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 Ⅲ 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- — 82KA/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衡，减少了有载调压开关的动作次数，延长了检修周期 80~90 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 95~2001 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 1~3% ，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自动稳流效果好，稳流精度 0.1% ， 硅整流器 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 Ⅰ 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 Ⅲ 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（ 0~100% ），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/250V 78 年 5 月 自制 国产

抚顺铝厂 KES-25KA/950V 95 年 10 月 60KA 九江整流器厂 国产 吉林铝厂 KES 97 年 3 月 105KA 九江整流器厂 国产 黄岗铝厂 KES-70KA/223V 92 年 九江整流器厂 国产 丹江铝厂 KES-64KA/350 95 年 九江整流器厂 国产 平果铝厂 KES-110KA/165V 98 年 320KA 九江整流器厂 国产

商丘铝厂 KES-40KA/500V 99 年 九江整流器厂 国产 林州铝厂 KES-22.5KA/475V 2000 年 九江整流器厂 国产 巨化铝厂 KES-25KA/500V 2000 年 60KA 九江整流器厂 国产 新安钠厂 KES-25KA/300V 2000 年 40KA 九江整流器厂 国产 长城铝厂 KES-35KA/1100V 2000 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。 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 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