电解铝供电整流设备技术及应用

电解铝供电整流设备技术及应用

陈甲成

青海百河铝业有限责任公司 青海 西宁 810000

摘要：电解铝行业为企业的发展做出了巨大贡献，提高了企业的生产效率及综合效益。基于此，本文重点探讨了电解铝供电整流设备技术及应用。

关键词：电解铝；供电；整流

近年来，随着国内电解铝行业的快速发展，电解槽及整流设备正向着更大电流、更高电压等级发展，目前最高电压已超过1300V，最大电流达到350kA。但随着电压和电流的增加，大功率整流技术的不断进步及完善势在必行。

一、电解铝整流系统特点

1、耗电量大。电解铝工业生产消耗很多的电能,素有“电老虎”之称,即使现在较先进的电解系列,其原铝直流电耗最低也为12900kW·h/t·Al。

2、相对低的功率因数。电解铝生产的供电系统中关键设备有调压变压器、整流变压器与大功率整流元件,属超大功率的电感性质的设备,无功消耗大,功率因数低。

3、供电可靠性要求高。因电解铝是一个连续生产的过程,所以要有相对高的供电可靠性。一旦有短时的停电情况出现,在恢复正常供电后,在一定时间内电解铝设备无法实施正常生产。通常,电解铝生产占电解铝厂全部用电负荷率的96%左右,这对安全供电有了更高的要求。

二、整流机组设备

1、二极管整流机组设备。其主体设备有调压整流变压器、自饱和电抗器和硅二极管整流装置。由于装置可靠性高，已在诸多铝厂得到应用。

当前已制造并投入运行的有载高压整流变压器有以下类型:

1)110kV直降式自耦有载调压整流变压器。其最大特点是结构(型式)容量小，电能损耗小，节省设备投资，降低长期运行成本。目前广泛采用的调压方式有：一是79级连续有载端调压；二是±17+1=35级(或±13+1=27级)正反激磁，并带无载倒段开关形成70级(或54级)中性点调压。有载调压开关一般采用进口(MR、ABB、伊林)开关。两种方式相比，前者能更好地满足电解铝工艺及系统正常停送电要求，但其价格较高。当前，35～110kV直降式自耦有载调压整流变压器已广泛应用于100kt/a及以下电解铝厂。因其突出的技术特点、成熟的设计制造技术、安全可靠的运行及多年丰富的运行经验，已成为电解铝行业的主导产品。

2)220/60～110kV降压二次线圈有载调压整流变压器。其特点是结构(型式)容量大，电能损耗大，设备价格高，长年运行成本大，但可靠性高。调压方式有：一是采用进口(MR)角接79级连续有载调压开关，调变二次线圈角接端调压；二是调变二次线圈Y接调压，采用进口(MR)Y接79级连续有载调压开关；三是高变二次线圈延长边(Y接派生)调压，有载调压开关与第二模式相同。后两种调压方式是在第一种调压方式出现问题的基础上改进的。在第三种调压方式中，调变二次线圈固定的角接绕组可代替两种调压方式的独立角接绕组进行无功补偿和滤波，节省了调压变压器的结构(型式)容量。目前，220/60～110kV降压二次线圈有载调压整流变压器以其高可靠性、较成熟的设计制造经验，已在多家100kt/a以上电解铝厂使用。

3)220/110kV降压自藕有载调压整流变压器。其特点是结构(型式)容量小，电能损耗小，因此价格较低，年运行成本较小。但雷电进波过程复杂，中性点工频耐压水平低，高压输出时可靠性高。

其高压方为±17+1=35级正反激磁，并与无载倒段开关形成70级中性点调压。目前，一家120kt/a铝电解厂首次采用了220/ll0kV降压自藕有载调压整流变压器。

4)220kV第三绕组有载调压整流变压器。其特点是结构(型式)容量小，电能损耗小，所以设备价格和年运行成本均较低。制造工艺要求必须采用主调合一结构,为了便于运输，输出容量有一个固定的限制(≤100MVA)。调压在第三绕组上进行，采用±17+1=35级正反激磁进口有载调压开关，并与无载倒段开关组成70级中性点调压，因调压开关(含无载倒段开关)位于第三绕组内，因此运行电压低、容量小，进一步提高了设备的可靠性。

同时，降低了调压开关的价格。目前，220kV第三绕组有载调压整流变压器，因设计制造难度大，特别是阀侧串联绕组绕制工艺复杂且严格，必须在制造能力强、试验条件优越的大型变压器生产厂家制造。

自饱和电抗器是硅二极管整流机组中唯一的无级(细调)设备，可单独设置在油箱中或与整流变压器共油箱。与晶闸管(可控硅)整流调压相比，反应速度慢，高压范围窄，电能损耗大，但由于它能完全满足电解铝稳流工艺及高可靠性要求，得到了国内外电解铝厂的广泛应用。多年来，国内的制造工艺不断改进，其电能损耗、噪音、控制(偏移)绕组过电压等均有所降低，并在国内多家电解铝厂安全可靠运行。

二极管整流装置，其额定直流输出电压已达1300V，单柜额定输出电流可达50kV(三相桥式整流)。该装置的主体器件是硅二极管及快速熔断器。

电解铝二极管整流器大多采用3～3.5英寸硅二极管，其制造技术成熟，成品率高。3英寸( 77)硅二极管的反向重复峰值电压(UR-RM)为2400～5000V，正向平均电流为3800～295OA(IF(AV))(壳温TC=100℃）；3.5英寸( 84)硅二极管的反向重复峰值电压为2400～6500V，正向平均电流为5390～2860A(TC＝100℃)。目前，4英寸( 100)硅二极管一些元件生产厂家已开始批量生产，个别电解铝厂已有所应用。但因成品率低、紧固压力大、现场运行后均流效果差、均流调整困难等因素的影响，一直未得到广泛应用。

我国加入WTO后，外商产品不断涌入中国市场，硅二极管元件的价格有所降低，与国内元件价差在不断缩小，其可靠性高、节能性、性能优越，被国内大型预焙槽铝电解系列所采用。

整流装置中，硅元件的保护装置是快熔断器，目前国内生产快熔的厂家较少，因制造厂装备、技术水平、产品试验条件和新材料研制等与国外专业厂家存在差距，导致快熔性能不能更好地满足电化学整流电源发展的需要。尤其在快熔的予分断能力上有很大差距，工作电压为660～1000V时，予分断能力为l00kA，而大于1000V时，予分断能力仅为50kA。法国FERRAZ等国外产品的予分断能力达200kA以上。

因此，对大型预焙槽的电解系列，宜引入国外快熔整流装置。我国生产的R4S型1100V和3600A快熔，在ABB(瑞士)高压实验室测试中已通过230kA的予分断能力，但尚未广泛应用于整流装置中。

2、晶闸管整流机组设备。其主体设备为无(有)载调压整流变压器及晶闸管整流器。因装置无自饱及电抗器整流机组电能损耗小，可靠性差，因而大型预焙槽系列应用较少。当原有的60kA自焙槽系列改造成小型预焙槽系列(70～80kA)时，将原有的二极管整流器改为晶闸管整流装置，得到了广泛的应用。

电解铝系列焙烧、启动、分期投产设置配套的无(有)载调压整流变压器。通常，无载调压整流变压器可满足四级调压(100%、75%、50%、25%)要求。而对有载调压整流变压器，在满足足级电压和容量的条件下，应尽量减少调压级数。

目前，晶闸管整流器的额定直流输出电压一般在800V以下，单柜额定输出电流在40kA(三相桥式整流)以下。该装置的主体器件是晶闸管(可控硅)及快速熔断器。

2.5～3英寸晶闸管一般用于电解铝的晶闸管整流。2.5英寸( 63)晶闸管断态及反向重复峰值电压(VDRM=URRM)为2400～6500V，平均电流为1480～890 A(壳温TC＝70℃)，3英寸( 73～77)晶闸管断态及反向重复峰值电压为2400～6500V，平均电流为1950～1170A(TC=70℃)。当前，3.5英寸( 84)和4英寸( 100)尚未应用。

晶闸管整流器通过改变相控角调整直流输出电压来达到自动稳流的目的。最大的特点是：稳流精度高、响应速度快、调压范围广，能充分提高电解工艺指标。但其触发控制回路复杂、容量大，需有足够的抗干扰措施，其电源应与整流设备的电源同步，否则，一旦发生事故，整个机组必须停止运行，其可靠性比二极管整流加自饱和电抗器稳流差。此外，晶闸管触发一致性的要求严格,复杂的制造工艺等，是导致晶闸管在电解铝厂整流装置中未广泛应用的根本原因。因此，大型预焙槽系列的应用应慎重，并完善其保护及抗干扰措施。可在高压大电流系列中，宜引进国外晶闸管元件、快熔及触发控制回路。

晶闸管元件保护用快熔的条件和要求与二极管整流器相同，只对快熔的选择有严格要求。

参考文献：

[1]郭志民.浅谈电解铝供电整流系统[J].中国科技纵横,2016(04).

[2]李佰福.电解铝供电整流设备技术及应用[J].世界有色金属，2015(02).