孫振斌

(內(nèi)蒙古大唐國際再生資源開發(fā)有限公司，呼和浩特 010206)

0 引言

對電解鋁企業(yè)來說，保證整流所供電的穩(wěn)定性，是電解系列正常高效生產(chǎn)的前提。近幾年，大電流、高電壓晶閘管整流柜在電解鋁行業(yè)得到推廣應用，但在可控硅整流的應用中，因一些技術不夠完善，相繼暴露出很多問題，甚至發(fā)生事故而造成損失。內(nèi)蒙古大唐國際再生資源有限公司一期工程，針對整流柜原設計存在主電路絕緣薄弱，橋臂均流效果不好，柜體額定電流出力不足等情況，進行了整體技術改造。改造后，不但消除了運行中的故障隱患，而且提高了電解供電的穩(wěn)定性。本文介紹整流柜改造技術的特點和應用情況。

1 系統(tǒng)概況

電解系列整流所負荷帶有電解槽140臺，系列直流電壓660V，直流電流330kA，年產(chǎn)電解鋁12萬t。整流所由220 kV電網(wǎng)供電，經(jīng)5臺容量71800 kV·A的整流變壓器向5組整流機組供電。每組機組配置為1臺調壓變壓器，1臺整流變壓器，選用55級有載調壓開關，5臺整流器并聯(lián)供電。

2 原整流設備存在的問題

(1)橋臂間距離太近，安全距離不夠，弧光容易導致相間短路。正負匯流銅排之間、相間橋臂、橋臂底部絕緣支撐的絕緣較薄弱，在絕緣下降的情況下，容易發(fā)生短路事故。

(2)現(xiàn)有晶閘管觸發(fā)脈沖系統(tǒng)的電路為單通道模式無冗余，在產(chǎn)生脈沖電路的任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，整流柜將失去脈沖控制。并且缺乏控制電源失電、同步電源失電、缺相、脈沖丟失等異常情況下保護電路設計。

(3)實際運行時，當單柜電流超過38 kA時，柜體出現(xiàn)噪聲大、振動大、均流不好、快熔損壞的異?，F(xiàn)象。這樣，當1臺機組檢修或故障停機時，4臺機組不能輸出330kA，無法滿足電解額定電流需要，被迫降至290 kA，導致生產(chǎn)工藝平衡被破壞，損耗增加，產(chǎn)量、效率降低。

3 整流柜技術參數(shù)設計

3.1 整流柜主要技術參數(shù)

單柜額定輸出直流電壓，Udn=660V;單柜額定輸出直流電流，Idn=44 kA;單機組額定輸出直流電流，Idn=2 ×44kA;穩(wěn)流精度，0.1%;均流系數(shù)，＞0.9;整流接線方式，三相橋同相逆并聯(lián);整流輸出脈波數(shù)，單柜6脈波;調壓方式，變壓器有載調壓粗調+晶閘管相控細調;調壓范圍，細調0～100%Udn;過載能力，Ⅱ級別100%連續(xù)，150%1min。

3.2 整流主柜內(nèi)主要元器件選擇

3.2.1 晶閘管元件參數(shù)的確定

單柜電流44 kA，2組三相橋，閥側12條進線;閥側臂電流Icp=0.577×44000/2=12694(A);閥側臂平均電流Ia=(1/3)×(44000/2)=7333(A);每臂選用ABB公司5STP 45Q2800_4500 A/2800 V可控硅共72個，法國bussman_3500A/680V快速熔斷器共72個;電流儲備系數(shù)KI=6×5000×0.95÷7333=3.88;電壓儲備系數(shù) KV=2800/660=4.24。整流機組電路如圖1所示。

3.2.2 快熔參數(shù)計算

1個44kA整流單元短路時，快熔不融化的選擇計算如圖2所示，假設A，B之間短路，整流柜交流電源跳閘。

圖1 整流機組電路

圖2 短路計算模型

變壓器的短路容量

每個單元的二次等效短路功率PSC是PSC3的一半，即 PSC=93.8 MV·A。

額定電壓時，每個單元的二次短路電流ISC等效為

考慮電網(wǎng)波動+10%，則

短路時電流振蕩變化，第1波峰值電流按持續(xù)15 ms考慮

短路電流第二波峰值經(jīng)變壓器阻抗約衰減15%，假設每6脈波中，臂電流不平衡度5%，快熔的最大沖擊電流

快熔承受最大沖擊電流15 ms，則

查選型手冊可知，快熔15 ms的熔化電流是32000 A，大于23387 A，符合實際要求。

4 穩(wěn)流控制

4.1 整流柜的智能化

在每個整流柜內(nèi)安裝一套智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括智能檢測單元、通信接口、傳感器以及相應的輸入、輸出接口電路等。由于引入了智能控制系統(tǒng)，取消了常規(guī)表計和指示燈，整流柜的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳遞、信息顯示等均實現(xiàn)了智能化。

4.2 穩(wěn)流原理

每臺整流控制柜中的自動穩(wěn)流控制系統(tǒng)，采用獨立的電流小閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有優(yōu)越的穩(wěn)流性能，即使發(fā)生多個陽極效應，其動態(tài)穩(wěn)流精度仍可達0.1%。其原理如下:當某一電解槽發(fā)生陽極效應時，其槽壓由4 V階躍到35 V左右，導致直流電流Id下降，If隨之下降，差值電流ΔI=Id－If上升，使觸發(fā)角α前移，輸出直流電壓迅速升高，保持直流不變。由于系統(tǒng)動態(tài)響應速度快，調節(jié)過程在毫秒級即可完成，因此輸出直流電流波動很小，僅幾百安培。對于電網(wǎng)波動，同樣可實現(xiàn)自動穩(wěn)流。

4.3 穩(wěn)流電流給定

就地給定:在整流控制柜上手動設定所需的運行電流。

計算機遙控“集中給定”:在主控室上位機上將對應的#1～#5整流控制設定值，從光纜信號通過變換器將電流給定的光信號變?yōu)?～20mA的電流源信號，送到整流控制柜，這樣可有效避免長距離傳輸可能受到的干擾。在正常運行時，操作人員可在主控室靈活控制各整流器的運行電流，彼此不受約束。

計算機大閉環(huán)穩(wěn)流系統(tǒng):由于主控室上位機數(shù)字設定電解系列總電流給定值，與上位機數(shù)字10路總加信號或裝設于總直流母排上的萊姆(LEM)直流傳感器的總電流反饋信號組成大閉環(huán)自動調節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)了系列電流自動穩(wěn)流。計算機將總給定通過變送器變成0～20 mA信號分別送達每個整流機組，所有受控機組由相同的電流給定。

上述3種給定，操作靈活、快速，在需要切換投某臺機組時系列電流無明顯波動。在計算機控制機組投入切除的過程中，各機組的輸出電流值自動平均分配，可靠地保證了電解生產(chǎn)的需要。

4.4 機組可編程監(jiān)控系統(tǒng)

4.4.1 運行操作

能完成整流柜控制電源、強觸發(fā)電源分合閘、有載開關升降擋、高壓開關分合閘、其他相關輔機合分閘操作，以及手動自動切換、近控遠控切換、備用系統(tǒng)切換、交直流反饋切換、封鎖脈沖、緊急跳閘等操作。

4.4.2 故障檢測、報警和保護

對整流柜、控制柜、整流變壓器、水系統(tǒng)、直流刀等系統(tǒng)出現(xiàn)的全部故障進行聲光報警，并根據(jù)故障類型進行相應保護處理。

4.4.3 數(shù)據(jù)采集

利用PLC的I/O端口對整流控制柜、高壓開關、直流刀閘、油風冷、純水冷、有載開關擋位等開關量狀態(tài)進行采集。

對現(xiàn)場模擬量如直流電流、直流電壓、導通角、水溫、油溫、水壓、有載檔位等進行采集，提供機組運行、管理的基礎數(shù)據(jù)。

4.4.4 數(shù)字通信

通過可編程邏輯控制器(PLC)通信模塊接口，工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)柜內(nèi)各智能數(shù)字模塊、觸摸屏人機界面POD等設備通信網(wǎng)數(shù)字通信，以及與外部系統(tǒng)機組PLC間、上位計算機工作站及工藝分散控制系統(tǒng)(DCS)間的控制網(wǎng)絡數(shù)字通信。

5 新設備優(yōu)點

5.1 高絕緣強度

整流裝置結構絕緣作了必要的加強，以保證有足夠的絕緣強度，交直流臂間、橋式相間、閥側銅排進端、柜頂直流正負母線間都做了特殊絕緣處理。

5.2 降低噪音和振動

整流器采取了整體加固措施，裝置的噪音和振動較以前明顯降低。

5.3 無滲漏

原設計中主水管接頭采用管箍形式，存在滲水現(xiàn)象，需停機處理，影響電解運行，新柜體采用管螺紋接頭，有效解決了滲水問題。

5.4 快熔冷卻

快熔采用雙面水冷措施，有效降低了快熔的溫度，延長了快熔的壽命和穩(wěn)定性。

5.5 采用高性能的進口元件

采用技術指標優(yōu)秀的ABB公司5STP 45Q2800_4500 A/2800 V可控硅，法國bussman_3500 A/680 V快速熔斷器，每臺整流電源配置2臺過電壓保護箱，換相過電壓、操作過電壓電容采用switzerlandABB電容。

6 改造過程及效果

整個改造過程包括安裝、調整、調試、消缺、空載小電流試驗、帶負荷試驗運行等。實質內(nèi)容有拆、裝原整流器A/B柜、控制柜、穩(wěn)流柜、過電壓吸收裝置箱、均流儀;開鑿、砌筑地溝，澆筑地腳螺栓，敷設控制、電源電纜，加工閥側母線，制作直流出線裝置吊架，電源開關及其隔離開關、調壓整流變壓器組及附屬信號連接。針對調試過程中出現(xiàn)的整流柜橋臂遺留加工銅屑，致使橋臂異常、溫度高跳閘，匯流銅排安裝工藝不平整，螺栓緊固不到位等缺陷，以及上位機有載開關控制異常升級的問題，采取了相應的處理措施，消除影響設備可靠運行的不利因素。

改造后，水冷橋臂元件運行平均溫度為30℃，單機組元件橋臂均流系數(shù)達到85%，穩(wěn)流精度0.1%，噪音、均流、電流帶載能力達到預期技術效果，整流系統(tǒng)可靠性大大提高。此次技改通過選型進口元件、加工工藝和結構上做了多項技術改進，5臺整流機組改造全部完成后，電解系列電流可以在1臺檢修時，其他4臺機組具備保證系列電流340 kA的能力，從而確保電解生產(chǎn)不受降負荷影響，為電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

7 結束語

在內(nèi)蒙古大唐國際再生資源有限公司整流柜設備改造過程中，保留原綜合自動化系統(tǒng)和水系統(tǒng)，利用技改解決了整流所綜合自動化系統(tǒng)中出現(xiàn)的各類問題，并將不合理的上位機畫面圖形系統(tǒng)進行整理優(yōu)化。運行實踐證明，新改造具有投資小、工期短、見效快、安全性高等優(yōu)點。