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  大功率整流器的安全运行
 
大功率整流器的安全运行
经理,P.Munk,高级工程师P.Bj¢rnå                                              
库柏•波士曼   
                                                                             
摘要 整流器是电解铝厂的核心设备,一旦投运,不允许较长时间的停机。否则会造成巨大损失,甚至导致铝液在电解槽中冷却凝结。这时除了产出损失,客户还要投巨资修复故障的电解生产线。如果熔断器选型不当,造成爆炸,还会危及操作人员的生命安全。
本文重点介绍快速熔断器在电解铝行业中大功率整流设备上的应用,对在其他行业中的应用也有提及。
本文首先阐述了半导体整流器的熔断器保护原则,随后对选型涉及的几个关键参数做了说明。这些参数选择对整流器的安全稳定运行的意义也将逐一解释。其后对因熔断器额定值选择偏小造成的问题及表征将举例说明。
文末介绍了库柏波士曼公司新开发的五号快速熔断器在提高整流器输出能力、提高系统效率、优化客户投资等方面的优势。
 
1.     介绍
高参数快速熔断器主要用于大功率半导体设备的保护。典型的此类半导体设备是利用二极管或晶闸管将交流电源转换成直流的大功率整流器。大功率整流的工业应用很多,本文提及的只是其中的一部分。
 
2.     大功率整流应用
铝电解金属铝主要是由电解过程生产出来。世界上的很多铝厂都在扩大生产规模以提高效率,满足市场对铝的需求。
铝电解生产的过程是,氧化铝(Al2O3)在电解槽中发生电解反应,生成铝和氧气:
2 Al2O3+3C→4Al+3CO2
电解槽为大而浅的钢槽,内侧衬有碳层,不同电解槽在电气上为串联连接。每个电解槽中,直流电流经石墨阳极流入呈融化状的氧化铝电解液,然后经电解槽内衬的碳阴极流出,进入下一电解槽的阳极,依次类推。在电流的作用下,氧化铝中的氧元素被分离出来,并在电解槽上部与碳化合形成二氧化碳,而在电解槽底部析出液态的铝。以上生成过程见图1。
   
 
氯气电解通常氯气由电解盐水得到,同时生成氢气和苛性钠。生产一吨氯气大约要消耗4000度的电能。氯气电解过程需要的直流过程电流在300-350kA之间,需要的直流电压可以高达1000Vdc。
 
直流电弧炉 现代许多大型钢铁厂利用直流电弧炉来熔化回收的废旧钢铁。使用直流电弧炉的优点是生产能力大、生产效率高以及噪音低。钢铁冶炼用电弧炉的过程电流为100kA左右,电压一般高于1000Vdc。电解过程一般是清洁的,连续负荷电流稳定地流过半导体和熔断器。电弧炉应用则不同,它们生产过程的特点使得负荷电流经常有严重的脉冲成分,因此在半导体和熔断器选型时需要经过非常仔细的计算和校验。
 
石墨炉 很多石墨产品的生产,如电极等,也要用到直流炉。典型过程参数为:电压一般不高于300V,电流则可能高达160kA。
 
其他金属冶炼铜、锌、铅、镍、镉等金属生产的过程电流也需要由大功率整流过程产生。
 
3.   快速熔断器应用
大功率整流器
大功率整流器的核心元件是半导体(二极管或晶闸管)和快速熔断器。功率半导体元件的有效利用在很大程度上取决于如何将半导体损耗产生的热量及时散发出去。
 
解决方法是强制冷却,风冷和水冷散热都是业界的标准做法。对于大功率整流器,用去离子水(添加乙二醇作为防冻剂)冷却更为有效,也是大多数主流整流器生产厂家的选择。现在半导体元件的双面冷却已经是业界的标准做法,为了增加输出电流,快熔的双面冷却也比以往有了更多的采用。过去,快速熔断器大多采用单面冷却。
现代的生产过程需要越来越高的过程电流,为满足这种需求,Bussmann开发出了单体设计的五号快速熔断器。这种设计优化了熔断器在强制冷却时的总体散热性能。
 
快速熔断器的额定电压
执行IEC 60269-1&4标准的快速熔断器,其测试是在110%的额定电压下进行的。额定电压是熔断器选性最重要的参数之一。发生故障时,如果熔断器两端电压高于熔断器额定电压,熔断器极有可能不能正常动作。即使熔断器的测试电压比其额定电压高出10%,我们也从不推荐熔断器用在高于其额定电压的系统中。10%的安全裕度是考虑在恶劣的系统条件下,专门针对系统电压波动而设置的。
在整流应用中,由于没有再生负载,额定电压选择依据整流器输入线电压。如果与3英寸或4英寸二极管或晶闸管配合使用,可以形成的整流器输出为直流2100V,将可允许在一条生产线上有440只电解槽串联,这等效于每年39万吨铝的生产能力。
 
快速熔断器的额定电流
要理解快速熔断器的额定电流计算,必须先了解熔断器的额定电流是如何定义的。国际标准IEC 60269-1&4详细规定了确定熔断器额定电流的测试标准。稳态载流实验是在(205)℃的环境下进行的,并转换成20℃下的值。当环境温度偏离标准时,需要对熔断器的最大允许载流量做相应调整。
当环境温度高于20℃时熔断器允许通过的电流会低于其额定值。具体数值可以由额定电流乘以校正系数(Kt)求得。忽略这个因素将导致熔断器熔芯疲劳,从而造成熔断器无故障动作。
另一个影响因素是连接快熔与元件的铜排的尺寸。按照IEC 60269-1&4,该铜排的最小尺寸等效于1.0到1.3A/mm2电流密度(按照熔断器额定电流计算)。使用小的连接排时,熔断器的额定电流也要乘以相应的降额系数。该降额系数曲线可以在我们参数手册里找到。在极端情况下,如果熔断器相应降额使用,连接排实际上起到了热源的作用。
熔断器的载流能力也可以提高。当使用强制风冷或水冷时,能够增加熔断器的载流能力。
很多应用中存在周期负荷和过负荷,这也可能会影响熔断器的使用寿命。这些情况都要仔细分析,以防止熔断器的非正常动作。当发生过负荷时,熔断器熔芯临时过热,接近银片融化的温度。
经过一段时间,熔芯狭颈处银的结构发生改变。晶体结构不再单一,有颗粒生成,狭颈处的银将变硬变脆。这导致熔芯的机械强度降低,造成一个或多个狭颈断裂。
取决于过负荷发生的频次和周期负荷的特性,有时需要施加另外的降额系数。对于中等规模的牵引站和周期负荷特征明显的采矿设备,降额系数可能高达2.0-即当熔断器使用在此类场合时,只允许负载其额定电流有效值的一半。
铝电解生成过程中,只有少量的过负荷产生,一般不会对熔断器选型有重大影响。但是,当整流器中当一个或更多半导体由于故障被隔离时,与之并联的其他支路元件将面临过负荷的危险。
整流器中的半导体和快熔的配合需要仔细考虑。一个考虑周全的熔断器保护方案基本不存在半导体爆炸的可能。与之相反,不当的系统设计将会导致燃弧和起火、损坏整个整流器单元、以及操作人员的人身伤害。按照N-1模式设计系统可以保护用户免受生产线部分或全部停顿带来的损失。因此,在大功率整流应用中,都是基于N-1模式的连续满载运行。在某些应用中,客户甚至要求按N-2-或更多来进行设计,这些都要加以考虑。如果整流器在N-x模式下运行了过长的时间,而整流器本不是按照N-x模式来设计的,那么结果就是故障熔断器所在桥臂的所有其他熔断器也受到了伤害。
半导体保护
大功率整流器中快熔的作用是,当整流器发生内部短路时,隔离故障支路,从而防止半导体爆炸。因此半导体的爆破I2t应为已知,选择10ms分断I2t小于此值的熔断器即可实现保护。半导体的爆破I2t可以通过其极限测试获得。
快熔的爆破I2t与短路系统电压有关,因此在测试中,可以通过快熔来控制通过半导体的能量。这种测试的目的有两个:其一、找到半导体的爆破I2t,其二、验证在大故障电流下(最高300kA),快速熔断器防止半导体爆炸的能力。
 
4.     快熔选型不当后果分析
电压选择不当
如果熔断器额定电压低于故障系统电压,各狭颈处燃起的电弧将持续燃烧而会合,最终电弧贯穿整个熔断器。此时熔断器的陶瓷管壳将不能承受内部压力而发生剧烈爆炸。所幸人们一般都根据输入电压选择熔断器,此类故障在现场很少发生。另外,如果严格按照IEC标准执行产品测试,10%的安全裕量也消除了系统电压波动带来的隐患。
 
I2t值不匹配
快速熔断器必须将允通能量限制在半导体的爆破I2t之下,否则就会发生半导体的剧烈爆炸。而设备中发生半导体爆炸时,建议检查熔断器在故障电压下的分断I2t值,以及半导体的实际爆破I2t。
 
额定电流计算中忽略一个或几个降额系数
各种降额系数用来保证熔断器在其寿命(典型10-20年)区间内不会因疲劳而发生无故障开断。遵循快速熔断器选型原则可以保证大约10年的使用寿命,大多数情况下,实际使用寿命会更长。
如果忽略了降额系数,或者实际电路、负荷与最初给定的信息有较大差别,则有可能发生如下情况:
严重的情况下,熔断器会遭受持续过负荷。大功率整流器使用的熔断器的保护类型大多是aR(按照IEC 60269-1&4,这意味着用于半导体元件的短路保护)。因此,熔断器将仅仅保护短路故障,不能分断过负荷电流。当aR熔断器承受持续过负荷时,熔断器陶瓷管壳温度会超过其允许极限而龟裂。如果正好此时系统发生短路,熔断器就会发生剧烈爆炸,并损坏整流柜内其他设备,使事故扩大。
另一种情况是熔断器遭受频繁的过负荷,但并没有造成外壳破裂,熔断器熔芯在三到七年的确较长的时间里慢慢损坏。此类损坏的表征之一就是一个或多个熔断器的无故障断开。
在多个aR熔断器并联时,如其中一个因过负荷而断开,该熔断器和与之相连的半导体两端的压降都很小,使得半导体可能不能充分导通,从而不能熔断指示器的触发线。这种情况下熔断器的指示器将不能正确显示熔断器的状态,在同一桥臂与之并联的其他熔断器实际上将承受更高程度的过负荷,它们熔芯的损坏也将由此加速。现代整流器系统能够监视到这种超限温升,这表明着桥臂中一定有异常发生。不幸的是,这时危害极有可能已经产生,必须对相应的熔断器进行分析诊断。
其后最常见的做法是更换已经断开的熔断器。但是,如果其他熔断器的熔芯已经受到损害,那么很有可能其中的一些熔断器也将在不远的以后断开。这种情况的后果是生产过程的频繁停顿,造成产出损失。
熔断器诊断检查可以通过简单的测其电阻来实现。如果测试值明显高于其标签上的打印值,应立即更换熔断器。
这种解剖分析可以在Bussmann的实验室进行,这在客户希望了解熔断器故障具体原因时尤其有用。打开熔断器内部,我们就可以判断熔断器是在大短路电流下动作的还是由于低过载,以及是否经历过周期负载等。
在这种情况下,唯一的方法是更话所有熔断器。并欢迎咨询我们的技术应用部门,获得专业建议,例如如何防止使用额定电流过大的熔断器或者频繁更换熔断器带来的问题。
 
整流器机械设计的问题
现代生产过程对整流器电流输出能力要求越来越高,这意味着整流柜中的能量密度越来越大。将现代新型的大功率半导体与5号快熔搭配,可以减少整流器中元件的数目,每个元件承担的电流也将会增加,故障电流水平也将增长,甚至可能达到接近300KA的水平。在这么大的故障电流下,由于电流通路的不同走向,熔断器有可能要承受巨大的电磁力。
5.     五号快熔与双体四号快熔
现代整流器设计中,有两种外形的熔断器可供选择。一种是所谓的24号,由两个4号快熔并联而成,另一种是单体的5号快熔。
消除分流不均的问题
与双体4号快熔相比,5号快熔的优势之一是消除了熔断器内部分流不均的问题。在某些整流器设计中,发现双体快熔的两个分支之间存在电流不平衡现象,这是由于该整流器设计的电磁特性决定的。而5号快熔完全不存在这个问题。
通过改进熔体设计和内部结构,5号快熔和此前的熔断器相比可有更高的额定电压和额定电流。
 
6.     五号快熔概述
五号快熔是专为大功率整流器设计的,可以用于铝和氯气等电解生产过程。为满足特定客户的需要,我们可以为客户定制不同的产品。可以定制的方面包括机械连接,以及尺寸公差要求等。
经过设计优化的五号快熔更适于大功率整流器中强制冷却方式下的三英寸和四英寸的半导体元件保护。有数据表明,在某些情况下,使用五号快熔配合现代的大功率半导体,与使用传统元件相比,可以节省30%的元件。通过使用较少数目的元件,整流器效率可以得到提高,从而降低了铝的生产成本。
 
7.     总结
在电解铝工业中,过程电流和串联电解槽数目有逐步扩大的趋势,目前已有系统设计采用350kA电解电流和1600V的直流电压。在不久的将来,高达500kA过程电流的电解铝生产线也将成为现实。
大功率整流器的安全运行很大程度上取决于元件的选择。二极管/晶闸管和快熔是整流器使用的主要元件。高电压和大电流的趋势对整流器的安全保护提出了更高的要求。精心选择半导体和快熔,以应对可预见的整流器负荷波动,这对整流器的连续安全运行,对于铝生产的稳定是非常关键的。
五号快熔正是针对整流器的这种发展趋势而开发的。最近在ABB大功率实验室的试验表明:在4000A的额定电流下,额定电压可以达到1850A。这项进展说明,5号快熔系列将能够满足铝行业中下一代大功率整流器的要求。实际上,5号快熔的额定参数可以做的更高,为更大功率的二极管和晶闸管提供保护。
 
8.     参考文献
                                             
 
  
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