晶闸管整流机组在电解铝应用中的可靠性分析

1、晶闸管整流机组在电解铝应用中的可靠性分析黄嘉, 侯树旺(天津电气传动设计研究所, 天津300180摘要:介绍了晶闸管整流机组的组成; 分析了晶闸管整流机组在稳流精度、整流效率、完善的过流保护、无载分闸、控制灵活、操作简单等方面的突出优点; 阐述了由于同步信号电压、自动调节系统和触发器、晶闸管和快速熔断器的设计不当的缺陷, 以及制造工艺差和维护不当等导致整流器事故频发, 降低可靠性的原因。说明其在电解铝应用中的高可靠性性能。而不规范的招标和恶性市场竞争必然降低可靠性。关键词:晶闸管整流机组; 稳流精度; 可靠性; 过流保护中图分类号:TM461文献标识码: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 protection作者简介:黄嘉(1959- , 女, 高级工程师,Email :huangjia4011引言二极管整流机组和晶闸管整流机组是电解铝行业常用的设备。二极管整流机组是由带有载开关的调压变压器、整流变压器、饱和电抗器和二极管整流器组成。晶闸管整流机组通常是由直降整流变压器和晶闸管整流器组成。为了适应新建铝厂电解铝工艺零启动的特殊要求, 晶闸管整流机组配置带国产有载开关的调压变压器是合理的。因为新建铝厂的电解槽数逐渐增加, 达到额定直流电压需要几个月或更长的时间, 在此阶段晶闸管处于深控状态, 谐波电流大、无功功率大, 在投运初期需配置大

6、容量的谐波滤波器, 而当全系列正常运行时, 谐波滤波器的容量又有过剩, 造成投资的浪费, 为此加设带有载开关的调压变压器, 但此有载开关仅在电解槽增加时作升压调节, 只要电解槽数不减少, 则不作调节, 即正常启动、停止运行时不再动作, 采用低价的国产有载开关己可完全满足要求。它不仅解决了晶闸管整流电源应用于零启动时的特殊工况要求, 大大减少了谐波滤波器的容量; 而且在零启动全过程中均有良好的功率因数和滤波效果, 但对于电解槽己达到规定数量的铝厂整流电源改造项目则可不配置此调压变压器。2晶闸管整流机组的优点晶闸管整流机组的优点列举如下。2. 1稳流精度高由于晶闸管的调压过程是ms 级的, 无论是

7、电网波动、阳极效应等一切扰动因素, 其输出电流7EL ECTRIC DRIV E 2008Vol. 38No. 3电气传动2008年第38卷第3期始终稳定在给定值上。动态稳流精度可达0. 1%, 也就是说, 任何瞬时, 对于电解系列其电流的动态波动值不超过额定电流值的0. 1%, 而二极管整流器即便在有载开关不动作时也是绝对达不到的。这是铝电解工艺所企望的理想供电, 从而可以提高电流效率、增加产量、降低吨铝损耗, 而且有利于实现智能控制。2. 2整流效率高、变压器投资低整流机组仅有一台直降整流变压器, 与二极管方式相比, 少了一台调压变压器和饱和电抗器, 结构简单, 减少了损耗, 提高了整流效

8、率; 即便在需要零启动的项目, 它也仅需配置一台带国产有载开关的调压变压器, 变压器的投资低。2. 3可靠性高电解铝的整流电源被称为电解铝系列的心脏, 其可靠性是第一位的, 而晶闸管整流器控制较二极管整流器复杂、技术含量高、, 。实际上, 抛开晶闸管整流器技术复杂这一个论点而言, 晶闸管整流器的可靠性远高于二极管整流器, 而所谓的技术复杂, 也只是因为电解铝整流器行业以前接触晶闸管系统设备较少的缘故, 对于电解铝晶闸管整流器而言, 其仅是一个电流单闭环的自动稳流系统, 运行过程中不要求快速启制动, 与轧钢、高炉、卷扬机、载人高速电梯、机车等具有电流、速度双闭环甚至加上位置三闭环的设备相比, 其

9、自动控制系统较简单, 动态性能指标要求较低, 可靠性要求与载人设备相比也较低, 其允许停电的时间比高炉等设备的要求要长, 这些设备应用晶闸管己有几十年的历史, 采用二极管整流器根本不可能满足其对可靠性的要求。电解铝行业目前还可采用二极管整流器, 虽然相对晶闸管整流器而言, 似乎是简单、可靠, 实际上二极管整流器的保护是较差的, 出现过流故障时仅有跳高压断路器、烧熔断器的简单手段, 如果继电保护失灵或不匹配, 则要发生重大事故, 这是近年来二极管整流器故障频发的原因之一。晶闸管整流器为无接点稳流调压, 晶闸管整流器的调压过程是无接点的, 无需维修; 而二极管整流器的调压通过有载开关的接点动作实现

10、, 有载开关的工作寿命和维修工作量是众所周知的。理论上讲, 晶闸管的寿命是无限的, 实际运行十几年是已有事实。当然, 电解铝整流器有其特殊性, 即电流大、电压高, 其设备容量之大是其它设备难以相比的, 噪音高、振动大, 相应的谐波处理、结构设计、均流技术、绝缘处理、水冷却技术等都有相当难度, 但这些都不应该成为在电解铝行业中推广应用晶闸管整流器的障碍, 只要重视这些问题, 作出相应的处理, 晶闸管整流器完全可以在电解铝行业中得到广泛应用。2. 4完善的过流保护通常在晶闸管整流器自动稳流控制系统中设有一系列完善的过流保护措施:1 电流给定值的限幅, 使用户的给定电流值不可以超过限定的额定电流值;

11、2 电流调节器输出电流的截止值控制; 3 电流闭环调节系统自动调节输出电压, 使实际电流输出值与给定电流值其差值小于0. , 还有3道过 , 例如过流112%额定电, , 系统仍保持运行;2 中度过流, 例如过流124%额定电流时, 系统发出晶闸管触发脉冲推和高压断路器跳闸信号, 使输出电流在高压断路器跳闸前降到零, 高压断路器实现无载跳闸;3 重度过流, 如在高压断路器跳闸前, 例如过流超过130%额定电流时, 控制系统内部直接将晶闸管触发脉冲推, 在几十ms 内强迫整流器输出电流降到零。若在高压断路器跳闸前系统仍不能降低故障电流, 则由与每个晶闸管串联的快速熔断器熔断后切断故障电流, 并保

12、护晶闸管不损坏, 但要求快速熔断器的I 2t 0. 9晶闸管的I 2t , 且有足够大的断流容量; 桥臂上并联的快速熔断器熔断1个时, 系统自动按规定比例降低电流负荷, 一个桥臂上并联的快速熔断器熔断2个时, 系统自动将触发脉冲推, 使输出电流迅速降到零, 并发出跳闸信号; 电流反馈信号取自整流变压器电流互感器(CT , 其既可反映直流电流, 也可反映由于变压器本体原因所产生的故障电流, 其二次输出串接一个三相热继电器, 可作为过负载保护。2. 5高压断路器无载跳闸在机组运行中, 无论由于什么原因发生分闸或故障跳闸时, 晶闸管整流器均可在几十ms 内强迫直流电流迅速降到零, 然后断路器实现无载

13、跳闸, 延长了断路器寿命, 降低了维修工作量。2. 6控制灵活、操作简单每台晶闸管整流机组是独立运行的, 其电流8可自由设定, 增减电流只需改变电流给定值即可(调节给定电位器或改变数字设定值, 操作简单、快捷, 其它机组的跳闸对其运行电流无影响。3晶闸管整流机组的缺点1 谐波电流大, 必需设滤波器, 增加投资。由于 晶闸管采用移相控制, 随着移相角的增加, 其谐波电流增大, 功率因数降低, 尤其在系列电解槽数未达到额定值时, 影响较大, 为此必须设置高压滤波器以抑制其对电网的谐波“污染”, 补偿功率因数。2 电磁干扰影响大。晶闸管自动稳流控制系统采用脉冲移相控制, 在高电压、大电流现场中, 如

14、设计、制造不当, 易受干扰, 引起故障。要求生产厂家和现场布线有足够的抗干扰措施。3 要求维护人员技术水平高。相对于二极管机组, 显然晶闸管整流器的技术难度要高得多, 因制造厂在设计、元器件和材料的选用、制造、工艺、严格的出厂检验来保证。实际上, 采用晶闸管整流器的厂家通常并没有很高资质的维护人员, 一般是通过设备制造厂对中等技术水平的人员培训即可完成, 不能指望他来维修以保证可靠性。4 晶闸管整流器价格较高, 但作为整体投资而言, 目前晶闸管整流机组与二极管整流机组的差价应在10%左右。4晶闸管整流器故障分析国内外在晶闸管整流器的应用中曾出现过一些问题, 分析原因如下。4. 1自动稳流调压系

15、统中的几个关键环节设计不当1 同步信号电压不正确。由某国外公司进口的晶闸管整流器, 其同步电源取自高压电压互感器(P T 的二次侧, 这是正确的, 但是其形成触发脉冲的锯齿波的斜率由电压互感器(P T 的二次侧的电压幅值确定, 由于国产电压互感器的性能变化使其二次侧的三相电压不对称, 导致各相的锯齿波的斜率不一致, 因而6个触发脉冲的延迟角角不同, 彼此的间隔不能保持60, 角最大差异可达10以上, 这样使整流器输出的谐波电流大大增加, 超过了滤波器断路器的分断能力, 滤波器断路器爆炸形成拉弧, 而滤波器断路器的安装位置十分靠近变压器, 导致变压器击穿起火。本文采用电压互感器(P T 的二次侧

16、的电压, 以各相电压的过零点来确定锯齿波的起点, 并控制其有相同的斜率, 则可保证触发脉冲的对称性。如图1所示。这是数字触发器和模拟触发器的基础, 也是晶闸管系统设计的关键之一。图1触发脉冲形成Fig. 1The generation of t rigger pulse图1中, U a 为同步电压; U j 为锯齿波; U k 为控制电压。2 触发器的功放元件选择不当。在电解铝大功率整流器中, 触发器的功放元件不应选用场效应管, 而应选用大功率晶体管。因为其现场有强大的电磁干扰电压脉冲, 场效应管是电压控制器件, 极易被干扰脉冲误触发导通, 发生故障, 而大功率晶体管是电流控制器件, 干扰脉冲

17、没有足够的能量是不能发生误触发导通, 某国外公司的实践己证明这一点。3 自动调节系统的设计不完善。目前全数字控制系统是一个热门的指标, 但是全数字控制系统的软件设计是一个复杂的工作, 需要有足够的人力和财力, 国内有的全数字控制系统中没有电流截止环节, 在发生故障时就要出现大问题。4. 2快速熔断器选用不当如前所述, 快速熔断器是晶闸管整流器最后一道切断故障电流的保护措施, 其选用必须保证以下2条原则。1 快速熔断器的I 2t 0. 9晶闸管的I 2t , 如果不能满足此条件, 则不仅导致快速熔断器不能保护晶闸管, 而且会因此发生晶闸管爆炸, 进而扩大故障, 损坏柜体。2 由于电解铝系列容量迅

18、速增大, 电网的短路容量也随之大幅度增加, 这将大大增加短路电9流。为此应根据电网的短路容量和变压器的短路阻抗值计算整流器可能发生的最大短路电流, 从而确定快速熔断器应有的断流容量。由于断流容量不足而导致快速熔断器爆炸的事件是经常发生的, 即便是国外引进设备也出现过此类问题。4. 3晶闸管元件的选择通常设备厂对于晶闸管的选择, 主要着眼于I TAV 和V DRM /V RRM , 国产晶闸管的电流裕量和电压裕量一般选择3。而进口的晶闸管整流器其电流裕量选择不足2、电压裕量选择不足3。以山东铝厂进口的ABB 36kA/1050V 晶闸管整流器为例, 其交流输入电压为927V , 每臂6并, 均流

19、系数0. 9, 晶闸管元件为3400V/3750A , 则电压裕量为2. 6, 电流裕量为1. 7。该设备己正常运行近18年, 其原因是晶闸管整流器的稳流系统有完善的过流保护, 加上良好的晶闸管元件和水冷散热器。35kA/1150V , 2. 电压裕量为。3, 考虑元器件和制造工艺的差异, 这基本是合理的。但是, 值得注意的是晶闸管元件的选择不仅仅是这两个参数, 还应考虑到大功率整流器现场存在强大的电磁干扰、桥臂的多个元件并联以及同相逆并联技术对均流的影响, 所以还应对晶闸管的触发电流I GT 的大小和通态压降V T 的分散性提出要求。元件出厂的I GT 是指结温25时的值, 在结温升高时,

20、I GT 将明显下降, 这将大大降低其抗干扰误触发的能力, 对此应有足够的考虑。对于国产晶闸管和进口晶闸管元件的差异, 除了某些技术参数较差外, 主要是元件参数的分散性和持续性, 尤其是高电压、大电流元件其差异较大。至于各进口元件厂, 如ABB ,WESTCODE 和EU 2ROP 等厂家其元件参数基本一致, 相差不大, 整流器设备制造厂完全可以按市场经济法则选购性能价格比合理的晶闸管等元器件。4. 4制造工艺的缺陷1 生产过程中的质量管理水平。例如母排与元件接触面的平整度、光洁度; 装配元件时的表面处理顺序、夹具的材质和压紧力矩的控制; 水冷散热器的材质、内部水路和水管接头的型式等。这些问题并非生产厂不了解, 而是实际上没有严格管理和执行, 而大部分设备的问题就出在这些环节上。2 结构设计的问题。目前出现故障较多的是高电压、大电流的大功率整流器, 这是由于生产厂将原先中、低电压、电流的整流器的结构简单的予以放大, 而没有充分重视量变到质变的规律, 在绝缘处理、结构强度、器件布局和