500kA大型电解槽关键供电设备参数计算.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-75-工 业 技 术随着电解铝行业的持续发展，电解技术向着机组系列大电流、大规模方向发展，电解铝厂正不断向大型化、规模化方向发展。供电整流技术在经历了几十年的不断探索后，在设计理念和新技术的应用等方面已实现了全方位的发展和进步，电解槽系列电流已发展到目前的 500kA。在满足生产需求的同时，安全性、设备选型合理性和投资经济性决定了电解铝供电系统在市场上的竞争能力。针对电解铝电源系统设备的安全性、合理性问题，本文研究了整流变压器、整流柜的关键参数计算，以不断提高电解铝行业相关从业人员对电解铝电源整流系统的认知。1 整流机组的调压方案目前，电解铝行业常用的整流方式为二极管整流机组和可控硅整流机组。整流变压器、饱和电抗器、有载调压变压器和二极管整流器构成了二极管整流机组，有载开关粗调，电抗器细调。可控硅整流机组通常由有载调压变压器、整流变压器和可控硅整流器组成，有载开关粗调，可控硅细调。在电解铝行业迅速发展的同时，整流系统也得到快速发展，广泛应用的整流技术有 2 种，即同相逆并联技术和非同相逆并联技术。同相逆并联是指 2 根同相位、反极性的导排组成的母线并联在整流装置中，整流变压器阀侧由一个线圈分为 2 个线圈，而且反极性使用；非同相逆并联与同相逆并联不同，其采用双桥接线结构，采用传统的三相单桥接线方式。与同相逆并联比较，非同相逆并联结构简单、安全性高且整流效率高。1.1 可控硅整流可控硅整流的优点是稳流精度高、响应速度快且调压范围广，通常其调压整流变压器可不采用大范围调压的有载调压开关。但可控硅整流装置也有一定的缺点，例如谐波电流大、控制回路复杂等。1.2 二极管整流目前，电解铝行业普遍采用有载调压变压器粗调配合自饱和电抗器细调的方式实现二极管整流，这是行业最成熟的解决方案。采用该方案具有运行可靠、便于维护的优点，但同时也具有空间占用多、噪声大的缺点。1.3 方案的选择结合对可控硅整流和二极管整流的研究，本文确定采用降压自耦线端连续 107 级调压方式，通过调压变压器和整流变压器，将 220kV 进线电压直接转变为 1560V 直流电压输出，同时满足直流电流 246kA 输出。调变采用线端有载调压，绕组接线简单。整流变采用 2 个独立铁芯，分别为曲折星形/正反三角形、曲折三角形/正反三角形，移相角度分别为 1.875、5.625、9.375和 13.125，自饱和电抗器线性调压范围为 0V70V，单机组等效 12 脉波输出，整流变阀侧同相逆并联，整流装置为非同相逆并联。2 整流变压器参数选择计算年产 45 万 t 电解铝生产线，采用 500kA 大型预焙槽，调变采用首端自耦调压1-2，整流装置采用二极管非同相逆并联接线方式整流，整流变压器由调压变、整流变以及饱和电抗器组成。2.1 45万 t 铝产量与电解槽的数量电化当量为 0.3355A/n，电流效率为 0.92。一台电解槽年产铝量为0.3355500243650.921000=1351.93t/年台。生产 45 万 t 电解铝所需 500kA 电解槽数量为4500013521.05=349台。因为该厂的管理、工艺控制水平较好，电流效率高，电流效率取 0.9510-3，所以一台电解槽每年产铝量为0.3355500243650.951000=1396.02t/年台，每台设备的产量为4500013961.05=338 台。2.2 直流电压 UdN（额定直流电压）根据电解槽槽台数，选择系列直流电压 UdN（额定直流电压），取每个电解槽槽压为4.2V，考虑3个阳极效应电压90V，系列黑电压 50V，UdN=（3384.2）+90+50=1559.6V=1560V。2.3 额定直流空载电压 Udio额定直流空载电压 Udio如公式（1）所示。UUUPSNUUSdiodNKKsT?1 0 5112.cos/?（1）500kA大型电解槽关键供电设备参数计算赵钢1周飞2白礼平1张艳龙1杜灿林1（1.鹤庆溢鑫铝业有限公司，云南 大理白族自治州 671500；2.云南铝业股份有限公司，云南 昆明 652103）摘 要：电解铝整流系统一般由整流变压器、整流器等关键设备组成，本文用三相桥式全控整流电路、大功率硅整流元件原理等知识对铝电解铝220kV 供电整流系统中的整流变压器、整流器关键参数进行了研究，通过合理的设备选型，以达到降低电解铝生产成本的目的。关键词：整流变压器；整流器；三相桥式全控整流电路；大功率硅整流元件原理中图分类号：TM714文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-76-工 业 技 术式中：UdN为额定直流电压；Ux为变压器阻抗百分数（取12%）；PK为变压器负载损耗百分数（取 1%）；S 为串联换相组数（三相桥为 2，双反星型带平衡电抗器为 1）；NS为每臂串联元件数（暂取 1）；UT为整流管通态压降（硅管为 0.7V，可控硅为 1V）；US 为 0.2%2.5%UdN；为电网电压允许波动幅值，一般取 5%，个别地区取 10%（本列取 5%）；为可控硅最小控制角（一般取=50 200，二极管取=0）。当 UdN 800V 时取小值，当电压 100V 且电流 3kA时可取 2.5%（本列取 0.5%）。如有饱和电抗器，还包括其调压范围的 7%10%（取 10%，即 7010%）。代入数据则有公式（2）。Udio=1560（1+0.512%+1%）+（210.7）+0.5%1560+70+10%（1-5%）（1+cos0）/2=1774.1V（2）考虑留一定裕量，实际取 Udio=1810V。在通常的计算中，可以用 Udio=1.15UdN来计算，也可用 Udio=UdN+200 计算，即，Udio=1.15UdN=1.151560=1794V，Udio=UdN+200=1560+200=1760V。2.4 整流变压器阀侧交流线电压有效值 U2L（三相桥式整流电路）整流变压器阀侧交流线电压有效值 U2L如公式（3）所示。UULdio23 618101 351340 7?.V （3）2.5 整流变压器阀侧交流相电压有效值 U2P整流变压器阀侧交流相电压有效值 U2P如公式（4）所示。UUUPdiodio23 30 42750 4275 1810773 775?.V（4）2.6 整流变压器阀侧交流相电流有效值 I2三相桥式整流电路3-4，Y 接，线电流等于相电流，I2=0.8165IdN。其中IdN为整流器单机组额定直流电流，单位kA。当 UdN 800V 时，一般从可靠角度出发，不会考虑双反星型带平衡电抗器5-6整流电路；当 IdN 8%12%UdN时，侧三相桥式整流电路综合指标较好，IdN=8%1560=124.8kA；当 IdN 12%UdN时，如果选择三相桥式整流电路，就会出现阀侧变压器内部局部过热和附加损耗增大的现象，IdN=12%1560=187.2kA。为此，对年产 45 万 t 电解铝以上、系列电流 500kA 的项目，阀侧整流电路只能是三相桥式同相逆并联（或非同相逆并联）电路，并且每台套整流机组直流电流不宜超过 125kA。整流机组配置为 N 模式，整流机组组数 N=500125+2=4+2=6 台套。本公司采用 N+2 模式，整流机组为 8 台套，6 台套整流机组应满足全电流 500kA，每台套整流机组电流为N=5006=83.33 84kA。额定直流电流 IdN=1.15006=91.66 92kA。整流变压器阀侧交流相电流有效值 I2=0.8165IdN=0.816592=75.12kA。整流变压器容量ST=3U2PIdN=30.4275UdioIdN=1.047UdioIdN=1.0471810246=174346.44kVA，额定容量为 175000kVA。3 整流柜参数的选定大功率整流器在电解铝生产中具有至关重要的作用，其技术指标是保证整机技术水平的关键因素之一，合理设计并优化可提高整流器的性能和稳定性，从而提高电解铝的生产效率和质量。需要注意的是，二极管的最大电压和最大电流受额定电压和额定电流的限制，因此选择二极管时应确保其额定参数能满足所需应用中的最大电压和电流要求。同时，二极管的平均电流应考虑系统的热设计和散热能力，以确保二极管能够在适当的工作温度下工作。3.1 二极管校验对 ABB 二极管 4 英寸元件 5SDD5055N002、Bussmann5#单体快熔 170M8091 进行校验，分别见表 1、表 2。表 1 5SDD5055N002 元件参数表符号参数名称单位参数值IFAV标称正向平均电流A4570IFSM正向不重复浪涌电流kA73.0I2 tr管芯电流平方时间积mA2s27.5URRM反向重复峰值电压V5000URSM反向不重复峰值电压V5500rF斜率电阻m0.107UFO门槛电压V0.8Tj最高工作结温150F标准压紧力kN90表 2 170M8091 参数表符号名称单位参数备注UR额定电压V1500均方根值IRN额定电流A3000均方根值3.2 参数校验使用二极管时，需要考虑其最大反向工作电压和最大反向工作电流。超过这些限制会导致元件损坏。为了保护元件并延长其寿命，在实际使用中需要考虑“储备系数”。3.2.1 二极管电压储备系数电压储备系数是指在正常工作条件下，最大反向重复峰值电压、最大反向工作电压的比值，一般情况下电压储备系数为 23，如公式（5）所示。KUUUUvRRMRMRMdio?1 045.（5）式中：KV为二极管电压储备系数；URRM为反向重复峰值电压；URM为最大反向工作电压峰值（三相桥式整流电路）；Udio为额定直流空载电压。则有 URM=1.045Udio=1.0451810=1892V，Kv=URRMURM=50001892=2.64。3.2.2 桥臂平均电流桥臂平均电流是衡量二极管整流桥重要参数，其平均电流的计算对电路设计和分析非常重要。桥臂平均电流如公式（6）所示。中国新技术新产品2024 NO.4（上）-77-工 业 技 术ISInCPCdNb?（6）式中：ICP为桥臂平均电流；SC为串联换相数，对于三相桥式整流电路 SC=2，对于双反星型带平衡电抗器电路 SC=1；IdN为额定电流输出电流；nb为整流臂数（同相逆并联为 24臂，三相桥式整流为 12 臂）。则有 ICP=SCIdNnb=29224=7.7kA。3.2.3 二极管电流储备系数电流储备系数是指在正常工作条件下，为了保证元件不受损坏，在额定值上留出一定的余量。电流储备系数通常是每个桥臂元件额定正向平均电流与桥臂平均电流的比值，一般情况下桥臂电流储备系数为 35，这样可以确保在瞬间负载或过载情况下元件不会受到损坏。二极管电流储备系数如公式（7）所示。KnIIKKIbyFNVCPgzKa?（7）式中：KI为二极管电流储备系数；nby为整流桥臂并联元件数；IFNV为元件额定正向平均电流（A）；ICP为桥臂平均电流（A）；Kgz为电流过载系数 1.051.1；KKa为综合系数 0.5。该项目考虑 7 只整流元件。考虑 n 时，选择 7 只进行验算，如公式（8）所示；考虑（n-1）时，选择 6 只进行验算，如公式（9）所示。KnIIIbyFNVCP?7 457077004 15.（8）KnIIIbyFNVCP?6 457077003 56.（9）3.2.4 整流柜均流系数均流系数是各类变流装置整流柜重要参数。均流系数代表了整流柜某个整流桥臂并联各支路整流元件均流情况的好坏。而均流情况的好坏又直接影响整流柜的安全运行。均流系数的定义是同一桥臂中流经并联各支路元件的电流平均值与其中最大值的比值，如公式（10）所示。KInIIURKUnUCbymanCbyman?（10）式中：KC为整流柜均流系数；I 为整流臂实际平均电流；nby为整流臂并联元件数；Iman为整流臂内最大导电电流；U为整流臂实际平均电压；Uman为整流臂内最大导电电压。由于硅整流元件伏安特性、整流臂的磁场分布、整流臂汇流母线电阻以及快速熔断器电阻等因素影响，因此整流臂或硅整流元件电流不平衡，进而导致硅整流元件快熔熔断。KC均流系数值见表 3。表 3 KC均流系数值并联元件数nbyKC250.96100.850.811150.80.7516200.750.73.2.5 损耗和整流效率大功率整流器的一个显著特点是常年不间断地连续运行，为负载提供强大的直流电能。在为负载提供直流电能的同时，整流器自身也要消耗能量，因此整流器的损耗 P 和整流效率是衡量大功率整流器技术性能优劣的2项重要指标。根据 JB/T78401998电化学用整流器标准规定，额定直流电压 1560V 整流器的整流效率不得低于 99.6。为了提高整流效率，必须设法降低损耗。在整流器的各项损耗中，二极管的正向损耗是主要的，约占总损耗的 80，因此降低二极管的正向损耗是提高整流效率的关键。降低二极管正向损耗的措施主要包括 2 个方面，一是尽可能降低整流管正向峰值电压，二是适当增加并联支路。根据 ZHWF-460002/1560 整流器厂家标准，额定运行条件下单台整流器的损耗为 141kW，对整流器效率进行计算，如公式（11）所示。?UIUIPdNdNdNdN?1560 460001560 4600014100099 8.%（11）式中：为整流器效率；UdN为额定直流电压；IdN为额定电流输出电流；P 为整流器总损耗。经过计算，比标准规定的整流效率提高 0.2，节能效果较明显。4 结语本文对电解铝供电整流变压器、整流器等关键参数进行了选型分析，为降低大电流产生的磁场对整流变压器、整流器局部过热的影响，减少设备大马拉小车的现象提供经验和理论计算依据。同时也能为电解铝厂生产和设备制造厂带来新的效益，加快我国大型铝厂的设计、生产，提升企业竞争力。参考文献1 孟凡刚，朱春波，高蓄，等.基于星形联结自藕变压器的高功率密度12脉波整流器研究 J.电机与控制学报，2018，22（8）：1-9.2 高蕾，体为明，孟凡刚.基于新型升压自藕变压器的12脉波整流系统 J.电源学报，2012（3）：23-31.3 王兆安，刘进军.电力电子技术 M.北京：机械工业出版社，2000.4 肖松松，荣军，李翔，等.三相桥式全控整流电路的建模与仿真 J.电子技术，2014，1（1）：17-19.5 龙波，杨平，张科，等.带平衡电抗器双反星形可控整流电路的深入理解和分析 J.实验技术与管理，2015，32（12）：123-126.6 葛笑寒.带平衡电抗器的双反星型整流电路分析与仿真 J.河北能源职业技术学院报，2019（1）：73-76.