1、晶閘管整流機組在電解鋁應用中的可靠性分析黃嘉, 侯樹旺(天津電氣傳動設計研究所, 天津300180摘要:介紹了晶閘管整流機組的組成; 分析了晶閘管整流機組在穩流精度、整流效率、完善的過流保護、無載分閘、控制靈活、操作簡單等方面的突出優點; 闡述了由于同步信號電壓、自動調節系統和觸發器、晶閘管和快速熔斷器的設計不當的缺陷, 以及制造工藝差和維護不當等導致整流器事故頻發, 降低可靠性的原因。說明其在電解鋁應用中的高可靠性性能。而不規范的招標和惡性市場競爭必然降低可靠性。關鍵詞:晶閘管整流機組; 穩流精度; 可靠性; 過流保護中圖分類號:TM461文獻標識碼:AR eliability Analys

2、is of the Thyristor R IndustryG Jia (I ric D rive , Tianj in 300180, China :rectifier unit was introduced ;the outstanding performance of thyris 2tor rectifier current precision ,efficiency of the rectifier ,perfect overcurrent protection ,breaker off with ,control agility ,operation simple etc . we

3、re analyzed ; expounded the reason caused the frequency of rectifier accident and the reliability reduced are following :the design limitation of the synchronization signal voltage ,the auto regulation system and device of trigger ,thyristor and fast f use and manufacture technics is too bad and mai

4、ntenance insufficient. Explained its high reliability performance for Aluminium Electrolysis Industry. Moreover the nonstandard invite public bidding and malignant market competition cause necessity the reliability reduced.K ey w ords :the thyristor rectifier unit ;the stable current precision ;reli

5、ability ;over current protection1引言二極管整流機組和晶閘管整流機組是電解鋁行業常用的設備。二極管整流機組是由帶有載開關的調壓變壓器、整流變壓器、飽和電抗器和二極管整流器組成。晶閘管整流機組通常是由直降整流變壓器和晶閘管整流器組成。為了適應新建鋁廠電解鋁工藝零啟動的特殊要求, 晶閘管整流機組配置帶國產有載開關的調壓變壓器是合理的。因為新建鋁廠的電解槽數逐漸增加, 達到額定直流電壓需要幾個月或更長的時間, 在此階段晶閘管處于深控狀態, 諧波電流大、無功功率大, 在投運初期需配置大容量的諧波濾波器, 而當全系列正常運行時, 諧波濾波器的容量又有過剩, 造成投資的浪費

6、, 為此加設帶有載開關的調壓變壓器, 但此有載開關僅在電解槽增加時作升壓調節, 只要電解槽數不減少, 則不作調節, 即正常啟動、停止運行時不再動作, 采用低價的國產有載開關己可完全滿足要求。它不僅解決了晶閘管整流電源應用于零啟動時的特殊工況要求, 大大減少了諧波濾波器的容量; 而且在零啟動全過程中均有良好的功率因數和濾波效果, 但對于電解槽己達到規定數量的鋁廠整流電源改造項目則可不配置此調壓變壓器。2晶閘管整流機組的優點晶閘管整流機組的優點列舉如下。2. 1穩流精度高由于晶閘管的調壓過程是ms 級的, 無論是電網波動、陽極效應等一切擾動因素, 其輸出電流7EL ECTRIC DRIV E 20

7、08Vol. 38No. 3電氣傳動2008年第38卷第3期始終穩定在給定值上。動態穩流精度可達0. 1%, 也就是說, 任何瞬時, 對于電解系列其電流的動態波動值不超過額定電流值的0. 1%, 而二極管整流器即便在有載開關不動作時也是絕對達不到的。這是鋁電解工藝所企望的理想供電, 從而可以提高電流效率、增加產量、降低噸鋁損耗, 而且有利于實現智能控制。2. 2整流效率高、變壓器投資低整流機組僅有一臺直降整流變壓器, 與二極管方式相比, 少了一臺調壓變壓器和飽和電抗器, 結構簡單, 減少了損耗, 提高了整流效率; 即便在需要零啟動的項目, 它也僅需配置一臺帶國產有載開關的調壓變壓器, 變壓器的

8、投資低。2. 3可靠性高電解鋁的整流電源被稱為電解鋁系列的心臟, 其可靠性是第一位的, 而晶閘管整流器控制較二極管整流器復雜、技術含量高、, 。實際上, 拋開晶閘管整流器技術復雜這一個論點而言, 晶閘管整流器的可靠性遠高于二極管整流器, 而所謂的技術復雜, 也只是因為電解鋁整流器行業以前接觸晶閘管系統設備較少的緣故, 對于電解鋁晶閘管整流器而言, 其僅是一個電流單閉環的自動穩流系統, 運行過程中不要求快速啟制動, 與軋鋼、高爐、卷揚機、載人高速電梯、機車等具有電流、速度雙閉環甚至加上位置三閉環的設備相比, 其自動控制系統較簡單, 動態性能指標要求較低, 可靠性要求與載人設備相比也較低, 其允許

9、停電的時間比高爐等設備的要求要長, 這些設備應用晶閘管己有幾十年的歷史, 采用二極管整流器根本不可能滿足其對可靠性的要求。電解鋁行業目前還可采用二極管整流器, 雖然相對晶閘管整流器而言, 似乎是簡單、可靠, 實際上二極管整流器的保護是較差的, 出現過流故障時僅有跳高壓斷路器、燒熔斷器的簡單手段, 如果繼電保護失靈或不匹配, 則要發生重大事故, 這是近年來二極管整流器故障頻發的原因之一。晶閘管整流器為無接點穩流調壓, 晶閘管整流器的調壓過程是無接點的, 無需維修; 而二極管整流器的調壓通過有載開關的接點動作實現, 有載開關的工作壽命和維修工作量是眾所周知的。理論上講, 晶閘管的壽命是無限的, 實

10、際運行十幾年是已有事實。當然, 電解鋁整流器有其特殊性, 即電流大、電壓高, 其設備容量之大是其它設備難以相比的, 噪音高、振動大, 相應的諧波處理、結構設計、均流技術、絕緣處理、水冷卻技術等都有相當難度, 但這些都不應該成為在電解鋁行業中推廣應用晶閘管整流器的障礙, 只要重視這些問題, 作出相應的處理, 晶閘管整流器完全可以在電解鋁行業中得到廣泛應用。2. 4完善的過流保護通常在晶閘管整流器自動穩流控制系統中設有一系列完善的過流保護措施:1 電流給定值的限幅, 使用戶的給定電流值不可以超過限定的額定電流值;2 電流調節器輸出電流的截止值控制; 3 電流閉環調節系統自動調節輸出電壓, 使實際電

11、流輸出值與給定電流值其差值小于0. , 還有3道過 , 例如過流112%額定電, , 系統仍保持運行;2 中度過流, 例如過流124%額定電流時, 系統發出晶閘管觸發脈沖推和高壓斷路器跳閘信號, 使輸出電流在高壓斷路器跳閘前降到零, 高壓斷路器實現無載跳閘;3 重度過流, 如在高壓斷路器跳閘前, 例如過流超過130%額定電流時, 控制系統內部直接將晶閘管觸發脈沖推, 在幾十ms 內強迫整流器輸出電流降到零。若在高壓斷路器跳閘前系統仍不能降低故障電流, 則由與每個晶閘管串聯的快速熔斷器熔斷后切斷故障電流, 并保護晶閘管不損壞, 但要求快速熔斷器的I 2t 0. 9晶閘管的I 2t , 且有足夠大

12、的斷流容量; 橋臂上并聯的快速熔斷器熔斷1個時, 系統自動按規定比例降低電流負荷, 一個橋臂上并聯的快速熔斷器熔斷2個時, 系統自動將觸發脈沖推, 使輸出電流迅速降到零, 并發出跳閘信號; 電流反饋信號取自整流變壓器電流互感器(CT , 其既可反映直流電流, 也可反映由于變壓器本體原因所產生的故障電流, 其二次輸出串接一個三相熱繼電器, 可作為過負載保護。2. 5高壓斷路器無載跳閘在機組運行中, 無論由于什么原因發生分閘或故障跳閘時, 晶閘管整流器均可在幾十ms 內強迫直流電流迅速降到零, 然后斷路器實現無載跳閘, 延長了斷路器壽命, 降低了維修工作量。2. 6控制靈活、操作簡單每臺晶閘管整流

13、機組是獨立運行的, 其電流8可自由設定, 增減電流只需改變電流給定值即可(調節給定電位器或改變數字設定值, 操作簡單、快捷, 其它機組的跳閘對其運行電流無影響。3晶閘管整流機組的缺點1 諧波電流大, 必需設濾波器, 增加投資。由于 晶閘管采用移相控制, 隨著移相角的增加, 其諧波電流增大, 功率因數降低, 尤其在系列電解槽數未達到額定值時, 影響較大, 為此必須設置高壓濾波器以抑制其對電網的諧波“污染”, 補償功率因數。2 電磁干擾影響大。晶閘管自動穩流控制系統采用脈沖移相控制, 在高電壓、大電流現場中, 如設計、制造不當, 易受干擾, 引起故障。要求生產廠家和現場布線有足夠的抗干擾措施。3

14、要求維護人員技術水平高。相對于二極管機組, 顯然晶閘管整流器的技術難度要高得多, 因制造廠在設計、元器件和材料的選用、制造、工藝、嚴格的出廠檢驗來保證。實際上, 采用晶閘管整流器的廠家通常并沒有很高資質的維護人員, 一般是通過設備制造廠對中等技術水平的人員培訓即可完成, 不能指望他來維修以保證可靠性。4 晶閘管整流器價格較高, 但作為整體投資而言, 目前晶閘管整流機組與二極管整流機組的差價應在10%左右。4晶閘管整流器故障分析國內外在晶閘管整流器的應用中曾出現過一些問題, 分析原因如下。4. 1自動穩流調壓系統中的幾個關鍵環節設計不當1 同步信號電壓不正確。由某國外公司進口的晶閘管整流器, 其

15、同步電源取自高壓電壓互感器(P T 的二次側, 這是正確的, 但是其形成觸發脈沖的鋸齒波的斜率由電壓互感器(P T 的二次側的電壓幅值確定, 由于國產電壓互感器的性能變化使其二次側的三相電壓不對稱, 導致各相的鋸齒波的斜率不一致, 因而6個觸發脈沖的延遲角角不同, 彼此的間隔不能保持60°, 角最大差異可達10°以上, 這樣使整流器輸出的諧波電流大大增加, 超過了濾波器斷路器的分斷能力, 濾波器斷路器爆炸形成拉弧, 而濾波器斷路器的安裝位置十分靠近變壓器, 導致變壓器擊穿起火。本文采用電壓互感器(P T 的二次側的電壓, 以各相電壓的過零點來確定鋸齒波的起點, 并控制其有相

16、同的斜率, 則可保證觸發脈沖的對稱性。如圖1所示。這是數字觸發器和模擬觸發器的基礎, 也是晶閘管系統設計的關鍵之一。圖1觸發脈沖形成Fig. 1The generation of t rigger pulse圖1中, U a 為同步電壓; U j 為鋸齒波; U k 為控制電壓。2 觸發器的功放元件選擇不當。在電解鋁大功率整流器中, 觸發器的功放元件不應選用場效應管, 而應選用大功率晶體管。因為其現場有強大的電磁干擾電壓脈沖, 場效應管是電壓控制器件, 極易被干擾脈沖誤觸發導通, 發生故障, 而大功率晶體管是電流控制器件, 干擾脈沖沒有足夠的能量是不能發生誤觸發導通, 某國外公司的實踐己證明這

17、一點。3 自動調節系統的設計不完善。目前全數字控制系統是一個熱門的指標, 但是全數字控制系統的軟件設計是一個復雜的工作, 需要有足夠的人力和財力, 國內有的全數字控制系統中沒有電流截止環節, 在發生故障時就要出現大問題。4. 2快速熔斷器選用不當如前所述, 快速熔斷器是晶閘管整流器最后一道切斷故障電流的保護措施, 其選用必須保證以下2條原則。1 快速熔斷器的I 2t 0. 9晶閘管的I 2t , 如果不能滿足此條件, 則不僅導致快速熔斷器不能保護晶閘管, 而且會因此發生晶閘管爆炸, 進而擴大故障, 損壞柜體。2 由于電解鋁系列容量迅速增大, 電網的短路容量也隨之大幅度增加, 這將大大增加短路電

18、9流。為此應根據電網的短路容量和變壓器的短路阻抗值計算整流器可能發生的最大短路電流, 從而確定快速熔斷器應有的斷流容量。由于斷流容量不足而導致快速熔斷器爆炸的事件是經常發生的, 即便是國外引進設備也出現過此類問題。4. 3晶閘管元件的選擇通常設備廠對于晶閘管的選擇, 主要著眼于I TAV 和V DRM /V RRM , 國產晶閘管的電流裕量和電壓裕量一般選擇3。而進口的晶閘管整流器其電流裕量選擇不足2、電壓裕量選擇不足3。以山東鋁廠進口的ABB 36kA/1050V 晶閘管整流器為例, 其交流輸入電壓為927V , 每臂6并, 均流系數0. 9, 晶閘管元件為3400V/3750A , 則電壓

19、裕量為2. 6, 電流裕量為1. 7。該設備己正常運行近18年, 其原因是晶閘管整流器的穩流系統有完善的過流保護, 加上良好的晶閘管元件和水冷散熱器。35kA/1150V , 2. 電壓裕量為。3, 考慮元器件和制造工藝的差異, 這基本是合理的。但是, 值得注意的是晶閘管元件的選擇不僅僅是這兩個參數, 還應考慮到大功率整流器現場存在強大的電磁干擾、橋臂的多個元件并聯以及同相逆并聯技術對均流的影響, 所以還應對晶閘管的觸發電流I GT 的大小和通態壓降V T 的分散性提出要求。元件出廠的I GT 是指結溫25時的值, 在結溫升高時, I GT 將明顯下降, 這將大大降低其抗干擾誤觸發的能力, 對

20、此應有足夠的考慮。對于國產晶閘管和進口晶閘管元件的差異, 除了某些技術參數較差外, 主要是元件參數的分散性和持續性, 尤其是高電壓、大電流元件其差異較大。至于各進口元件廠, 如ABB ,WESTCODE 和EU 2ROP 等廠家其元件參數基本一致, 相差不大, 整流器設備制造廠完全可以按市場經濟法則選購性能價格比合理的晶閘管等元器件。4. 4制造工藝的缺陷1 生產過程中的質量管理水平。例如母排與元件接觸面的平整度、光潔度; 裝配元件時的表面處理順序、夾具的材質和壓緊力矩的控制; 水冷散熱器的材質、內部水路和水管接頭的型式等。這些問題并非生產廠不了解, 而是實際上沒有嚴格管理和執行, 而大部分設備的問題就出在這些環節上。2 結構設計的問題。目前出現故障較多的是高電壓、大電流的大功率整流器, 這是由于生產廠將原先中、低電壓、電流的整流器的結構簡單的予以放大, 而沒有充分重視量變到質變的規律, 在絕緣處理、結構強度、器件布局和配套器