电解铝用大功率直流电源的合理主电路拓扑

摘 要：针对国内电解铝行业近年多次发生“爆炸”问题的原因进行了分析和探讨，得出了产生此故障的主要原因之一就是应用三相桥式同相逆并联电路结构所致，并得出了较好的解决方案，即应用三相桥式非同相逆并联结构拓扑的结论。现场应用结果证明，采用三相桥式非同相逆并联结构拓扑之后，电源在运行中的噪音、振动、应力明显下降，运行效率明显提高。

关键词：大功率； 直流电源； 电解铝； 主电路拓扑

中图分类号：TN919-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0033-04

Rational Main Circuit Topology of High-power DC Power Supply for Electrolytic Aluminum

LI Hong1, YAO Yong-jian2

（1. Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065, China； 2. Xinjiang Shengbi Transformer Co., Ltd., Xinjiang 830009, China）

Abstract： The reason of "explosion" happened for many times in recent years in the domestic electrolytic aluminum industry is analyzed and discussed. It is found that one of the main reasons of the acidents is the application of three-phase bridge-type same-phase inverse parallel circuit structure. A good solution is obtained , in which three-phase bridge-type incoherent inverse parallel structural topology is used. The application results show that the noise, vibration and stress have been decreased, and the efficiency has been improved significantly since application of the three-phase bridge-type incoherent inverse parallel structural topology.

Keywords： high-power DC power supply; electrolytic aluminum; main circuit topology; circuit structure

0 引 言

电解铝对直流供电电源的功率要求最小也有数千千瓦，而多为数兆瓦，系统最大电流达150 kA已较多见，有的甚至达到300 kA，而工作电压最低几百伏，多达上千伏， 也有使用两千多伏的。近年来随着国家强行对小型（年产3 000 t以下）电解铝厂的采取关停措施，促使国内电解铝厂生产规模日益扩大，故对这类直流电源的容量要求越来越大。另外应看到随着用户电解槽串联个数越来越多，以及槽型尺寸的日益加大，使得这种负载供电的直流电源输出电压等级越来越高，电流容量不断加大，所用晶闸管元件的管芯直径更是从最初的3英寸Φ77 mm，经过了3.5英寸的Φ90 mm，4英寸的Φ100 mm，到今已用到了5英寸的Φ125 mm。但由于多种原因，前几年国内电解铝厂使用的整流电源频发“爆炸”事故，几乎国内几家大型整流器制造厂生产的电解铝系统用整流器均有“爆炸”的不良记录，且每次事故都会导致严重停产，造成了巨大损失，其故障原因至今在行业都没有定论。笔者认为，故障原因不仅仅是整流系统制造工艺和选用的元器件质量问题所致，理由在于不同整流器厂家使用的生产工艺并不完全相同，且所选用主功率晶闸管或整流管器件又是不同的生产厂家提供的，本文对发生“爆炸”的原因从系统电路方案及机械结构方面进行分析，抛砖引玉与同行探讨此问题的根源所在，使这一困扰国内电解铝行业的问题能得以顺利解决。

1 国内电解铝现用整流器系统的基本结构

1.1 主电路原理及安装结构

由于国内电解铝行业所用整流器的输出直流工作电压最低也高于200 V，电流最小也在10 kA以上，所以决定了至今在电解铝行业所用整流系统，其整流柜几乎清一色地使用三相桥式同相逆并联基本结构，同相逆并联技术发明于日本，我国在1980年前后由西安电力整流器厂的杨岳俊高工在国内试制成功首台同相逆并联整流系统，如今已成为国内整流行业广泛应用的一种技术。

图1给出了三相桥式同相逆并联系统主电路原理图图2给出了现国内几乎都在使用的同相逆并联整流柜的主电路安装结构图，图示结构中每支整流臂使用了3只整流管并联。

1.2 使用同相逆并联电路的原因

由于电解铝用整流器需要的直流电流很大，加之至今可供人类使用的最大整流管，单只最大电流定额也仅6 500 A，所以对需要直流电流容量达几十千安，甚至上百千安的电解铝用整流器，不得不采用同整流臂多只或整流管元件并联的方案。使用同相逆并联技术的一个重要原因，一则是为了增加并联整流臂的有效数量，减小同整流臂整流管器件的并联个数，提高使用中同整流臂整流管器件的均流系数。

另一方面，大电流的直流电流流过导体时，会在导体周围产生环绕该载流导体的磁场，这一概念是众所周知的，而直流磁场会在铁磁材料中引起涡流损耗与发热，并产生磁动力。由于至今安装整流电路的柜体国内仍几乎全是钢质材料，为避免使用中大电流直流电流在柜壳中产生的涡流损耗以及在载流导体周围产生的磁场达到最小，应用同相逆并联电路结构，使整流柜内紧紧相邻的两个整流臂同一时刻流过电流大小相等、方向相反的直流电，从而达到各通电导体产生的磁场相互抵消把直流磁场引起的涡流发热及磁应力减到最小。图3给出了这种电路相邻臂的安装结构示意及电流方向和磁场方向示意图。

从图3可以明显看出，要使磁场E1与E2尽可能地抵消多一点，需要1与2两个母线臂之间的距离d1尽可能的近，但为了解决这两个不同极性整流臂之间的绝缘问题，国内的通用做法是在1与2两个整流输出母线臂及4与5两个交流输入母线臂之间增加图3所示的绝缘板，以提高绝缘强度，且为了使同相逆并联的效果尽可能的好，前几年绝缘板用纸板，且厚度一般才4～6 mm,1与2及4与5之间的距离一般控制在30～40 mm之内，这就为发生“爆炸”事故埋下了一定的隐患。

2 电解铝用整流系统发生“爆炸”事故的原因浅析 据对多家整流器厂生产的用于电解铝行业的整流器发生“爆炸”事故的统计，这种事故一般发生在设备投运后的几个月甚至1年以后，故障现象是整流柜内相邻的2个整流臂之间绝缘板击穿烧损，多数烧焦，有的整流柜柜壳护板甚至产生溶化一块或数块的严重故障现象，同时故障后多个晶闸管或快速熔断器损坏。

故障原因分析：由于故障后整流柜烧损极为严重,可以说是面目全非，所以笔者认为，故障原因有以下几点：主要原因是柜体结构与主电路方案所致；次要原因是用户维护不良或使用原因所致。至于有人认为是所用整流管质量的原因，笔者不同意此观点。理由是前几年使用同一家制造的国产整流管及ABB原装进口整流管元件的整流柜都有“爆炸”的。这几年，行业内经改进柜体结构后国内就很少发生整流柜“爆炸”的事故。现对主电路及柜体结构所致“爆炸”的主要原因进行分析。

图4给出了国内三相桥式同相逆并联整流柜内绝缘隔离用绝缘板两边电力电子器件的安装位置示意图。由于限于安装尺寸及所用晶闸管（或整流管）器件的容量越来越大，图中d3与d4的尺寸一般不是很大（多数仅30~40 mm），且一般绝缘板用的厚度为4～6 mm，在绝缘板的两侧安装着电压相差近1 000～2 000 V的整流臂（随电解铝串联电解槽数的不同而有别），在使用一段时间后，由于粉尘及电解铝厂固有的金属离子沉积绝缘板的表面，从实质上缩短了图4中d3与d4的尺寸及绝缘板侧面的厚度，一旦产生爬电或由于系统中出现因同电网别的电力电子设备的投网或切除，产生尖峰过电压耦合到整流电路中就将引起安装在绝缘板后两侧的不同电位之母线之间短路，此时系统中电解槽的阳阴极正负极板之间等效电容存贮的直流能量将瞬间沿短路点泄放，产生瞬时达上百千安的电流，甚至直流电弧烧毁。

该回路中所有的电力电子器件及母线都会引起严重的大事故。另一方面，几年前国内电解铝行业招标厂家拚命压价,电源生产厂家无序竞争，成套价越压越低。为降低成本,图4中的绝缘隔板甚至用绝缘纸板代替。运行时图4中直流元件母线4与交流快熔母线5因晶闸管或整流管器件及快速熔断器通过大电流时发热,而加速了隔离用绝缘纸板6的老化，逐渐失去绝缘性能，一旦产生由于系统中出现因同电网其他的电力电子设备投网或切除，产生尖峰过电压，耦合到整流电路，使该绝缘板击穿，则前述严重的大事故将不可避免。

还应看到，在图4所示的安装布置图中，一般在图中d5的空档中装有电力电子器件的尖峰过电压抑制网络（电阻、电容、压敏电阻），这些器件通常是用螺丝固定到绝缘板上的，也就是说安装时人为把绝缘板穿孔使用金属螺杆，这种安装降低了绝缘板的绝缘效果与等级，当尖峰过电压吸收网络中器件主电极对外壳的耐压能力下降时，更增加了上述绝缘板两侧不同电位母线发生尖峰过电压放电短路的概率与可能性。

笔者认为上述三个原因是国内较高电压输出的、用于电解铝行业的、采用三相桥同相逆并联整流方案的整流柜中频繁出现“爆炸”事故的主要原因。为防止此问题的发生，应从根本上即主电路方案和柜体结构形式上予以解决，多个三相桥式非同相逆并联整流电路的并联是较好的解决方案之一。

3 用多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联取代三相桥同相逆并联电路用于电解铝行业的可行性 （1） 由于三相桥式同相逆并联可以看作2个三相桥式非同相逆并联整流电路按同相逆并联连接的应用，所以其对晶闸管或整流管额定工作电压的要求与三相桥式非同相逆并联整流电路相同，所以改为多个三相桥式非同相逆并联电路并联，对电力电子器件的额定电压需求并未提高。

（2） 每套三相桥式同相逆并联系统中使用2个三相桥式整流电路，减小了每个整流桥臂中晶闸管或整流管的并联数量,提高了均流系数，同样输出直流电流的情况下，若用2个三相桥式非同相逆并联整流电路直接并联，则晶闸管或整流管的并联数量并未改变，对电力电子器件的电流容量要求也并未增加。

（3） 大电流直流工作时,在母线旁产生的磁场导致钢质柜壳中的涡流发热问题，可在应用多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联时，将柜壳改为非铁磁材料（如铝型材柜壳或不锈钢柜壳，也可设计成裸柜），这样就不会出现涡流发热问题。由此来看，将三相桥式同相逆并联整流系统应用2个三相桥式非同相逆并联整流电路并联来代替，在柜体结构及安装上也不存在问题和障碍。

（4） 还应看到，利用两个三相桥式非同相逆并联整流电路并联，可以使同台整流变压器次级的两个三相绕组采用不同的接法（如一个三角形，一个星形）或将两个相互移相的整流变压器装于一个变压器外壳中而实现多相（如12相）整流，减小注入电网的谐波电流，这一优良性能是使用三相桥式同相逆并联整流电路根本无法比拟的。

（5） 由于三相桥式非同相逆并联整流电路不需要把两个整流臂尽可能靠近安装，所以可增加图3所示绝缘板两侧不同直流输出母线之间的距离，而使安全距离增加，防止短路状况的发生。更何况在图3所示绝缘板两侧安装的快速熔断器对三相桥式非同相逆并联整流电路来讲，其交流输入本身就是在整流变压器内部同一相的母线分为两个同电位的分支引出的。

4 国内应用的实际例证

上述分析与结论，在国内外已得到了诸多验证，其证明点如下：

（1） 在国外电力电子技术发达的ABB及AEG公司，生产的电解铝用整流系统未像我国一样使用三相桥式同相逆并联，而是使用了多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联，因而他们生产的整流系统没有发生“爆炸”的报道，他们生产的这类整流器使用的柜壳为铝型材，与前述分析相同。

（2） 陕西高科电力电子有限责任公司在国内从2007年开始，将钢壳结构的柜壳改为铝合金框架四周钢化喷砂玻璃围护，已生产几十台整流器。其中，最大系统的电流达80 kA，由6套采用2个三相桥并联的12脉波整流柜并联构成,运行脉波数达72脉波,为用户节省了高压滤波器的费用，未发现均流不好的问题。更应提到的是用于某核工业热工试验系统的24脉波整流系统，采用4个三相桥式非同相逆并联整流电路并联，额定输出运行直流电压为3 520 V，至今已稳定运行近4年，未发生“爆炸”问题，再一次证明了上述分析的正确。

（3） 近几年，为防止再发生“爆炸”事故，在国内大型整流器厂,有的仍使用三相桥式同相逆并联整流电路,但加大了图3中绝缘板两侧的距离,牺牲了磁场抵消效果。为避免钢质柜壳涡流发热,增加磁场隔断支路或采用不要柜壳，整流电路式安装等方案，将原隔离用绝缘板厚度从4～6 mm增大至10～15 mm,且将原使用的绝缘纸板改为了环氧玻璃丝板，使图3中的d1从原30～40 mm增大到50~60 mm,使发生“爆炸”事故的几率降低了很多。可喜的是经此改进后，选用国产晶闸管或整流管与选用ABB原装进口器件所生产的整流柜都有成功稳定运行的例证。

（4） 在此专门测试过同样输出电压与电流的整流系统,采用三相桥式同相逆并联、钢质整流柜壳体及应用铝型材柜壳，并用多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联的整流系统进行试运行，其结果以铝合金柜壳以及多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联的系统，运行过程中振动与噪音和应力明显低于采用三相桥式同相逆并联且安装在钢质整流柜内的系统。后者不可能百分之百抵消最靠近的两个直流母排产生的磁场，所以多少会存在柜壳的发热问题，而前者因铝型材为非铁壳材料几乎不发热。

5 结 语

综上，可得下述结论：

（1） 国内近几年频发的铝电解整流系统“爆炸”故障的主要原因是因整流系统采用三相桥式同相逆并联电路及整流柜体结构不合理所致。解决问题的途径是采用多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联， 同时为防止涡流导致柜壳发热，应当使用非铁磁材料制作柜壳。

（2） 使用多个三相桥式非同相逆并联整流桥并联的整流系统与采用三相桥式同相逆并联的整流系统在同样的输出电压和电流条件下，使用晶闸管或整流管的数量及参数等级完全相同。

（3） 应用多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联的整流系统采用非铁磁材料，柜壳较三相桥式同相逆并联系统来说，可在变压器接线方式变化时易于实现多相整流，且运行中噪音、振动、应力明显下降，使运行效率明显提高。

毫无疑问，以多个三相桥式非同相逆并联整流电路并联的大功率整流系统将具有广阔的应用领域，它将压缩并挤占三相桥式同相逆并联整流系统在较高电压输出场合的使用份额。

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作者简介: 李 宏 男，1960年出生,西安石油大学教授。中国电工技术学会电力电子学会理事、中国电工技术学会电气节能研究会理事、中国电源学会特种电源专业委员会常务委员、中国电工技术学会电力电子学会学术委员会委员、陕西省电源学会常务理事、西安石油大学学术委员会委员，主要研究方向为电力电子技术、电气传动技术、特种电源技术及专用集成电路的开发和应用技术。累计发表学术及工程技术性论文140多篇，共参与编写学术编著、独立编著、统编手册共13部，主持设计与电力电子有关的工程项目近300个，研制特种电源装置近500多台套，运行于国内电力、冶金、化工、石油、机械、电子、核工业、军工等行业。