大功率整流装置的联结方式

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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