大功率整流器的安全運(yùn)行

經(jīng)理，P.Munk，高級(jí)工程師P.Bj￠rn?                                              
庫(kù)柏?波士曼   
                                                                             
摘要 整流器是電解鋁廠的核心設(shè)備，一旦投運(yùn)，不允許較長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)。否則會(huì)造成巨大損失，甚至導(dǎo)致鋁液在電解槽中冷卻凝結(jié)。這時(shí)除了產(chǎn)出損失，客戶(hù)還要投巨資修復(fù)故障的電解生產(chǎn)線。如果熔斷器選型不當(dāng)，造成爆炸，還會(huì)危及操作人員的生命安全。
本文重點(diǎn)介紹快速熔斷器在電解鋁行業(yè)中大功率整流設(shè)備上的應(yīng)用，對(duì)在其他行業(yè)中的應(yīng)用也有提及。
本文首先闡述了半導(dǎo)體整流器的熔斷器保護(hù)原則，隨后對(duì)選型涉及的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)做了說(shuō)明。這些參數(shù)選擇對(duì)整流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行的意義也將逐一解釋。其后對(duì)因熔斷器額定值選擇偏小造成的問(wèn)題及表征將舉例說(shuō)明。
文末介紹了庫(kù)柏波士曼公司新開(kāi)發(fā)的五號(hào)快速熔斷器在提高整流器輸出能力、提高系統(tǒng)效率、優(yōu)化客戶(hù)投資等方面的優(yōu)勢(shì)。
 
1.     介紹
高參數(shù)快速熔斷器主要用于大功率半導(dǎo)體設(shè)備的保護(hù)。典型的此類(lèi)半導(dǎo)體設(shè)備是利用二極管或晶閘管將交流電源轉(zhuǎn)換成直流的大功率整流器。大功率整流的工業(yè)應(yīng)用很多，本文提及的只是其中的一部分。
 
2.     大功率整流應(yīng)用
鋁電解金屬鋁主要是由電解過(guò)程生產(chǎn)出來(lái)。世界上的很多鋁廠都在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以提高效率，滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)鋁的需求。
鋁電解生產(chǎn)的過(guò)程是，氧化鋁（Al2O3）在電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)，生成鋁和氧氣：
2 Al2O3＋3C→4Al＋3CO2
電解槽為大而淺的鋼槽，內(nèi)側(cè)襯有碳層，不同電解槽在電氣上為串聯(lián)連接。每個(gè)電解槽中，直流電流經(jīng)石墨陽(yáng)極流入呈融化狀的氧化鋁電解液，然后經(jīng)電解槽內(nèi)襯的碳陰極流出，進(jìn)入下一電解槽的陽(yáng)極，依次類(lèi)推。在電流的作用下，氧化鋁中的氧元素被分離出來(lái)，并在電解槽上部與碳化合形成二氧化碳，而在電解槽底部析出液態(tài)的鋁。以上生成過(guò)程見(jiàn)圖1。      

氯氣電解通常氯氣由電解鹽水得到，同時(shí)生成氫氣和苛性鈉。生產(chǎn)一噸氯氣大約要消耗4000度的電能。氯氣電解過(guò)程需要的直流過(guò)程電流在300－350kA之間，需要的直流電壓可以高達(dá)1000Vdc。
 
直流電弧爐 現(xiàn)代許多大型鋼鐵廠利用直流電弧爐來(lái)熔化回收的廢舊鋼鐵。使用直流電弧爐的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率高以及噪音低。鋼鐵冶煉用電弧爐的過(guò)程電流為100kA左右，電壓一般高于1000Vdc。電解過(guò)程一般是清潔的，連續(xù)負(fù)荷電流穩(wěn)定地流過(guò)半導(dǎo)體和熔斷器。電弧爐應(yīng)用則不同，它們生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)使得負(fù)荷電流經(jīng)常有嚴(yán)重的脈沖成分，因此在半導(dǎo)體和熔斷器選型時(shí)需要經(jīng)過(guò)非常仔細(xì)的計(jì)算和校驗(yàn)。
 
石墨爐 很多石墨產(chǎn)品的生產(chǎn)，如電極等，也要用到直流爐。典型過(guò)程參數(shù)為：電壓一般不高于300V，電流則可能高達(dá)160kA。
 
其他金屬冶煉銅、鋅、鉛、鎳、鎘等金屬生產(chǎn)的過(guò)程電流也需要由大功率整流過(guò)程產(chǎn)生。
 
3.   快速熔斷器應(yīng)用
大功率整流器
大功率整流器的核心元件是半導(dǎo)體（二極管或晶閘管）和快速熔斷器。功率半導(dǎo)體元件的有效利用在很大程度上取決于如何將半導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去。

解決方法是強(qiáng)制冷卻，風(fēng)冷和水冷散熱都是業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)做法。對(duì)于大功率整流器，用去離子水（添加乙二醇作為防凍劑）冷卻更為有效，也是大多數(shù)主流整流器生產(chǎn)廠家的選擇?，F(xiàn)在半導(dǎo)體元件的雙面冷卻已經(jīng)是業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)做法，為了增加輸出電流，快熔的雙面冷卻也比以往有了更多的采用。過(guò)去，快速熔斷器大多采用單面冷卻。
現(xiàn)代的生產(chǎn)過(guò)程需要越來(lái)越高的過(guò)程電流，為滿(mǎn)足這種需求，Bussmann開(kāi)發(fā)出了單體設(shè)計(jì)的五號(hào)快速熔斷器。這種設(shè)計(jì)優(yōu)化了熔斷器在強(qiáng)制冷卻時(shí)的總體散熱性能。

在整流應(yīng)用中，由于沒(méi)有再生負(fù)載，額定電壓選擇依據(jù)整流器輸入線電壓。如果與3英寸或4英寸二極管或晶閘管配合使用，可以形成的整流器輸出為直流2100V，將可允許在一條生產(chǎn)線上有440只電解槽串聯(lián)，這等效于每年39萬(wàn)噸鋁的生產(chǎn)能力。

快速熔斷器的額定電流
要理解快速熔斷器的額定電流計(jì)算，必須先了解熔斷器的額定電流是如何定義的。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60269-1&4詳細(xì)規(guī)定了確定熔斷器額定電流的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)態(tài)載流實(shí)驗(yàn)是在(20＋5)℃的環(huán)境下進(jìn)行的，并轉(zhuǎn)換成20℃下的值。當(dāng)環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要對(duì)熔斷器的最大允許載流量做相應(yīng)調(diào)整。
當(dāng)環(huán)境溫度高于20℃時(shí)熔斷器允許通過(guò)的電流會(huì)低于其額定值。具體數(shù)值可以由額定電流乘以校正系數(shù)(Kt)求得。忽略這個(gè)因素將導(dǎo)致熔斷器熔芯疲勞，從而造成熔斷器無(wú)故障動(dòng)作。
另一個(gè)影響因素是連接快熔與元件的銅排的尺寸。按照IEC 60269-1&4，該銅排的最小尺寸等效于1.0到1.3A/mm2的電流密度（按照熔斷器額定電流計(jì)算）。使用小的連接排時(shí)，熔斷器的額定電流也要乘以相應(yīng)的降額系數(shù)。該降額系數(shù)曲線可以在我們參數(shù)手冊(cè)里找到。在極端情況下，如果熔斷器相應(yīng)降額使用，連接排實(shí)際上起到了熱源的作用。
熔斷器的載流能力也可以提高。當(dāng)使用強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷時(shí)，能夠增加熔斷器的載流能力。
很多應(yīng)用中存在周期負(fù)荷和過(guò)負(fù)荷，這也可能會(huì)影響熔斷器的使用壽命。這些情況都要仔細(xì)分析，以防止熔斷器的非正常動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生過(guò)負(fù)荷時(shí)，熔斷器熔芯臨時(shí)過(guò)熱，接近銀片融化的溫度。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，熔芯狹頸處銀的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。晶體結(jié)構(gòu)不再單一，有顆粒生成，狹頸處的銀將變硬變脆。這導(dǎo)致熔芯的機(jī)械強(qiáng)度降低，造成一個(gè)或多個(gè)狹頸斷裂。
取決于過(guò)負(fù)荷發(fā)生的頻次和周期負(fù)荷的特性，有時(shí)需要施加另外的降額系數(shù)。對(duì)于中等規(guī)模的牽引站和周期負(fù)荷特征明顯的采礦設(shè)備，降額系數(shù)可能高達(dá)2.0－即當(dāng)熔斷器使用在此類(lèi)場(chǎng)合時(shí)，只允許負(fù)載其額定電流有效值的一半。
鋁電解生成過(guò)程中，只有少量的過(guò)負(fù)荷產(chǎn)生，一般不會(huì)對(duì)熔斷器選型有重大影響。但是，當(dāng)整流器中當(dāng)一個(gè)或更多半導(dǎo)體由于故障被隔離時(shí)，與之并聯(lián)的其他支路元件將面臨過(guò)負(fù)荷的危險(xiǎn)。

整流器中的半導(dǎo)體和快熔的配合需要仔細(xì)考慮。一個(gè)考慮周全的熔斷器保護(hù)方案基本不存在半導(dǎo)體爆炸的可能。與之相反，不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)導(dǎo)致燃弧和起火、損壞整個(gè)整流器單元、以及操作人員的人身傷害。按照N-1模式設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以保護(hù)用戶(hù)免受生產(chǎn)線部分或全部停頓帶來(lái)的損失。因此，在大功率整流應(yīng)用中，都是基于N-1模式的連續(xù)滿(mǎn)載運(yùn)行。在某些應(yīng)用中，客戶(hù)甚至要求按N-2－或更多來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些都要加以考慮。如果整流器在N-x模式下運(yùn)行了過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，而整流器本不是按照N-x模式來(lái)設(shè)計(jì)的，那么結(jié)果就是故障熔斷器所在橋臂的所有其他熔斷器也受到了傷害。

半導(dǎo)體保護(hù)
大功率整流器中快熔的作用是，當(dāng)整流器發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，隔離故障支路，從而防止半導(dǎo)體爆炸。因此半導(dǎo)體的爆破I2t應(yīng)為已知，選擇10ms分?jǐn)郔2t小于此值的熔斷器即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)。半導(dǎo)體的爆破I2t可以通過(guò)其極限測(cè)試獲得。

快熔的爆破I2t與短路系統(tǒng)電壓有關(guān)，因此在測(cè)試中，可以通過(guò)快熔來(lái)控制通過(guò)半導(dǎo)體的能量。這種測(cè)試的目的有兩個(gè)：其一、找到半導(dǎo)體的爆破I2t，其二、驗(yàn)證在大故障電流下（最高300kA），快速熔斷器防止半導(dǎo)體爆炸的能力。
 
4.     快熔選型不當(dāng)后果分析
電壓選擇不當(dāng)
如果熔斷器額定電壓低于故障系統(tǒng)電壓，各狹頸處燃起的電弧將持續(xù)燃燒而會(huì)合，最終電弧貫穿整個(gè)熔斷器。此時(shí)熔斷器的陶瓷管殼將不能承受內(nèi)部壓力而發(fā)生劇烈爆炸。所幸人們一般都根據(jù)輸入電壓選擇熔斷器，此類(lèi)故障在現(xiàn)場(chǎng)很少發(fā)生。另外，如果嚴(yán)格按照IEC標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行產(chǎn)品測(cè)試，10％的安全裕量也消除了系統(tǒng)電壓波動(dòng)帶來(lái)的隱患。
 
I2t值不匹配
快速熔斷器必須將允通能量限制在半導(dǎo)體的爆破I2t之下，否則就會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體的劇烈爆炸。而設(shè)備中發(fā)生半導(dǎo)體爆炸時(shí)，建議檢查熔斷器在故障電壓下的分?jǐn)郔2t值，以及半導(dǎo)體的實(shí)際爆破I2t。
 
額定電流計(jì)算中忽略一個(gè)或幾個(gè)降額系數(shù)
各種降額系數(shù)用來(lái)保證熔斷器在其壽命（典型10-20年）區(qū)間內(nèi)不會(huì)因疲勞而發(fā)生無(wú)故障開(kāi)斷。遵循快速熔斷器選型原則可以保證大約10年的使用壽命，大多數(shù)情況下，實(shí)際使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。
如果忽略了降額系數(shù)，或者實(shí)際電路、負(fù)荷與最初給定的信息有較大差別，則有可能發(fā)生如下情況：
嚴(yán)重的情況下，熔斷器會(huì)遭受持續(xù)過(guò)負(fù)荷。大功率整流器使用的熔斷器的保護(hù)類(lèi)型大多是aR（按照IEC 60269-1&4，這意味著用于半導(dǎo)體元件的短路保護(hù)）。因此，熔斷器將僅僅保護(hù)短路故障，不能分?jǐn)噙^(guò)負(fù)荷電流。當(dāng)aR熔斷器承受持續(xù)過(guò)負(fù)荷時(shí)，熔斷器陶瓷管殼溫度會(huì)超過(guò)其允許極限而龜裂。如果正好此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生短路，熔斷器就會(huì)發(fā)生劇烈爆炸，并損壞整流柜內(nèi)其他設(shè)備，使事故擴(kuò)大。
另一種情況是熔斷器遭受頻繁的過(guò)負(fù)荷，但并沒(méi)有造成外殼破裂，熔斷器熔芯在三到七年的確較長(zhǎng)的時(shí)間里慢慢損壞。此類(lèi)損壞的表征之一就是一個(gè)或多個(gè)熔斷器的無(wú)故障斷開(kāi)。

在多個(gè)aR熔斷器并聯(lián)時(shí)，如其中一個(gè)因過(guò)負(fù)荷而斷開(kāi)，該熔斷器和與之相連的半導(dǎo)體兩端的壓降都很小，使得半導(dǎo)體可能不能充分導(dǎo)通，從而不能熔斷指示器的觸發(fā)線。這種情況下熔斷器的指示器將不能正確顯示熔斷器的狀態(tài)，在同一橋臂與之并聯(lián)的其他熔斷器實(shí)際上將承受更高程度的過(guò)負(fù)荷，它們?nèi)坌镜膿p壞也將由此加速。現(xiàn)代整流器系統(tǒng)能夠監(jiān)視到這種超限溫升，這表明著橋臂中一定有異常發(fā)生。不幸的是，這時(shí)危害極有可能已經(jīng)產(chǎn)生，必須對(duì)相應(yīng)的熔斷器進(jìn)行分析診斷。
其后最常見(jiàn)的做法是更換已經(jīng)斷開(kāi)的熔斷器。但是，如果其他熔斷器的熔芯已經(jīng)受到損害，那么很有可能其中的一些熔斷器也將在不遠(yuǎn)的以后斷開(kāi)。這種情況的后果是生產(chǎn)過(guò)程的頻繁停頓，造成產(chǎn)出損失。
熔斷器診斷檢查可以通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)其電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果測(cè)試值明顯高于其標(biāo)簽上的打印值，應(yīng)立即更換熔斷器。

這種解剖分析可以在Bussmann的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，這在客戶(hù)希望了解熔斷器故障具體原因時(shí)尤其有用。打開(kāi)熔斷器內(nèi)部，我們就可以判斷熔斷器是在大短路電流下動(dòng)作的還是由于低過(guò)載，以及是否經(jīng)歷過(guò)周期負(fù)載等。

在這種情況下，唯一的方法是更話所有熔斷器。并歡迎咨詢(xún)我們的技術(shù)應(yīng)用部門(mén)，獲得專(zhuān)業(yè)建議，例如如何防止使用額定電流過(guò)大的熔斷器或者頻繁更換熔斷器帶來(lái)的問(wèn)題。
 
整流器機(jī)械設(shè)計(jì)的問(wèn)題
現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程對(duì)整流器電流輸出能力要求越來(lái)越高，這意味著整流柜中的能量密度越來(lái)越大。將現(xiàn)代新型的大功率半導(dǎo)體與5號(hào)快熔搭配，可以減少整流器中元件的數(shù)目，每個(gè)元件承擔(dān)的電流也將會(huì)增加，故障電流水平也將增長(zhǎng)，甚至可能達(dá)到接近300KA的水平。在這么大的故障電流下，由于電流通路的不同走向，熔斷器有可能要承受巨大的電磁力。

5.  五號(hào)快熔與雙體四號(hào)快熔
現(xiàn)代整流器設(shè)計(jì)中，有兩種外形的熔斷器可供選擇。一種是所謂的24號(hào)，由兩個(gè)4號(hào)快熔并聯(lián)而成，另一種是單體的5號(hào)快熔。

消除分流不均的問(wèn)題
與雙體4號(hào)快熔相比，5號(hào)快熔的優(yōu)勢(shì)之一是消除了熔斷器內(nèi)部分流不均的問(wèn)題。在某些整流器設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)雙體快熔的兩個(gè)分支之間存在電流不平衡現(xiàn)象，這是由于該整流器設(shè)計(jì)的電磁特性決定的。而5號(hào)快熔完全不存在這個(gè)問(wèn)題。
通過(guò)改進(jìn)熔體設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，5號(hào)快熔和此前的熔斷器相比可有更高的額定電壓和額定電流。
 
6.     五號(hào)快熔概述
五號(hào)快熔是專(zhuān)為大功率整流器設(shè)計(jì)的，可以用于鋁和氯氣等電解生產(chǎn)過(guò)程。為滿(mǎn)足特定客戶(hù)的需要，我們可以為客戶(hù)定制不同的產(chǎn)品?？梢远ㄖ频姆矫姘C(jī)械連接，以及尺寸公差要求等。
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化的五號(hào)快熔更適于大功率整流器中強(qiáng)制冷卻方式下的三英寸和四英寸的半導(dǎo)體元件保護(hù)。有數(shù)據(jù)表明，在某些情況下，使用五號(hào)快熔配合現(xiàn)代的大功率半導(dǎo)體，與使用傳統(tǒng)元件相比，可以節(jié)省30％的元件。通過(guò)使用較少數(shù)目的元件，整流器效率可以得到提高，從而降低了鋁的生產(chǎn)成本。
 
7.     總結(jié)
在電解鋁工業(yè)中，過(guò)程電流和串聯(lián)電解槽數(shù)目有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，目前已有系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用350kA電解電流和1600V的直流電壓。在不久的將來(lái)，高達(dá)500kA過(guò)程電流的電解鋁生產(chǎn)線也將成為現(xiàn)實(shí)。
大功率整流器的安全運(yùn)行很大程度上取決于元件的選擇。二極管/晶閘管和快熔是整流器使用的主要元件。高電壓和大電流的趨勢(shì)對(duì)整流器的安全保護(hù)提出了更高的要求。精心選擇半導(dǎo)體和快熔，以應(yīng)對(duì)可預(yù)見(jiàn)的整流器負(fù)荷波動(dòng)，這對(duì)整流器的連續(xù)安全運(yùn)行，對(duì)于鋁生產(chǎn)的穩(wěn)定是非常關(guān)鍵的。
五號(hào)快熔正是針對(duì)整流器的這種發(fā)展趨勢(shì)而開(kāi)發(fā)的。最近在ABB大功率實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)表明：在4000A的額定電流下，額定電壓可以達(dá)到1850A。這項(xiàng)進(jìn)展說(shuō)明，5號(hào)快熔系列將能夠滿(mǎn)足鋁行業(yè)中下一代大功率整流器的要求。實(shí)際上，5號(hào)快熔的額定參數(shù)可以做的更高，為更大功率的二極管和晶閘管提供保護(hù)。
 
8.     參考文獻(xiàn)