【新提醒】關(guān)于同相逆并聯(lián)在整流裝置中應(yīng)用的討論.

丁東方 2015-02-28

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關(guān)于同相逆并聯(lián)在整流裝置中應(yīng)用的討論

摘要：關(guān)于同相逆并聯(lián)在生產(chǎn)中的運(yùn)用隨著國家近幾年來經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，氯堿行業(yè)也迎來了前所未有的**。目前全國已建和在建離子膜燒堿已近716.25萬噸/年，其中已投產(chǎn)358.25萬噸/年，在建、計(jì)劃建的大約在358萬噸/年，基本上都是采用先進(jìn)的離子膜電解槽，而且90%以上都是復(fù)極式電解槽，單槽直流電流10KA～15KA之間，直流電壓300V～450V之間，這種規(guī)格電槽的電流電壓決定了整流裝置的容量屬高壓、小電流……
關(guān)鍵詞：同相逆并聯(lián) 整流裝置應(yīng)用

隨著國家近幾年來經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，氯堿行業(yè)也迎來了前所未有的**。目前全國已建和在建離子膜燒堿已近716.25萬噸/年，其中已投產(chǎn)358.25萬噸/年，在建、計(jì)劃建的大約在358萬噸/年，基本上都是采用先進(jìn)的離子膜電解槽，而且90%以上都是復(fù)極式電解槽，單槽直流電流10KA～15KA之間，直流電壓300V～450V之間，這種規(guī)格電槽的電流電壓決定了整流裝置的容量屬高壓、小電流。從國內(nèi)離子膜復(fù)極槽所配整流裝置來看，直流電流Id=15KA左右，直流電壓Ud=300V～450V，一臺整流裝置對應(yīng)一臺電解槽居多。但從整流裝置的定貨情況來看，國內(nèi)制造的整流裝置無一例外都采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，從國外引進(jìn)的有采用非同相逆并聯(lián)的整流裝置。而且都是用戶要求采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，說明同相逆并聯(lián)這種先進(jìn)技術(shù)很有市場，問其為什么要采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，回答都不是很充分，因?yàn)槠渌疾捎?，所以要采用。說明對同相逆并聯(lián)的認(rèn)識不是很了解，或者了解不夠深入。同相逆并聯(lián)是一種技術(shù)，是一種在交流導(dǎo)排電流大，導(dǎo)排距離長的條件下減小感抗優(yōu)勢比較明顯的技術(shù)，但當(dāng)交流導(dǎo)排距離短，電流小，在這種條件下，它的技術(shù)優(yōu)勢就不明顯，原有的優(yōu)勢就退位了，其他方面劣勢就凸顯出來，成為主要矛盾。它的整體優(yōu)勢就不是唯一的最佳選擇，為讓大家對同相逆并聯(lián)在整流裝置中的應(yīng)用進(jìn)一步了解，特對同相逆并聯(lián)的技術(shù)特點(diǎn)作一定量分析。
■一、同相逆并聯(lián)的技術(shù)特點(diǎn)是什么
同相逆并聯(lián)就就是利用相同相位、極性相反的兩根導(dǎo)排組成的母線在整流裝置中并聯(lián)應(yīng)用，要求條件是變壓器閥側(cè)由一個(gè)線圈分為二個(gè)線圈，而且要反極性使用，見圖一：
圖一
它的特點(diǎn)就是利用通過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁力線相互抵消，達(dá)到減少導(dǎo)排的互感，最終減少母線的交流阻抗，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。當(dāng)導(dǎo)排中的電流達(dá)到一定數(shù)值以上時(shí)，導(dǎo)排中電流產(chǎn)生的磁力線在周圍的鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電動(dòng)勢，形成渦流，渦流電流使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱，生成附加損耗。采用同相逆并聯(lián)后，可以減少這種附加損耗。
同相逆并聯(lián)接線如圖二所示：
整流柜內(nèi)，如在t1～t2時(shí)間內(nèi)，a11、a21對b16、b26都同時(shí)導(dǎo)電，過60°電角度后，a11、a21對c12、c22同時(shí)導(dǎo)電，其它導(dǎo)排電位處于低電壓，硅元件不導(dǎo)通，電路中電流通過，a21、a11、c12、c22分別形成逆并聯(lián)電路，其他時(shí)間類推。導(dǎo)通順序如圖三所示：
圖二
圖三

現(xiàn)在來分析同相逆并聯(lián)在工作時(shí)減小互感的工作原理，此時(shí)電路電抗以a相來說明，如：a11相的電感L1等于本相的自感加、減本相與其它導(dǎo)電相的互感。
L1= La11 – Ma11。a21+ Ma11。b26- Ma11。b16
自感按公式計(jì)算：
互感按公式計(jì)算：

式中：
L——導(dǎo)排長度，cm
D——導(dǎo)排自幾何均距，D=0.224（a+b），cm。
（a、b分別為導(dǎo)排的寬和高）
導(dǎo)排互幾何均距，
D=[1/(4d1 d2)]·[d2-(d1- d2)2 ln[(d1- d2)2+ d2]
  +[1/(4d1 d2)]·(d12- d2)ln(d12+ d2)
  +[1/(4d1 d2)]·(d22- d2)ln(d22+ d2)
  +[1/(2d1 d2)]·d2 lnd+(d/ d1 d2)·(d2- d1)arctg[(d2- d1)/d]
  +(d/ d2)·arctg (d1/d) +(d/ d1)·arctg (d2/d)-3/2
(式中d1 、d2分別為導(dǎo)排的長度，d為導(dǎo)排的間距)
同理可得b26相電感L2= Lb26 – Mb26。b16+ M b26。a11- Mb26。a21，同樣整流柜a11和b26對應(yīng)的交流母線和直流支路母線電感也依此類推。
■二、非同相逆并聯(lián)整流接線
在t1～t2時(shí)間內(nèi)，a1、b6同時(shí)導(dǎo)電，a1相的電感：
L= La1-M a1。b6
其它類推。
式中：
L——導(dǎo)排長度，cm
D——導(dǎo)排自幾何均距，D=0.224（a+b），cm。
（a、b分別為導(dǎo)排的寬和高）
導(dǎo)排互幾何均距，如前所示。
■三、通過一個(gè)實(shí)例計(jì)算來進(jìn)行比較
1、參數(shù)：直流電壓450V，直流電流15KA。
2、布置位置圖：

3、進(jìn)線方式：
①同相逆并聯(lián)：

②非同相逆并聯(lián)整流柜內(nèi)接線布置圖：
下面舉例比較：同相逆并聯(lián)，以a11、a21、b16、b26為例進(jìn)行計(jì)算，交流導(dǎo)排截面150×18mm，長度L為1500mm。
L1= La11 – Ma11。a21+ Ma11。b26- Ma11。b16
由公式可推知，在互幾何均距達(dá)到110cm時(shí)，互感的影響就可以忽略不計(jì)。所以a11的電感為：
L1=（10.136-5.765+0.3）×10-7 =4.671×10-7 H
同樣計(jì)算可得b26的電感L2為3.888×10-7 H，等效電感按下式計(jì)算：
L=（L1 L2）/4 =（3.888+4.671）/4×10-7=2.140×10-7  H。
若將交流導(dǎo)排長度減少為100cm，此時(shí)等效電感L為1.458×10-7 H。
非同相逆并聯(lián)，以a1、b6為例進(jìn)行計(jì)算，交流導(dǎo)排截面300×40mm，長度L為1500mm。
L= La1-M a1。b6
所以a1的電感為L=（8.021-0.266）×10-7 =7.755×10-7 H。若將導(dǎo)排長度改為100cm，此時(shí)a1的電感L為4.536×10-7 H。
通過以上計(jì)算，我們將計(jì)算結(jié)果列表如下：
導(dǎo)排長度
連接方式 150cm 100cm
同相逆并聯(lián) L=2.140×10-7 H L=1.458×10-7 H
非同相逆并聯(lián) L=7.755×10-7 H L=4.536×10-7 H
由表格可以看出，對導(dǎo)排電感影響最大的是導(dǎo)排的長度，而非導(dǎo)排的互幾何均距，在互幾何均距達(dá)到60～80cm后，導(dǎo)排間的互感就可忽略不計(jì)。

在整流柜內(nèi)，由于現(xiàn)a11相對應(yīng)交流母線（圖中A）和直流母線（圖中B）也要產(chǎn)生電感，并在整流柜殼體及周圍鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電動(dòng)勢，形成渦流。其電感值計(jì)算如下：
a11相對應(yīng)的交流母線A的電感為：
L1＇= La11＇– Ma11＇。a21＇+ Ma11＇。b26＇- Ma11＇。b16＇
　 + Ma11＇。a11〃- Ma11＇。a21〃+ Ma11＇。b26〃- Ma11＇。b16〃
式中，a11相對應(yīng)的交流母線電感用a11＇表示，a11相對應(yīng)的直流母線電感用a11〃表示，La11＇表示a11相交流母線的自感，Ma11＇。a21＇表示a11相交流母線對a21相交流母線的互感，Ma11＇。a11〃表示a11相交流母線對a11相直流母線的互感，其余類推。
經(jīng)計(jì)算可得：La11＇=4.718×10-7 H，
  Ma11＇。a21＇=3.680×10-7 H，
  Ma11＇。a11〃=0.950×10-7 H，
  Ma11＇。a21〃=0.929×10-7 H，
a11相對b16相和b26相互感由于間距過長（138cm左右），可忽略不計(jì)。所以a11相對應(yīng)的交流母線A的電感為：
L1＇=（4.718-3.680+0.950-0.929）×10-7 H=1.059×10-7 H。
（同理可得b26相交流母線的電感L2＇=1.059×10-7 H）
a11相對應(yīng)的直流母線B的電感為：
L1〃= La11〃– Ma11〃。a21〃+ Ma11〃。b26〃- Ma11〃。b16〃
　 + Ma11〃。a11＇- Ma11〃。a21＇+ Ma11〃。b26＇- Ma11〃。b16＇
經(jīng)計(jì)算可得：La11〃=6.439×10-7 H，
  Ma11〃。a21〃=5.270×10-7 H，
  Ma11〃。a11＇=0.950×10-7 H，
  Ma11〃。a21＇=0.929×10-7 H，
a11相對b16相和b26相互感由于間距過長（138cm左右），可忽略不計(jì)。所以a11相對應(yīng)的直流母線B的電感為：
=（4.718-3.680+0.950-0.929）×10-7 H=1.190×10-7 H。
（同理可得b26相直流母線的電感L2〃=1.190×10-7 H）
而非同相逆并聯(lián)，觀察其柜內(nèi)接線，交流導(dǎo)排經(jīng)整流元件后，直接到總母線，因而沒有這部分電感。
經(jīng)過以上計(jì)算，在同相逆并聯(lián)中，a11相對應(yīng)的總電感：
La0= L1 + L1＇+L1〃=（4.671+1.059+1.190）×10-7 H=6.920×10-7 H
B26相對應(yīng)的總電感：
Lb0= L2 + L2＇+L2〃=（3.888+1.059+1.190）×10-7 H=6.173×10-7 H
等效電感計(jì)算：
∴等效電感：（La0 +Lb0）/4=（6.920+6.173）/4=3.273×10-7 H
而非同相逆并聯(lián)等效電感為7.755×10-7 H。
現(xiàn)在對整流變壓器感抗與導(dǎo)電相的電感進(jìn)行比較。整流變壓器銘牌數(shù)據(jù)如下：額定容量：8100KVA，
額定電流128.1/6120×2，
額定電壓36500/382V，
空載電流1.88%，
空載損耗18.37KW，
短路阻抗UK%=8%，
短路損耗60.99KW。
∴ Z = UK/100·Ue2/S=8/100×3822/（8100×103）=0.00144 Ω
R=（60.99×103）/3×2×（6120）2=0.000272 Ω
X=（Z2 - R2）1/2=（14.42 – 1.362）1/2×10-4=0.00141 Ω
將此感抗值換算為電感，
L=X/2πf=0.00141/2×3.14×50=4.490×10-6 H。
（同樣計(jì)算得非同相逆并聯(lián)整流變壓器電感為4.554×10-6 H）
將計(jì)算結(jié)果列于下表，比較如下：
  等效電感
連接方式      導(dǎo)線等效電感變壓器等效電感
同相逆并聯(lián) L=3.273×10-7 H L=4.490×10-6 H
非同相逆并聯(lián) L=7.755×10-7 H L=4.454×10-6 H
比較發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線產(chǎn)生的電感與變壓器電感相比，相差一個(gè)101數(shù)量級。
4、支路臂電流
①同相逆并聯(lián)：15÷6=2.5  KA
②非同相逆并聯(lián)：15÷3=5  KA
5、支路元件數(shù)，按一般選擇，δ3英寸元件整機(jī)安全系數(shù)取3.5倍。
a.同相逆并聯(lián)
2.5 KA×3.5÷3=2.9 KA，可選3只3KA的元件
2.5 KA×3.5÷4=2.1 KA，可選4只2KA的元件
選擇4只元件并聯(lián)，當(dāng)損壞一只元件后，由余下的3只元件并聯(lián)運(yùn)行。還要考慮均流系數(shù)的變化，如均流系數(shù)低，將造成連鎖反應(yīng)，最終把支路余下的3只元件全部燒壞。
均流系數(shù)=（∑各元件電流實(shí)際值之和/并聯(lián)元件數(shù)）÷
并聯(lián)元件的最大電流
出廠可按0.9校正。
選3只3KA元件安全系數(shù)太高，因?yàn)槊勘蹞p壞兩只元件后，仍可正常運(yùn)行（臂電流2.5KA，元件電流為3KA），選2只3KA的元件已經(jīng)滿足要求，安全系數(shù)定得太高，實(shí)際上是一種浪費(fèi)。
每支臂 2只共24只 3000A 2.4倍（最低1.2倍）
每支臂 3只共36只 3000A 3倍以上
每支臂 4只共48只 2000A 3倍以上
安全系數(shù)的取值與支臂元件數(shù)和元件電流容量有關(guān)，如果不考慮元件數(shù)和元件電流容量，統(tǒng)一定安全系數(shù)是不合理的。只要元件電流大于臂電流，均流度在安全上就失去意義，只對減少損耗有作用。（損耗等于I2R）
b.非同相逆并聯(lián)
每支臂電流  15 KA÷3=5 KA
每支臂選擇2個(gè)元件，可選5800A元件，安全2.32倍，最低
1.61倍。
每支臂 2只共12只 5800A

6、安全風(fēng)險(xiǎn)、可靠性度的計(jì)算
按一元件的可靠系數(shù)99.9%計(jì)算。
a.同相逆并聯(lián)
24只元件，安全系數(shù)為：0.99924=0.976
36只元件，安全系數(shù)為：0.99936=0.964
48只元件，安全系數(shù)為：0.99948=0.953
b.非同相逆并聯(lián)
12只元件，安全系數(shù)為：0.99912=0.988
如果再考慮熔斷器、冷卻器因數(shù)，可靠系數(shù)都按99.9%計(jì)算，結(jié)果如下：
12只元件，安全系數(shù)為：0.99936=0.964
24只元件，安全系數(shù)為：0.99972=0.930
36只元件，安全系數(shù)為：0.999108=0.897
48只元件，安全系數(shù)為：0.999144=0.866
7、交流導(dǎo)排數(shù)
a.同相逆并聯(lián)需要12塊；
b.非同相逆并聯(lián)需要6塊。
8、直流導(dǎo)排數(shù)
a.同相逆并聯(lián)需要12塊+2塊總母線；
b.非同相逆并聯(lián)需要2塊總母線。
9、元件電流的限制
a.同相逆并聯(lián)，正常選擇3英寸元件，即3500A以下的，選擇太大不合理，原因是臂電流為2.5KA；
b.非同相逆并聯(lián)，可選擇4英寸以上元件，即5800A以上的。
10、元件正向電壓降
a.3英寸元件  2000V  3000～3500A  UT=1.20～1.25V；
b.4英寸元件  2000V5800 A  UT=1.1～1.15V。
11、冷卻水的支路
a.同相逆并聯(lián)，12支+2支；
b.非同相逆并聯(lián)，6支+2支。
12、控制回路
a.同相逆并聯(lián)，脈沖支路：模擬\數(shù)字脈沖數(shù)24，36，48；
b.非同相逆并聯(lián)，脈沖支路：模擬\數(shù)字脈沖數(shù)12，脈沖功率小于同相逆并聯(lián)。
13、對殼體的要求
a.同相逆并聯(lián)，用一般鋼結(jié)構(gòu)柜體，四周用玻璃鋼搭銅支架；
b.非同相逆并聯(lián)，在臂電流超過一定值時(shí)，用非鐵結(jié)構(gòu)柜體，內(nèi)部用玻璃鋼搭銅支架，緊固件采用非鐵材料。
14、在柜內(nèi)的檢修空間及維護(hù)
a.同相逆并聯(lián)，柜內(nèi)交直流母線多，交流間距為5～15cm，檢修人員安全性、方便性差；正負(fù)極支路母線間距為5.5cm左右，緊固件絕緣要求高，存在交流母線、正負(fù)直流母線短路的可能性；
b.非同相逆并聯(lián)，柜內(nèi)母線少，結(jié)構(gòu)簡單，檢修人員安全性高，各種間距都在50cm左右，消除了柜內(nèi)交流母線、直流母線正負(fù)極間短路事故可能性，安全性明顯提高。
結(jié)論：通過上述兩種技術(shù)應(yīng)用的對比，各有優(yōu)缺點(diǎn)，
①在燒堿新的改擴(kuò)建中，選用離子膜復(fù)極式電解槽的整流裝置中，直流電壓Ud=300～450V，直流電流Id≤15KA時(shí)，采用同相逆并聯(lián)技術(shù)并不是唯一的最佳選擇，還有其他選擇。
②同相逆并聯(lián)連接，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，交流導(dǎo)排，直流支路導(dǎo)排長度較長，只能采用小容量元件，而小容量元件門檻電壓明顯高于大容量元件，效率要低一些，安全性為0.86～0.93，相對較非同相逆并聯(lián)0.96低。
③同相逆并聯(lián)限制了大容量元件的使用，只能采用小容量元件，而小容量元件門檻電壓明顯高于大容量元件，效率要低一些。
④同相逆并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是減少了交流導(dǎo)排的電感量，減少了鋼結(jié)構(gòu)殼體的發(fā)熱損耗。
⑤從目前安裝方式來看，整流變壓器至整流柜的間距都比較短，在1米～1.5米左右，不會太長，當(dāng)臂電流在5KA以下時(shí)，不致引起鋼結(jié)構(gòu)殼體的嚴(yán)重發(fā)熱，或者采用塑鋼結(jié)構(gòu)的殼體。

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