用國產整流設備替換進口整流設備的技術對比與分析
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1 引言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/179403.htm近年來，我國電解鋁工業(yè)得到了前所未有的迅猛發(fā)展，這不僅給我國整流電源設備制造行業(yè)帶來了發(fā)展的機遇，而且也促進了我國電化學用整流電源設備技術水平的提高。目前，國產電解鋁用超高功率整流電源設備與國外同類產品相比，不僅在價格上占有優(yōu)勢，而且在技術水平的提高上也是非常顯著的。
整流電源設備是電解鋁生產的關鍵設備之一，其主要特點是輸出功率非常大，必須能常年不間斷地連續(xù)運行，給電解槽穩(wěn)定地提供強大的直流電流。就其技術進步和技術先進性而言，主要體現(xiàn)在輸出功率大小，損耗與效率，可靠性，自動化程度等幾個方面。
現(xiàn)在，即使是單系列年產250kt以上的電解鋁工程所需要的整流電源設備已不再依賴國外進口，這是國產設備技術經(jīng)濟指標全面提高的重要標志。從中鋁青海分公司一電解用國產整流設備替換進口整流設備的實踐說明，用現(xiàn)在的國產整流設備替換過去進口的整流設備已完全具備條件。
2 整流主電路連接結構問題
一個電解鋁系列的設計年產量是確定并聯(lián)整流機組個數(shù)和單機組功率的基本依據(jù)。單個整流機組輸出功率越大，所需并聯(lián)機組個數(shù)越少，便可相對降低電源設備的投資。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內在建的大型電解鋁工程的主要技術數(shù)據(jù)如表1所列。
由表1可見，現(xiàn)在單機組直流輸出功率最大已達到1300×38×2×103=98.8MW。實踐證明，再進一步增大單機組直流輸出功率，除受到整流器件電壓等級和快速熔斷器極限分斷能力的限制之外，還受到整流變壓器和整流器連接結構的制約。下面就三種有代表性的整流主電路連接方式進行對比分析。
表1 國內目前在建的大型電解鋁工程主要技術數(shù)據(jù)
| 名稱 | 年產量/kt | 系列電流/kA | 系列電壓/V | 機組個數(shù) | 機組電流/kA | 機組電壓/V | 器件選擇 | 快熔選擇 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 青銅峽鋁業(yè) | 250 | 350 | 1250 | 6 | 38×2 | 1250 | 進口 | 國產 |
| 云南鋁業(yè) | 250 | 350 | 1300 | 6 | 38×2 | 1300 | 進口 | 進口 |
| 河南中孚鋁業(yè) | 240 | 320 | 1300 | 6 | 35×2 | 1300 | 進口 | 國產 |
| 東方希望鋁業(yè) | 240 | 320 | 1300 | 6 | 35×2 | 1300 | 進口 | 國產 |
| 山西關鋁鋁業(yè) | 200 | 300 | 1200 | 6 | 32×2 | 1200 | 進口 | 國產 |
| 信發(fā)希望鋁業(yè) | 140 | 250 | 1000 | 4 | 43×2 | 1000 | 進口 | 國產 |
| 廣元啟明星鋁業(yè) | 200 | 320 | 860 | 5 | 42×2 | 860 | 進口 | 國產 |
| 山東華信鋁業(yè) | 140 | 250 | 1050 | 4 | 43×2 | 1050 | 進口 | 國產 |
| 山西華澤鋁業(yè) | 140 | 320 | 1200 | 6 | 32×2 | 1200 | 進口 | 進口 |
| 山東鄒平鋁業(yè) | 80 | 250 | 600 | 4 | 43×2 | 600 | 進口 | 國產 |
| 山東澳伸鋁業(yè) | 150 | 250 | 1050 | 4 | 43×2 | 1050 | 進口 | 國產 |
| 中鋁青海鋁業(yè) | 100 | 160 | 1200 | 4 | 33×2 | 1200 | 進口 | 進口 |
2.1 BBC整流設備存在的問題和原因分析
中鋁青海分公司一電解，年產電解鋁100kt。整流電源設備是在1985年由當時的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生產電化學用硅整流設備以來，承接的第330份訂單。整個系列有260臺電解槽，系列電流160kA，系列電壓1150V，由四個電流為56kA，電壓1150V的整流機組并聯(lián)供電。這在當時稱得上是世界上功率最大，技術最先進的電化學用整流設備了。至今，經(jīng)過16～17年的運行，就整流器本身而言，與后來國內其他各廠從德國西門子，瑞典ASEA，法國西吉萊克，意大利安薩爾多以及日本富士電機等國際著名公司引進的同類整流器相比，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構示意圖。由圖2可知，整流裝置的結構特點是將整流的正、負極分成兩個獨立單元，以避免整流裝置內部發(fā)生直流側短路。不僅如此，其母線結構的整體性和動態(tài)穩(wěn)定性也非常優(yōu)越。然而，經(jīng)過十多年的運行證明，該整流裝置的優(yōu)點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獲得的。其主要表現(xiàn)為：
1）變壓器噪聲過大，達到90dB以上；
2）運行溫升偏高，最高可達到85℃；
3）絕緣過快老化，現(xiàn)在最嚴重的地方，表面已出現(xiàn)焦裂現(xiàn)象；
4）自飽和電抗器調壓范圍不夠，只有20V左右。
圖1 整流主電路連接原理圖
圖2 整流裝置結構示意圖
由于BBC當時是第一次制造這么大容量的整流變壓器，對于大電流交變磁場所產生的危害認識不足。由圖1可見，當強大的交流電流通過閥側交流母線時，所產生的交變磁場不能被相互抵消；而閥側母線的連接方式使得自飽和電抗器的引出線之間有過多的相互交叉，結構非常復雜，因此，不得不過多地采用軟連接，使之沒有足夠的支撐；在大電流交變磁場的作用下，產生的振動，局部渦流發(fā)熱和對自飽和電抗性能的影響就很突出，以致于超出允許范圍，加速設備老化。
另外，或者是受運輸尺寸的限制，或者是為了節(jié)省材料，BBC將本應做成兩個器身的整流變壓器合二為一成一個。并且取消了中間的共軛鐵心，使變壓器結構特別緊湊，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，所產生的負面影響也不能被輕易忽視。
2.2 克服交變電磁場影響的主要對策
在超高功率整流機組中，由于強電流引起的交變磁場，給機組的運行帶來一系列的負面影響，其主要表現(xiàn)為：
1）在閥側母線周圍的鋼結構件中產生渦流，引起局部發(fā)熱；
2）閥側母線電抗壓降引起的無功損耗導致機組的平均功率因數(shù)相對偏低，變壓器補償繞組和補償電容器的容量相對偏大；
3）容易引起各相之間，各整流臂之間和同臂內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。
為了克服強電流交變磁場產生的不利影響，各制造廠商都有針對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。相對來講，比較典型的有三種：一種是全部采用非導磁材料做結構件；另一種是采用同軸式結構；再一種就是采用同相逆并聯(lián)結構。三者之間的主要優(yōu)缺點對比如表2所列。
表2 克服大電流交變磁場不利影響的各種措施的比較
| 項目 | 非導磁材料結構 | 同軸式結構 | 同相逆并聯(lián)結構 |
|---|---|---|---|
| 主電路連接圖 | 圖1 | 圖3 | 圖5 |
| 基本結構示意圖 | 圖2 | 圖4 | 圖6 |
| 代表性廠商 | ABB和德國西門子 | 法國阿爾斯通和西吉萊克 | 日本富士和中國各廠家 |
| 消除閥側交變磁場引起局部渦流發(fā)熱的原理 | 采用非導磁材料構件以避免母線周圍構件發(fā)熱 | 采用同軸結構使交變磁場相互抵消避免渦流發(fā)熱 | 采用同相逆并聯(lián)結構使交變磁場相互抵消避免渦流發(fā)熱 |
| 消除整流裝置渦流發(fā)熱的實際效果 | 差 | 一般 | 好 |
| 消除變壓器渦流發(fā)熱的實際效果 | 差 | 差 | 好 |
| 功率因數(shù) | 低 | 一般 | 高 |
| 對均流的影響 | 大 | 中 | 小 |
| 對絕緣結構要求 | 一般 | 高 | 高 |
| 整流裝置結構的相對復雜程度 | 簡單 | 復雜 | 一般 |
2.2.1 全部采用非導磁材料
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。在整流裝置內部及其周圍盡可能地避免使用鋼結構件，而是選用非導磁材料構件，以防止渦流引起局部發(fā)熱。如圖2所示，ABB的做法是將正、負連接母線焊接成兩個整體的框架，其結構強度和抗電動力都非常好。但是，這種方式對于消除大電流交變磁場負面影響只是一種治標的辦法，實際效果并不理想，限制了單機組電流的繼續(xù)增大。
2.2.2 同軸式結構
法國阿爾斯通和西吉萊克的做法是將整流裝置的各個整流臂做成同軸式結構。整流主電路連接原理圖和整流臂結構示意圖如圖3和圖4所示。這種結構是將交流母線穿過直流母線框窗口，再把器件和快熔以交流母線為軸線對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
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