电解铝企业整流所改造中330kA晶闸管整流柜的应用

（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110001）

0.引言

330kA晶闸管整流柜是一种大功率的整流器，近几年此类晶闸管的整流柜也在电解铝的行业中逐渐得到了推广与应用。在电解铝企业的生产中，整流所的稳定供电至关重要，直接关系到电解系列的正常和高效生产，为了保证其生产工作的高质高效进行，电解铝企业就需要借助大功率晶闸管的整流柜进行整流所的改造，而电解铝企业整流所改造中如何进行大功率晶闸管整流柜的应用，就是文章主要研究的内容。

1.某电解铝企业整流所情况

在此电解铝的企业内，其电解系列的整流所内负荷带有140台电解槽，具有660V直流电压、330kA直流电流，其年产的电解铝达到12万吨。此整流所内，主要通过220kV的电网进行供电，通过5台71800kV·A容量整流的变压器对5组的整流机组实施供电。在每组的机组中，进行1台数量调压的变压器、1台数量整流的变压器配置，选择55级别有载调压的开关和5台数量整流器以并联方式进行供电处理。

2.此企业整流设备现状

对此企业整流设备的实际情况进行分析，发现存在诸多的问题。首先，桥臂间存在过近的距离，因为安全距离的不足导致弧光容易出现相间的短路情况；在正负汇流的铜排间、桥臂的底部位置绝缘支撑、相间桥臂等绝缘较为薄弱，若绝缘下降易出现短路的事故。其次，目前晶闸管对脉冲系统触发的电路是单通道的模式且无冗余，若对脉冲电路产生的任何一个环节出现故障，整流柜就会出现脉冲控制的失去；且还存在电源失电控制、电源失电同步、缺相和脉冲的丢失等情况电路保护设计的缺乏。再次，在实际的运行期间，在单柜的电流比38kA大时，柜体会出现较大的噪声和振动，且呈现均流不好或者快熔损坏等异常的情况。面对这种情况，在1台机组进行检修或者出现故障而停机时，其4台机组就不能对330kA输出，不能对电解工作额定电流的要求满足，会被迫降到290kA的电流，进而对生产工艺的平衡性产生破坏，增加损耗，且降低产量和效率[1]。

3.电解铝企业整流所改造中330kA晶闸管整流柜的应用

3.1 合理设计整流柜的技术参数

（1）主要的技术参数。此单柜的额定直流电压（Udn）为660V的输出；单柜的额定直流电流（Idn）为44kA的输出；稳流的精度为0.1%；均流的系数超过0.9；在整流接线中，采用三相桥同、相逆的并联方式；整流单柜输出6脉波的脉波数；在调压中，变压器存在有载的调压粗调和晶闸管的相控细调方式，细调在0%～100%的Udn范围；过载的能力是Ⅱ级别实现100%的连续、1min的150%。（2）合理选择整流的主柜内元器件。对晶闸管的元件参数进行确定中，要求单柜电流为44kA、2组的三相桥、阀侧有12条的进线；其阀侧臂的电流Iep=44000/2×0.557=12694A，阀侧臂的平均电流为(44000/2)×(1/3)=7333A，在每臂中，选择ABB的公司所生产5STP 45Q2800_4500A/2800V的可控硅72个数量，法国的巴斯曼所生产3500A/680V的快速性熔断器72个数量使用；电流的储备系数（k）为5000×6×0.95÷7333 =3.89，电压的储备系数（kV）为2800/660=4.24。（3）计算快熔参数。在一44kA的整流单元发生短路时，其快熔的不融化选择就会进行计算，假设若AB之间出现短路，其整流柜的交流电源就会跳闸。通过计算得知，快熔能够承受最大为15ms的冲击电流，对选型手册查选可以得知，在15ms快熔下熔化电流为32kA，比23387A要大，因此满足实际的要求[2]。

3.2 稳流控制

（1）智能化整流柜。对每一个整流柜中进行一套智能化控制系统的安装，此系统内有智能检测的单元、传感器、通信的接口、相应输入和输出的接口电路。因为进行智能化控制系统的引入，对常规表计以及指示灯取消，对整流柜的控制、操作、信息的传递与显示、状态的监视等都实现智能化的效果。（2）稳流的原理。在所有整流的控制柜内自动稳流的控制系统中，都使用独立性电流的小闭环管控系统，它在稳流性能方面十分优越，即便出现多个的阳极效应情况，其动态的稳流精度依然能够达到0.1%。它的原理为：若某一个电解槽出现阳极效应后，它的槽压就会从4V阶跃至越35V，造成Id直流电流发生下降，而If也随之发生下降，此时差值电流为Id—If呈现上升，导致α向前移动，输出的直流电压就会迅速地升高，来使直流保持不变。因为系统的动态响应具有很快的速度，调节的过程毫秒级内就能够完成，所以直流电流输出的波动就会很小，仅仅有几百安培的情况，且对电网波动同样能够实现自动地稳流效果。（3）稳流的电流给定。在稳流的电流给定中，主要有就地给定、计算机的大闭环式稳流系统、计算机遥控集中给定3种方式。在就地给定中，主要是对整流的控制柜上进行所需运行电流的手动设定。在计算机遥控集中给定中，于主控室的上位机上把所对应#1～#5的整流控制相应设定值借助变换器将光缆的信号从电流所给定光信号进行0mA～20mA电流源的信号转变，并分别送至整流的控制柜内，这样就能够对长距离的传输可能会出现的干扰实现避免。正常运行的状态时，相关操作人员能够在主控室内对各整流器运行的电流灵活控制，且彼此不会受到约束影响。在计算机的大闭环式稳流系统内，因为主控室的上位机进行电解系列的总电流其给定值数字设定，和上位机位置10路的总加信号、装设在总直流的母排上莱姆直流的传感器总电流的反馈信号构成了大闭环式自动调节的系统，从而实现对系列电流的自动化稳流效果。计算机把总给定借助变送器进行0mA～20mA的信号转变，分别送到每个整流的机组内，全部受控机组通过相同电流实施给定。

在上述的3种给定中，具有灵活和快速操作特点，在对某台机组切换投时，系列的电流也内有明显的波动现象。通过计算机对机组的投入和切除控制中，其各机组内输出的电流值能够自动和平均地分配，实现对电解的生产需要有效保障。

3.3 机组的可编程式监控系统

（1）对运行进行操作。此系统可以对整流柜电源控制、电源的分合闸强触发、对有载开关的升降挡、对高压开关的分合闸、相关辅机的合分闸等操作，还能够对手动自动进行切换、对近控和远控进行切换、对备用系统进行切换、对交直流的反馈进行切换、紧急的跳闸、脉冲封锁等。（2）对故障的检测、报警与保护。在控制柜、直流刀、整流柜、水系统和整流的变压器等系统发生故障时，能够实施声光的报警，且按照故障的类型采取相应的保护处理手段。（3）对数据的采集。通过PLC内I/O的端口来对整流的控制柜、直流的刀闸、高压的开关、油风冷和纯水冷式有载开关的挡位等相关开关量的状态实施采集；对现场的模拟量，如导通角、直流的电流和电压、水温、水压、油温和有载的档位等实施采集，为机组的运行和管理进行基础数据的提供。（4）数字化的通信。使用可编程的逻辑控制器PLC通信模块的接口，对工业现场的总线完成柜内的各智能化数字模块和触摸屏的人机界等设备的通信网构建，实现数字化的通信，并和外部系统的机组PLC、上位的计算机其工作站和工艺分散的控制系统间实现数字通信的网络控制。

3.4 改造的过程和效果分析

在改造过程中，主要涉及到安装、调试、调整、消缺以及空载的小电流与带负荷的试验等。其实质的内容包括原有整流器的控制柜、A/B柜、过电压的吸收箱、稳流柜和均流仪的拆装；对地沟开凿和砌筑，对地脚螺栓浇筑，对控制电源的电缆敷设，对阀侧母线加工，对直流出线的装置吊架制作，对电源开关和其隔离的开关以及调压整流的变压器组与附属的信号进行连接。面对调试期间存在整流柜的桥臂有加工铜屑遗留，导致桥臂发生异常和温度高而跳闸、汇流的铜排安装不平整以及螺栓紧固的不到位等情况，通过相应处理措施的采取，对影响设备的可靠运行相应因素实施消除[3]。

在改造处理后，其水冷桥臂的元件运行中平均为30℃的温度，单机组的元件桥臂其均流系数为85%、稳流的精度为0.1%，其均流、噪音和电流带载的能力都满足预期技术的效果，有效提升了整流系统的可靠性。在此次技改中，通过对进口元件选型以及对加工工艺、结构上多项技术实施改进，对5台数量整流机组全部改造完成后，当电解系列的电流在1台发生检修时，而其他4台的机组也具备对系列电流要求340kA进行提供，从而保证电解的生产不会受到降负荷的影响，对电解槽稳定生产提供良好条件。

3.5 此新设备的优点

此新设备在使用中呈现出诸多的优点，如绝缘强度高、降低振动和噪音、无渗漏、快熔冷却、进口元件性能高等。在绝缘强度高方面，对整流装置的结构绝缘性实施加强，以确保绝缘的强度足够，对交直流的臂间和桥式的相间以及阀侧铜排的进端柜顶位置直流正负的母线间均实施绝缘的特殊性处理。在降低振动和噪音方面，此整流器对整体实施加固处理的措施，有效降低了装置噪音以及振动。在无渗漏方面，原来的设计中其主水管的接采取管箍的形式，常出现渗水的情况，要停机实施处理，对电解运行产生影响，而新柜体采取管螺纹的接头形式，对渗水问题实现有效解决。在快熔冷却方面，对快熔采取双面水冷的处理方式，对有快熔温度有效降低，对快熔寿命以及稳定性实现延长。在进口元件性能高方面，采用了技术指标较为优秀的5STP 45Q2800_4500A/2800V类型可控硅和法国巴斯曼所生产3500A/680V的快速性熔断器，在每台的整流电源中配置2台数量过电压的保护箱，对换相的过电压和操作的过电压采取SwitzerlandABB的电容。

4.结语

通过对本文电解铝企业整流所的改造中330kA晶闸管整流柜的应用进行分析，对原来自动化的系统以及水系统实现保留，通过技术改造对其存在的各类问题实现了解决，对其功能和效果实现了有效的提升，且新设备呈现出诸多的优势，这说明新的改造具有很好的效果，值得进一步研究和推广使用。