如何保證大功率整流器的安全運(yùn)行

整流器是電解鋁廠的核心設(shè)備，一旦投運(yùn)，不允許較長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)。否則會(huì)造成巨大損失，甚至導(dǎo)致鋁液在電解槽中冷卻凝結(jié)。這時(shí)除了產(chǎn)出損失，客戶還要投巨資修復(fù)故障的電解生產(chǎn)線。如果熔斷器選型不當(dāng)，造成爆炸，還會(huì)危及操作人員的生命安全。
　　
本文重點(diǎn)介紹快速熔斷器在電解鋁行業(yè)中大功率整流設(shè)備上的應(yīng)用，對(duì)在其他行業(yè)中的應(yīng)用也有提及。
　　
本文首先闡述了半導(dǎo)體整流器的熔斷器保護(hù)原則，隨后對(duì)選型涉及的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)做了說明。這些參數(shù)選擇對(duì)整流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行的意義也將逐一解釋。其后對(duì)因熔斷器額定值選擇偏小造成的問題及表征將舉例說明。
　　
1. 介紹
　　
高參數(shù)快速熔斷器主要用于大功率半導(dǎo)體設(shè)備的保護(hù)。典型的此類半導(dǎo)體設(shè)備是利用二極管或晶閘管將交流電源轉(zhuǎn)換成直流的大功率整流器。大功率整流的工業(yè)應(yīng)用很多，本文提及的只是其中的一部分。
　　
2. 大功率整流應(yīng)用
　　
鋁電解 金屬鋁主要是由電解過程生產(chǎn)出來。世界上的很多鋁廠都在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以提高效率，滿足市場(chǎng)對(duì)鋁的需求。鋁電解生產(chǎn)的過程是，氧化鋁(Al2O3)在電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)，生成鋁和氧氣：2 Al2O3+3C→4Al+3CO2
　　
電解槽為大而淺的鋼槽，內(nèi)側(cè)襯有碳層，不同電解槽在電氣上為串聯(lián)連接。每個(gè)電解槽中，直流電流經(jīng)石墨陽極流入呈融化狀的氧化鋁電解液，然后經(jīng)電解槽內(nèi)襯的碳陰極流出，進(jìn)入下一電解槽的陽極，依次類推。在電流的作用下，氧化鋁中的氧元素被分離出來，并在電解槽上部與碳化合形成二氧化碳，而在電解槽底部析出液態(tài)的鋁。以上生成過程見圖1。
　　
氯氣電解 通常氯氣由電解鹽水得到，同時(shí)生成氫氣和苛性鈉。生產(chǎn)一噸氯氣大約要消耗4000度的電能。氯氣電解過程需要的直流過程電流在300-350kA之間，需要的直流電壓可以高達(dá)1000Vdc。
　　
直流電弧爐 現(xiàn)代許多大型鋼鐵廠利用直流電弧爐來熔化回收的廢舊鋼鐵。使用直流電弧爐的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率高以及噪音低。鋼鐵冶煉用電弧爐的過程電流為100kA左右，電壓一般高于1000Vdc。電解過程一般是清潔的，連續(xù)負(fù)荷電流穩(wěn)定地流過半導(dǎo)體和熔斷器。電弧爐應(yīng)用則不同，它們生產(chǎn)過程的特點(diǎn)使得負(fù)荷電流經(jīng)常有嚴(yán)重的脈沖成分，因此在半導(dǎo)體和熔斷器選型時(shí)需要經(jīng)過非常仔細(xì)的計(jì)算和校驗(yàn)。
　　
石墨爐 很多石墨產(chǎn)品的生產(chǎn)，如電極等，也要用到直流爐。典型過程參數(shù)為：電壓一般不高于300V，電流則可能高達(dá)160kA。其他金屬冶煉 銅、鋅、鉛、鎳、鎘等金屬生產(chǎn)的過程電流也需要由大功率整流過程產(chǎn)生。
　　
3. 快速熔斷器應(yīng)用
　　
大功率整流器：大功率整流器的核心元件是半導(dǎo)體(二極管或晶閘管)和快速熔斷器。功率半導(dǎo)體元件的有效利用在很大程度上取決于如何將半導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去。
　　
解決方法是強(qiáng)制冷卻，風(fēng)冷和水冷散熱都是業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)做法。對(duì)于大功率整流器，用去離子水(添加乙二醇作為防凍劑)冷卻更為有效，也是大多數(shù)主流整流器生產(chǎn)廠家的選擇?，F(xiàn)在半導(dǎo)體元件的雙面冷卻已經(jīng)是業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)做法，為了增加輸出電流，快熔的雙面冷卻也比以往有了更多的采用。過去，快速熔斷器大多采用單面冷卻。
　　
現(xiàn)代的生產(chǎn)過程需要越來越高的過程電流，為滿足這種需求，Bussmann開發(fā)出了單體設(shè)計(jì)的五號(hào)快速熔斷器。這種設(shè)計(jì)優(yōu)化了熔斷器在強(qiáng)制冷卻時(shí)的總體散熱性能。
　　
快速熔斷器的額定電壓
　　
執(zhí)行IEC 60269-1&4標(biāo)準(zhǔn)的快速熔斷器，其測(cè)試是在110%的額定電壓下進(jìn)行的。額定電壓是熔斷器選性最重要的參數(shù)之一。發(fā)生故障時(shí)，如果熔斷器兩端電壓高于熔斷器額定電壓，熔斷器極有可能不能正常動(dòng)作。即使熔斷器的測(cè)試電壓比其額定電壓高出10%，我們也從不推薦熔斷器用在高于其額定電壓的系統(tǒng)中。10%的安全裕度是考慮在惡劣的系統(tǒng)條件下，專門針對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)而設(shè)置的。
　　
在整流應(yīng)用中，由于沒有再生負(fù)載，額定電壓選擇依據(jù)整流器輸入線電壓。如果與3英寸或4英寸二極管或晶閘管配合使用，可以形成的整流器輸出為直流2100V，將可允許在一條生產(chǎn)線上有440只電解槽串聯(lián)，這等效于每年39萬噸鋁的生產(chǎn)能力。