国产最大的晶闸管整流电源

1、国产最大的晶闸管整流电源 在新安铝厂的应用与实践杨万欣 王志伟摘要：国产最大的晶闸管整流机组，采用同相逆并联三相桥式整流电源，单台机组整流电流达 82KA ，直流系列电流达 300KA 、电压 750V ，从 2002 年 6 月运行至今，稳流精度达 0.1% ，性能良好，达到了较好的技术指标，并取得了显著的经济的效益。关键词：晶闸管整流电源 同相逆并联 稳流精度新安铝厂 期工程年产 13 万吨电解铝，采用大型 300KA 预焙阳极电解槽，整流机组在容量上属国产最大的晶闸管整流机组，由六台三相 110KV 有载调压自藕直降式移相整流变压器，每台整流变压器带两台由九江整流器厂生产的 KES- 8

2、2KA/750V 晶闸管整流柜，该整流柜采用三相桥式同相逆并联结构，冷却方式为单机组，全封闭、小循环去离子水内冷却技术，电解系列电流 300KA 、电压 750V ，从 2002 年 6 月投运至今，运行稳定，稳流精度达 0.1% ，使电解生产的各项经济技术指标达到较好的水平。其中电流效率达 94.3% ，属国内领先水平。铝电解是电解槽通以大电流将氧化铝粉电解成金属铝的高耗能生产过程。近几年我国铝电解技术有了很大的发展， 160KA 、 280KA 、 300KA 预焙阳极电解槽已成为我国铝电解的主导槽型，铝电解工艺生产制度要求采用恒电流供电，这样可以提高电流效率；降低吨电耗，延长电解槽运行寿

3、命，有显著的经济效益，所以整流电源是电解铝厂的核心装置，其整流效率、稳流精度和供电可靠性直接关系到铝电解的原铝综合交流电耗。一、国内整流电源的发展年 代整 流 方 法优 缺 点50 年代末 60 年代末期大都采用递降变压器和有载调压开关配水银变流装置变流效率低，不能细调，动态响应差、能耗大，汞害严重，有载调压开关寿命短、维修量大60 年代末 70 年代末有载调压变压器配二极管变流器调节性能差，电流不稳定；稳流精度 5% ，有载调压开关的动作频繁，寿命短、维修量大70 年代末 80 年代末有载调压变压器配二极管加饱和电抗器变流器自动稳流未能投入运行，仅能通过手动细调饱和电抗器，达到各机组负荷的平

4、衡，减少了有载调压开关的动作次数，延长了检修周期8090 年代末大量采用进口整流设备，如青海、贵州等铝厂采用有载调压变压器配二极管饱和电抗器变流器，山东、平果等铝厂采用可控硅变流器均设有自动稳流系统，稳流精度 0.1% ，变流效率高，使电解生产指标得以提高，大大减少了有载调压开关的动作次数，延长了检修周期，但设备价格昂贵，噪音大952001 年采用国产有载调压变压器配二极管饱和电抗器变流器自动稳流系统投运成功，稳流精度 13% ，大大减少了有载调压开关的动作次数，延长了检修周期，满足生产需要，但噪音大于 90 分贝，损耗大，功率因数低2002 年以后采用国产有载调压变压器配可控硅整流器自动稳流

5、效果好，稳流精度 0.1% ，变流效率高，噪音低于 68 分贝，操作简单，便于维护，有载调压开关的动作次数极少，延长了检修周期，是铝电解整流电源的发展方向。综上所述：西方国家铝厂用变流装置均设有自动稳流系统，我国目前正在生产的一百三十多家铝厂中，除少数近十年有引进整流电源的铝厂设有自动稳流系统外，其它则屈指可数，有的虽设有饱和电抗器自动稳流系统，但由于种种原因，未能投入运行，这是导致我国铝电解工艺某些指标，长期落后于西方国家的一个重要原因。二、新安铝厂三期工程300KA系列整流电源方案确定新安铝厂 期工程为 160KA 预焙电解槽，年产 6 万吨电解铝，采用有载调压变压器和二极管加饱和电抗器自

6、动稳流，使生产指标得以改善，但饱和电抗器噪音严重超标达 85 分贝以上无法解决。新安铝厂 期工程时，因整流所距村庄住宅区仅一百多米，如果整流设备噪音超标，直接影响村民的正常生活，更不符合环境保护的要求，公司领导决定论证采用国产可控硅整流设备，取消饱和电抗器的噪音源。1 二极管整流及晶闸管整流两种方案的比较：整流方案对比项目二极管加饱和电抗器整流晶闸管整流整流效率高与二极管基本相同控制系统简单PLC 控制简单自动稳流反应速度秒级毫 秒 级国产元件可靠性可靠比较可靠稳 定 性稳定比较稳定噪 音大小功率因数低较二极管高稳流精度低高运行经验丰富较 丰 富投 资综合比二极管机组低 5% 左 右自动稳流方

7、案平均值恒定瞬时值恒定控制系统可与 PLC 与计算机联网可与 PLC 及计算机联网有载开关动作次数频繁极少2 可控硅整流技术的优势 稳流精度高。由于晶闸管整流调压范围广（ 0100% ），反应速度快、电磁惯性小，过程是毫秒级的，无论是电网波动还是阳极极效应等一切扰动因素，其输出电流始终稳定在给定值上。动态稳流精度可达 0.1% ，也就是说，任何瞬间，对于 300KA 的电解系列，其电流波动不超过 0.3KA 。能提供恒定的电流输出，为电解工艺实现最佳工况提供了前提条件，而且有利于实现智能控制。提高了电流效率而实现了节能增产，延长电解槽使用寿命。这是铝电解工艺所企望的理想供电。 整流效率高，变压

8、器投资低。与二极管相比，少了一台饱和电抗器，可降低噪音。 高压断路器无载跳闸。在机组运行中，正常投、退或直流侧发生短路故障时，无论机组由于什么原因发生分闸和故障跳闸时，可控硅整流器均可在几十毫秒内强迫直流电流迅速降到零，然后断路器实现无载跳闸，延长了断路器寿命，降低了维修工作量。 可靠性强。可控硅整流器的调压过程中无接点，而二极管的调压时通过有载开关的接点动作实现，有载调压开关的动作频繁，寿命短、维修量大。理论上讲，可控硅的寿命是相当长的。 控制灵活，操作简单。每台可控硅整流机组是独立运行的，其电流可自由设定，其它机组的跳闸对其电流无影响。电流给定可以采用手动、遥控、计算机控制三种方式。易实现

9、与 PLC 和计算机控制提高综合自动化水平。3 晶闸管也存在不足： 晶闸管由于结热容量低，允许过流和过压倍数低。 多管并联，要求元件静态、动态分散性小，均流系数低。 要求有高精度、高可靠性的触发系统。 随着晶闸管的深控时则产生更大的高次谐波，使功率因数下降。4 国产可控硅整流器的发展业绩：使用单位型 号投产时间系列电流设备生产厂家核心元件锦西化工厂KFHS-50KA/250V78 年 5 月自制国产抚顺铝厂KES-25KA/950V95 年 10 月60KA九江整流器厂国产吉林铝厂KES97 年 3 月105KA九江整流器厂国产黄岗铝厂KES-70KA/223V92 年九江整流器厂国产丹江铝厂

10、KES-64KA/35095 年九江整流器厂国产平果铝厂KES-110KA/165V98 年320KA九江整流器厂国产商丘铝厂KES-40KA/500V99 年九江整流器厂国产林州铝厂KES-22.5KA/475V2000 年九江整流器厂国产巨化铝厂KES-25KA/500V2000 年60KA九江整流器厂国产新安钠厂KES-25KA/300V2000 年40KA九江整流器厂国产长城铝厂KES-35KA/1100V2000 年80KA天传所国产从以上表中可以看出，从七八年国产大容量晶闸管开始应用到 2001 年已有 20 多年来的运行历史，九江整流器厂近 10 年来晶闸管机组已在 14 个厂家

11、投入运行，新安铝厂为考察其运行情况，特在新安电力集团金属钠厂 2000 年由九江整流器厂生产的整流器三台投入运行，经一年多的运行优越性得到了充分的体现，证明设备是可靠的，技术是成熟的。经过详细的分析、研究、论证和比较， 2001 年 8 月公司领导最终决定：选定国内在此方面技术水平最高，技术能力最强的科研院和制造厂家共同承担此项目的研制。国产最大的晶闸管整流电源由新安铝厂、沈阳铝镁设计研究院、九江整流器厂共同合作，联合开发。有载调压变压器由南通变压器厂承制，综合自动化控制系统由深圳市汇港科技有限公司研制，具有目前国内最先进的变电所综合自动化保护、控制系统。其设计技术指标赶超进口同类型设备，力争

12、建成全国示范性整流所。三、针对晶闸管存在的不足，本次设计方案采取了特殊措施如下：1 核心元件的选用随着科学技术的发展，西安电力电子技术研究所、株洲田心机车车辆研究所、天津整流器厂生产的三英寸晶闸管元件，平均电流已 3000A ，正反向重复电压已达 4400V ，本设计选用晶闸管 KP3000A/3500V 在电力机车上使用多年，已经证明其质量是可靠的；提高了电流、电压的储备系数，使电流储备系数为 4.17 倍，电压储备系数为 4 倍，行业标准规定电流电压储备系数大于 2.5 倍即可。2 整流机组数量的选择设计上一般采用 N+1 台原则，即 N 台机组并列运行即能满足电解生产需要，加一台备用机组

13、。新安为保证供电的可靠性，采用 N+2 的原则，即 4+2 台，正常生产时 6 台机组投入运行，当两检修时 4 台机组运行也可满足生产需要。3 选用 35 级有载调压直降式变压器电解槽要求分批分期抽入运行，由于一开始运行电解槽数量少，直流电压低，因此，晶闸管机组处深控状态，这时晶闸管的导通角很小，产生的谐波电流大，严重影响系统电网电压质量，功率因数低，产生两种风险。晶闸管机组震动严重，常常损坏晶闸管，这是晶闸管机组的主要风险。供电部门电网电压质量要求加装滤波装置，该滤波装置容量无法合理确定，因刚投产时会出现过补偿，全投入时出现欠补偿，并且投资比较大。采用 35 级有载调压变压器结合晶闸管机组可

14、以避免这种风险，只要把调压开关随着投运电解槽的多少跟随调档，始终使晶闸管导通角在 100 度 120 度之间运行，就可使晶闸管整流器带来的风险迎刃而解，因此本方案不装设滤波装置。4 采用强迫均流措施 每臂 10 只晶闸管元件分二组水冷铜母线安装，每组 5 只，每臂并联元件间安装，无损耗电抗器进行强迫均流，该措施可强迫元件均流，同时可以抑制晶闸管元件换相时 di/dt ，这是确保均流系数的关键技术之一，均流又采用分组选配元件，每臂元件逢值电压不大于 0.05V 人组配对。 母线几何配置接触表面精加工处理。元件排使用 110 30 无氧紫铜双孔水冷母排，接触面要求铣床进行精加工，表面光洁度为 6

15、以上，全长 10 毫米亮锡处理。5 采用同相逆并联支路铜排距离仅 30mm ，中间以 6mm 厚的环氧玻璃布板，整体隔开，中间无任何连接件，既避免爬电及电气击穿故障，以减少了机壳由交变磁场产生的涡流损耗。6 晶闸管触发控制装置采用进口元件，九江厂开发的触发控制装置，由两套完全独立的电流调节及脉冲触发回路分别对该机组的两台整流柜进行控制。7 机组 PLC 监控采用美国进口 PLC 以其控制简单、灵活、可靠、智能等优点，大大减少常规继电器数量，简化、优化二次回路设计。主要完成功能如下：运行操作、故障检测、报警保护功能、数据采集、数字通讯。四、调试投运1 2002 年 6 月进行了现场投运调试 低压

16、短路大电流试验，每台机组额定负载连续进行 12 小时 高压小电流试验 机组抗干扰试验于 6 月 23 日 4 台机组直接带 4 台电解槽投入运行，系列电流达 300KA ，系列电压 35V 运行稳定。均流系数达 0.9 以上，电流稳流精度达 0.1% ，运行正常、工作可靠，达到设计要求。五、自动稳流控制系统1 系统结构及工作原理每台整流控制柜中的自动稳流控制系统，采用独立的电流小闭环控制系统，具有优越的稳流性能，即使发生多个阳极效应，其动态稳流精度仍可达 0.1% 。自动稳流系统方框图上图为自动稳流控制系统方框图，其原理简要说明如下：当某一电解槽发生阳极效应时，其槽压由 4V 阶跃到 35V

17、左右，导致直流电流 Id 下降， If 随之下降，差值电流 I=IdgIf ，使触发角 a 前移，输出直流电压迅速升高，保持直流不变。由于系统动态响应速度快，调节过程在毫秒级即可完成，因此输出直流电流波动很小，仅几百安培。对于电网波动，同样可实现自动稳流。2 稳流电流给定就地给定：在整流控制柜上手动设定所需的运行电流，一般用于调试阶段。计算机遥控“集中给定”：在主控室上位机上将对应的 #1-#6 整流控制设定值，从光缆信号通过变换器将电流给定的光信号变为 020mA 的电流源信号，送到整流控制柜。这样可有效地避免长距离传输可能受到的干扰。在正常运行时，操作人员可在主控室灵活控制各整流器的运行电

18、流，彼此不受约束。计算机大闭环稳流系统：由于主控室上位机数字设定电解系列总电流给定值，与上位机数字 12 路总加信号或装设于总直流母排上的 LEM 直流传感器的总电流反馈信号组成大闭环自动调节系统，实现系列电流自动稳流。计算机降总给定通过变送器变成 020mA 信号分别送达每个整流机组，所有受控机组由相同的电流给定。实践证明，设置上述三种给定，操作灵活、快速，在需要切换投某台机组时系列电流无明显波动。在计算机控制机组投入切除的过程中，各机组的输出电流值自动平均分配，可靠地保护了电解生产的需要。3 整流柜的信号保护系统每个整流柜均有一台整流控制柜，具有完善的保护功能，柜内配置了 AB 系列可编程

19、序控制器（ PLC ）， I/O 信号量可达 200 点，并根据需要灵活扩展。 PLC 根据系统的保护和工艺要求完成各种信号的采集、处理，实现机组的投、切操作、信号故障的记忆、报警；在发生跳闸故障时通过调节柜封脉冲及无载跳闸操作；同时， PLC 将所有信号送至主控制室上位机控制系统由上位机实现分类处理、报表打印及声光报警灯，每个故障跳闸信号和故障报警信号均可显示和打印输出。A PLC 信号保护系统具有下述功能： 当电流输出 120%I dn （ I dn 为直流额定电流值）时，报警。 当装置快熔熔断一只时，报警。 当 15V 、 +24V 、同步电源异常，当 I dn 150%I dn 时、快

20、熔熔断二只、桥臂过热等任一故障发生时，系统通过 PLC 封锁脉冲，使 I dn 在十几毫秒内迅速为零。B 冷却系统报警信号：主水低水位、主水低流量、主水水温高、付水失压C 变压器 跳闸信号：电流速断、过电流、零序过流、压力释放阀释放、重瓦斯 报警信号：变压器高温、轻瓦斯、高油位、低油位、备用冷却器自投、冷却器油泵过载、冷却器风机过载、冷却器油泵流量失常。4 综合自动化稳流控制系统“大闭环稳流”、“集中给定”、“恒功率控制”系列电流的运行方式选择：“集中给定”方式为半自动运行方式，一般用于调试时或所有机组刚开始投运时，“集中给定方式运行，人为参与的调节程度比较大，集中给定仅仅只作电流分配而无电流

21、反馈控制运行，此时的闭环仅仅是单个整流柜就地小闭环控制。而在系统电压波动或直流负载波动时，同样 20mA 模拟量对应的直流输出是波动的。“大闭环稳流”方式为全自动运行方式，除了操作员可以对机组调档外其它都为自动控制。“恒功率控制”方式为全自动运行方式，在 110kV 系统负荷受限制时，或者系列计划停电、送电操作时使用的运行方式。“系统运行”按钮，后台画面分为两种状态“定值设定”和“系统运行”，在“定值设定”状态可以修改稳流控制系统的任何参数，在这个状态里的定值暂时不会发给稳流系统，只有当所有的定值设定以后把该按钮设定到“系统运行”状态，稳流系统才按照此定值运行。“运行”按钮是用来继续稳流控制系

22、统的电流升、降和自动档位调节。“暂停”按钮是运行稳流控制系统的电流升、降和自动调档调节停止。“机组选择”按钮用来选择投运和退出机组，如果是自动系统会自动调档，如果是手动，就需要人工操作调档。“电流总给定” 用来“大闭环稳流”、“集中给定”运行方式下给定系列直流电流定值（范围： 0360KA ）时起作用。“稳流小步长”是用来给定大闭环稳流系统变化的小步长（范围： 05KA ），“大闭环稳流” “恒功率控制”运行模式下大于等于稳流小步长电流值，小于稳流大步长值时起作用。当小于小步长时， PID 闭环控制模式稳流，无限逼近电流总给定值。“集中给定步长”是用来给定集中给定的变化的步长和机组急停时减电流

23、的步长（范围： 0.25KA ），在集中给定模式运行起作用和投入或退出机组时必须和稳流大步长相等。“功率越限值”是用来防止“效应”发生时引起的直流功率上升对设备造成过负荷（有功功率设定范围： 0400MW ），在所有的控制模式下都起作用，当系列直流功率超过限值，稳流控制系统将对直流电流下调，使功率下降。“导通角上限”定值是用来自动调节整流变的档位是否合理（导通角设定范围： 0135 度），若当前导通角高于“导通角上限”将对整流变升档。“导通角下限”定值是用来自动调节整流变的档位是否合理（导通角设定范围： 0135 度），若当前导通角低于“导通角下限值”将对整流变降档。当任一台需要调档，其它机组跟着一起调档。手动调档是在所有运行方式下，对整流机组的有载开关手动调节。经过一年多的运行，事实证明，晶闸管整流电源和综合自动化稳流系统，满足了 300KA 大型电解槽对供电恒流的需要，满足了设备运行方式的灵活性要求，提高了系统的可靠性、安全性，达到国际先进水平。六、六台机组与五台、四台运行比较经过一年多的运行，我们进行了为期一个多月的六台机组运行与五台、四台机组运行试验比较，结果