。
3 交流进线
为保证交流进线的对称性和结构的完整性，将同相同极性的交流母排联成一体由中间进线，且改进了整流器交流母排的机加工工艺，保证了交流进线母排联接对称。
4 无渗漏
针对原设计中主水管接头易渗水,水管加压后膨胀现象，设计制造了新的管接头，采用高强度管材，有效地解决了渗水现象。
5 快熔冷却
快熔采用双面水冷措施，有效地降低了快熔的温度。室温为38℃，额定电流时快熔最高壳温70℃左右。
6 采用高性能的西门子电容作为换相电容
此外，本装置仍保留了45KA/500V整流电源的优点：采用技术指标优秀的ABB４吋可控硅和法国FERRAZ快速熔断器，本装置的其它主要元件均采用进口或中外合资厂家的产品。每台整流电源配置2台浪涌保护箱、3台就地控制柜：电流调节柜、信号保护柜、辅助电源柜。全部设备均由天津电气传动设计研究所设计制造。
综上所述，长城铝业公司所用的35KA/1150V同相逆并联可控硅整流器具有比45KA/500V电源更高的技术指标和工艺水平，在实际运行中可靠工作。
四.自动稳流控制系统
1.系统结构及工作原理
每台整流电源电流调节柜中的自动稳流控制系统，采用独立的电流闭环控制，具有优秀的稳流性能，即使发生多个阳极效应，其动态稳流精度仍可达0.1%。
图2为自动稳流控制系统方框图，其稳流原理简要说明如下：当某一电解槽发生阳极效应时，其槽压由4V阶跃到30V左右，导致直流电流Id下降，If随之下降，差值电流DI=Idg-If -，使触发角a前移，输出直流电压迅速升高，保持直流电流不变。由于系统动态响应好，调节过程在毫秒级即可完成，因此输出直流电流波动很小，仅几十安培。对于电网波动，同样可实现自动稳流。
2.整流电源的电流给定
(1) 本地给定：在电流调节柜上手动设定所需的运行电流，一般用于调试阶段。
(2) 遥控给定：在主控室各机组对应的1#~4#整流器控制柜手动设定，通过变换器将电流给定信号变为0~20mA的电流源信号，送到电流调节柜，这样可有效地避免长距离传输可能受到的干扰。在正常运行时，操作人员可在主控室灵活控制各整流器的运行电流，彼此不受约束。
(3) 计算机给定：由主控室上位机数字设定电解系列总电流给定，与装设于总直流母排上的LEM直流传感器的总电流反馈信号组成闭环自动调节系统，实现系列电流自动稳流。计算机将总给定通过变送器变成0~20mA信号分别送达每个整流机组，所有受控机组有相同的电流给定。
实践证明，设置上述三种给定,操作灵活、快速，在需要切投某机组时系列电流无明显波动。在计算机控制机组投入切除的过程中，各机组的输出电流值自动平均分配，可靠地保证了电解生产的需要。
3. 整流电源的信号保护系统
每个整流电源均有一台信号保护柜，具有完善的保护功能，柜内配置了OMRON C200H系列可编程序控制器（PLC），I/O信号量可达200点，并可根据需要灵活扩展。PLC根据系统的保护和工艺要求完成各种信号的采集、处理，实现机组的投、切操作、故障信号的记忆、报警；在发生跳闸故障时通过调节柜实现推b、封脉冲及无载跳闸操作；同时，PLC将所有的信号送至主控制室上位机控制系统（淄博凯鹏高科工贸有限责任公司研制），由上位机实现分类处理、报表打印及声光报警等，每个故障跳闸信号和故障报警信号均可显示和打印输出，PLC信号保护系统具有下述功能。
(1) 电流调节系统
a. 当电流输出>112% IdN（IdN为直流额定电流值）时，报警，系统正常工作；
b. 当装置快熔熔断一只时，报警，并自动使整流电流输出减小20%，系统继续运行；
c. 当±15V、+24V、同步电源异常、输出电流达125%IdN、、快熔熔断二只等任一故障发生时，系统通过PLC推b，使电源电流输出迅速降至零，同时通过PLC操作高压断路器实现无载跳闸；
d. 当IdN>130%IdN时，电流调节系统自动推b，使IdN在十几毫秒内迅速降为零。
(2) 冷却系统
a. 跳闸信号：主水（去离子水）水温高、主水低水位、主水低流量、主水高电导；
b. 报警信号：主水低水位、主水低流量、主水水温高、付水失压。
(3) 变压器
a. 跳闸信号：交流电流过载、浪涌过压、浪涌电流瞬断、浪涌电流过流、三相不平衡、压力释放阀释放、重瓦斯；
b. 报警信号：变压器高温、轻瓦斯、高油位、低油位、备用冷却器自投、冷却器油泵过载、冷却器风机过载、冷却器油泵流量失常。
五．调试和投运
1 出厂调试
本系统全部4套整流电源研制完成后，在出厂时进行了严格的系统调试、高压小电流试验和低压大电流试验。
2 现场调试
1999年12月进行现场投运调试：
⑴低压短路大电流试验，每台机组额定负载连续运行8小时；
⑵高压小电流试验；
⑶机组抗干扰试验。
3 带电解槽运行
机组直接带电解槽的并联投运调试：整流器负荷均衡24小时运行；一台整流器35KA，其它负荷均衡24小时运行。 经现场测试，整流装置可控硅的均流系数均为0.9以上，电流稳流精度达到0.1%。投运后，运行正常，工作可靠，达到厂家技术要求。
六.整流电源运行噪音及振动
1 单台整流电源带电解槽运行，由于加工工艺和结构上的改进, 同山铝45KA/500V电源相比,运行时噪音及振动均显著减弱。
2 整流电源首次并联带电解槽运行，当各整流电源电流升至14KA~20KA，整流电压200多伏时，整流室内直流输出母排振动强烈，噪音很大，分析原因如下：
(1) 可控硅整流电源具有自动稳流的特点，它根据DI的大小自动改变触发角a来调节输出直流电压以达到稳流的目的，在升电流的过程中触发角a在90°－25°之间变化；
(2) 为增加输出相数，减小网侧谐波，各整流电源交流进线电压之间存在一定的相位差（本系统为15°）。当系列电压较低时，a角很大，各整流电源输出直流电压的瞬时值有很大的差值。各整流电源直流输出母排是直接并联到汇流母排，没有限流电抗器，仅靠母排之间微弱的分布电感来限流，所以此时将产生很大的动态环流，整流电源额定电压越高，差值越大，环流越大；而在二极管整流系统中，其a角始终为0°，电压瞬时值的差值不大，所以动态环流也较小。
(3) 由于整流电源输出直流电流很大，直流输出母排多采用多根铝母排并联构成，这些铝母排中流过同极性电流，因而在铝母排之间产生相斥的电动力，如果铝母排截面较小，而高频动态环流很大，这样电源直流输出母排将产生很大的振动和噪音，甚至出现机械共振，这是高电压可控硅整流器的特殊问题。
经计算，本系统各整流电源间直流电压瞬时值的差值最大可达1000V左右，从而会形成很大的高频环流，因而产生了很大的振动和噪音。根据ABB及我所可控硅整流机组现场调试运行经验，整流室内直流输出母排应尽量选用大截面铝母排并联为好，并安装牢固。本系统在改进和加固直流母排后，振动和噪音已降至正常水平。
七．整流电源的主要技术指标
输入电压：同相逆并联1005VAC、三相、50Hz
输出电压：1150VDC
输出电流：35KADC
稳流精度：0.1%
整流效率：98.5%
噪音：<90dB
均流系数：>0.90
过载：112%报警
过流：125%跳闸
重量：约3吨
体积：2300′2800′1150mm
八．结论
本电源稳流精度、均流系数、噪音等指标均达到或超过国际先进水平，整流装置设计合理、技术先进、结构新颖，工作可靠，是国内单台容量最大的（40.25MW）直流电压最高的同相逆并联可控硅整流电源。其价格较国外引进的同类产品低40%以上，产品工艺水平同进口产品相当，完全能够取代进口的同类产品，是大型铝电解电源理想的更新换代设备。