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1、“中电索能”杯全国氯碱行业整流技术交流会论文专辑 大功率整流装置的联结方式 吴春学+ ,钟辉 ( 西安中电变压整流器厂,陕西西安7 1 0 0 7 5 ) 关羹词 大功率;整流装置;联结方式;应用 摘要】介绍了大功率整流装置联结方式的应用情况。 前言 近几年来,随着国家经济的高速发展,氯碱行业 也迎来了前所未有的高潮。目前全国已建和在建离 子膜烧碱装置已近8 0 0 万t a ,其中已投产4 0 0 万 a ,而且9 0 以上是复极式电解槽,单槽直流电流1 0 1 5k A ,直流电压3 0 0 4 5 0V ,这种规格电解槽的 电流电压决定了整流装置的容量属高压、小电流。 从国内离子膜复极槽
2、所配整流装置来看,直流电流 l a = 1 5k A 左右,直流电压U d = 3 0 0 4 5 0V ,1 台整 流装置对应1 台电解槽居多。但从整流装置的定货 情况来看,国内制造的整流装置无一例外都采用同 相逆并联技术,从国外引进的有采用非同相逆并联 的整流装置。而且都是用户要求采用的同相逆并联 技术,说明同相逆并联这种技术很有市场,就其为什 么要采用同相逆并联技术,回答都不是很充分,说明 对同相逆并联的认识不是很了解,或者了解不够深 入。同相逆并联是一种技术,是一种在交流导排电 流大、导排距离长的条件下能够比较明显减小互感 的技术。从目前看,在直流电压较高的整流电路中, 特别是采用大功
3、率整流元件时,在交流导排距离短 的条件下,它的技术优势就不存在了,其劣势就凸显 出来,并成为主要矛盾。它的整体优势就不是唯一 的最佳选择。为让大家对同相逆并联在整流装置中 的应用有进一步了解,特对同相逆并联的技术特点 作一定量分析,并对在直流电压较高的整流电路和 采用大功率整流元件时同相逆并联技术的弊端进行 论述。 1 同相逆并联的技术特点 同相逆并联就是在整流装置中并联使用的相同 相位、极性相反的两根导排组成的母线,要求条件是 变压器阀侧由一个线圈分为两个线圈,而且要反极 性使用( 见图1 ) 。 图1同相逆并联两个反极性线圈 同相逆并联的特点就是利用通过导体产生的磁 力线相互抵消,达到减少
4、导排的互感,减少母线的交 流阻抗,提高功率因数的目的。当导排中的电流超 过一定数值时,导排中电流产生的磁力线在周围的 钢结构中产生电磁势,形成涡流,涡流电流使钢结构 发热,生成附加损耗。采用同相逆并联后,可以减少 这种附加损耗。同相逆并联接线方式如图2 所示。 图2 同相逆并联接线方式 如图2 所示,在整流柜内,如在t 。一t :时间内, a 。、a 2 1 对b 。、b 2 6 都同时导电,过6 0 。电角度后,在t 2 一t ,时间内,a 、a 。对e 。:、c :同时导电,其他导排电 - 作者简介】吴春学,男,高级工程师,1 9 8 8 年毕业于西安交通大学电气专业,现于西安中电变压整流
5、器厂工作。 【收稿日期 2 0 0 6 0 6 一1 5 2 0 0 6 陕西西安 位处于低电压,硅元件不导通,电路中电流通过,a z - 、 a c 。:、c :分别形成逆并联电路。其他时间依此类 推,导通顺序如图3 所示。 图3 同相逆并联电路导通方式 2 非同相逆并联整流接线方式 非同相逆并联整流接线方式如图4 所示,在t 。 一t :时间内,a 。、b 。同时导电。 凶 整流 汛 l R 5 门h | = 一 I + 广_ 相敢 C 2 L 线曩组剐 图4 非同相逆并联整流接线方式 3 两种联结方式的比较 3 1 位置布置 两种联结方式的位置布置相同( 如图5 所示) , 但进线形式不
6、同,交流母线长度不同,同相逆并联长 度大于10 0 0m m ,非同相逆并联长度小于10 0 0m m ( 可小于5 0 0m m ) 。 图5 位置布置图 3 2 进线方式和柜体特点 ( 1 ) 同相逆并联如图6 一图8 所示。 3 0 ( 2 ) 非同相逆并联整流柜内接线布置图见图9 。 ( 3 ) 对壳体的两点要求。 同相逆并联:可用一般钢结构柜体,在臂电流 超过一定值时,采用隔磁结构柜体;非同相逆并 联:可采用一般钢结构柜体,在臂电流超过一定值 时,采用隔磁结构柜体,紧固件采用非铁材料。 图6 同相逆并联进线方式正视图 图7 同相逆并联进线方式立体图 + 图8同相逆并联进线方式剖面圈
7、( 4 ) 在柜内的检修空间及维护。 采用同相逆并联接线方式,柜内交直流母线 多,交流间距为5 1 5e m ,检修人员安全性、方便性 差;正负极支路母线间距为5c m 左右,紧固件绝缘 要求高,存在交流母线、正负直流母线短路的可能 性;采用非同相逆并联的接线方式,柜内母线少、 结构简单,检修人员安全性高,各种间距都在5 0e m t l 09II| “中电索能”杯全国氯碱行业整流技术交流会论文专辑 左右,消除了柜内交流母线、直流母线正负极问短路 事故的可能性,明显提高了运行安全性。 图9 非同相逆并联整流柜内接线布置图 4 同相逆并联整流电路高压下固有风险分 析 4 1 同相逆并联电路 4
8、1 1 从议计上考虑 同相逆并联整流结构使柜内桥臂分布复杂,存 在不稳定的电场、磁场:按+ 一+ 一或者+ 一一 + + 一一+ 排列。正是同相逆并联原理要求抵 消外磁力线,但却加重+ 一或者一十之间的磁场强 度。为提供相反磁力线,需引入相反的电流,而相反 电流需相反电势来满足,促使局部电压( 势) 增加2 3 倍,导致柜内电压关系复杂,短路风险加剧。 4 1 2 从结构布置上考虑 对于同相逆并联电路,换相过电压也会影响同 相逆并相间的绝缘情况。在换相过程中,同相逆并 联相间承受3E C 的电压。由于同相逆并相间距离 1 0 0m m ,任何组装工艺上的缺陷,例如各种导体 毛刺与突出尖角等都会
9、引起绝缘击穿,导致损坏整 流装置及变压器。机组输出电压越高,单机输出电 流越大,这一问题越发突出。 4 1 3 从运行不安全性进行技术论证 4 1 3 1 发生两个同相逆并相问绝缘故障时 ( 1 ) 一个周期内的导电顺序变为一B B 、一C C 、B ( 一B ) 、C ( 一C ) ,( 正常导电顺序为:A B 、A C 、B C 、 B A 、C A 、C B 、一月一B 、一彳一C 、一B C 、一B A 、一C A 、一C B ) 。 ( 2 ) 直流电压峰值将升至正常状态下的两倍, 元件承受耐压升高2 倍。 ( 3 ) 对于大电流电解系统,当1 台整流柜的同相 逆并相间绝缘破坏时,其
10、直流电压将会升高1 8 2 倍,会将系统电流全部抢夺至事故柜输出,造成严重 后果。 从理论上讲,故障状态下直流空载电压的平均 值为: = 袅一2 c o s 池汪 华。:1 7 4 U 2 。= 2 4 6 U 2 L 。 正常状态下直流空载电压的平均值为: U O j 。= 1 3 5 以L 。所以有: U O i 。= 1 8 2 U d i 。 ( 4 ) 在这种故障状态下,导电区间延长为9 0 0 , 相当于一个桥系统输出全部负载电流,因此导电瞬 间桥臂流过的电流幅值达到正常状态下的4 倍( 正 常情况下,两桥并联各输出一半负载电流) ,正常状 态和故障状态波形图分别见图l o 和图1
11、 1 。 图1 0 正常波形图 圈1 1 故障波形图 ( 5 ) 发生直流侧短路事故时,如果有个机组 并联运行,则事故柜内有多机组电流汇集,逆并段母 线受力将按2 增加,同相逆并联结构难以承受。 4 1 3 2 柜内存在不稳定电磁场的分析 具体事例说明,计算Z H S 一3 5k A 13 0 0V 整流 柜同相逆并联间的磁场强度:B = 0 2 T 。 电场强度:E = 7 1 0 5 ( V m ) 。 其间电磁能量密度:P 。一占E 2 2 + 露2 钆一 s ,8 0 E 2 2 + 曰2 Z 一1 5 1 0 1 3 ( J m m 3 ) , 其中 - E 。为真空电容率,F m
12、;占,为相对电容率, F m ;恤。为真空磁导率,I - I m 。 由此可见:出现短路时,在电动力的作用下,柜 内电磁能量异常,此能量与外加2 倍电压势能作用 ( 由于直流电压提高加重事故状况) ,产生似雷击状 巨大冲击,使整流柜崩坏击穿。 3 1 。0+。0一 t 坠 f _ d l 羽蚰口:5 n 晷l 卜。口 2 0 0 6 陕西西安 4 1 3 3 桥臂电流和磁场分析 同相逆并联三相桥整流柜,其同相逆并桥臂电 流和磁场、电场布置如图1 2 、图1 3 所示。从磁场分 布看,由于Z 。很小,各自产生的磁场相互影响很大, 所以总磁场分布很不均匀、不稳定,且两臂间的内部 磁场为叠加磁场。
13、厂、八 B V 图1 2同相逆并联三相桥整流臂间 电流及磁场分布图 图1 3同相逆并联三相桥电场分布图 同相逆并三相桥: f o = I 6 3 巧( 训) ( i 。) 2 。 由于墨、( 母线长度) 相同,在系统条件一定条 件下,短路冲击电流也相同。 假定:非同相逆并三相桥Z = I5 0 0m m ,而同相 逆并三相桥f 0 = 1 0 0m m ,则Z 1 5 1 。 因此,非同相逆并三相桥: 尽( 1 1 52 ) l o = ( 1 2 2 5 ) 厶。 加上同相逆并联臂间的内部磁场为叠加磁场, 其短路产生的电动力巨大是可想而知的;而同相逆 并联母线结构形式比上述计算数值还小许多。
14、 4 2 非同相逆并联电路 非同相逆并联电路为轴对称元件整流桥臂结 构,因此有以下4 个特点。( 1 ) 故障时,直流侧电压 降低,元件承受耐压不变或降低,不会扩大事故。 ( 2 ) 结构( 见图1 4 一图1 6 ) 上的布置看,直流侧短路 或内部故障时,电动力仅是同相逆并联电路的l 2 0 0 1 3 0 0 。( 3 ) 柜内为稳定电磁场分布,电磁场分 3 2 布清晰、均匀。( 4 ) 理论计算值为: E :4x1 0 3V 1 m ,是同相逆并联的1 1 7 5 ; B = 0 0 0 25T ,约是同相逆并联的1 10 0 0 。 l 一 f I ,1 一一 , L 一7C 。B7A
15、 、 一 一 1 , L - ,L ,L 一。 I I 一 -_ 磁场分布均匀,相互作用力, i t J , 圈1 4 非同相逆并联结构电场强度及 磁场强度分布圈 j 遘jl 这、蓬j 围1 6 同相逆并联电场强度分布图 5 两电路在柜布置元件安装上的差异 5 1 同相逆并联电路 5 I I 元件安装方式缺陷 ( I ) 受铜应力限制( 铜母排的允许应力为I 4t c m 2 ) ,不适应大尺寸直径元件的安装。 ( 2 ) 由于元件压装工艺要求严格,较难保证元 件的压装平整精密度,致使元件存在均流问题。 ( 3 ) 直流电压越高,风险越大。( 下转第4 4 页) 、, 卫旷彤地百 , 奠旷同沙
16、托珂 2 0 0 6 陕西西安 尤为重要。它不但完成每一只元件电流检测的功 能,还肩负着熔断器熔断报警功能,即具有检测单只 或多只元件电流丢失的功能。因此,首先是测量头 必须满足油浸的环境,其次是报警时间必须快速、准 确。 均流检测装置适合在油浸环境中使用,因为在 低功率的整流装置中已用过,其性能已经得到验证。 另外,从报警时间指标来看,快速熔断器装置的报警 动作时间为1 0 0m s ,均流检测的报警检测时间是1 m s ,动作时间是2 0m s ,其动作性能优于快速熔断器 的撞针式报警器的性能。 ( 上接第3 2 页)同相逆并联元件的安装如图1 7 所示。 图1 7 同相逆并联元件安装图 5 1