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整流柜说明材料

第三章整流柜

第一节：

整流柜工作原理和结构

1.基础理论

1.1整流电路的分类

1.1.1按组成的器件可分为半控不可控电路、半控电路、全控电路三种。

1）不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。

2）半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。

3）在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。

1.1.2按电路结构可分为零式电路和桥式电路

1）零式电路指带零点或中性点的电路﹐又称半波电路。

它的特点所有整流元件的阴极（或阳极）都接到一个公共接点﹐向直流負载供电﹐負载的另一根线接到交流电源的零点。

2）桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成﹐故又称全波电路。

1.1.3按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路。

1）对于小功率整流器常采用单相供电。

单相整流电路分为半波整流,全波整流,桥式整流及倍压整流电路等。

2）三相整流电路是交流测由三相电源供电，负载容量较大,或要求直流电压脉动较小,容易滤波。

三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。

因为三相整流裝置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后時间短，采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍，交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。

另外，晶闸管的额定电压值也较低。

因此，这种电路适用于大功率变流装置。

3）多相整流电路随著整流电路的功率进一步增大（如轧钢电动机，功率达数兆瓦），为了减轻对电网的干扰，特別是减轻整流电路高次谐波对电网的影响，可采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相整流电路。

采用多相整流电路能改善功率因数﹐提高脉动频率﹐使变压器初级电流的波形更接近正弦波﹐从而显著减少谐波的影响。

理论上，随着相数的增加，可进一步削弱谐波的影响。

多相整流常用在大功率整流领域，最常用的有双反星中性点带平衡电抗器接法和三相桥式接法。

1.1.4控制方式可分为相控式电路和斩波式电路（斩波器）；

1）通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

2）斩波器就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流-直流变换器。

它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，广泛应用于直流牵引的变速拖动中，如城市电车、地铁、蓄点池车等。

斩波器一般分降压斩波器，升压斩波器和复合斩波器三种。

1.1.5按引出方式的不同分中点引出整流电路，桥式整流电路，带平衡电抗器整流电路，环形整流电路，十二相整流电路。

1）中点引出整流电路分：

单脉波（单相半波），两脉波（单相全波），三脉波（三相半波），六脉波（六相半波）

2）桥式整流电路分：

两脉波（单相）桥式，六脉波（三相）桥式

3）带平衡电抗器整流电路分：

一次星形联结的六脉波带平衡电抗器电路（即双反星带平衡电抗器电路），一次角形联结的六脉波带平衡电抗器电路

4）十二相整流电路分：

二次星、三角联结，桥式并联（带6f平衡电抗器）单机组十二脉波整流电路；二次星、三角联结，桥式串联十二脉波整流电路；桥式并联等值十二脉波整流电路；双反星形带平衡电抗器等值十二脉波整流电路。

1.2整流电路工作原理

电解铝中大多采用二极管进行整流，利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压。

此节波形均把整流二极管当作理想元件，即认为它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。

但在实际应用中，应考虑到二极管有内阻，整流后所得波形，其输出幅度会减少0.6~1V，当整流电路输入电压大时，这部分压降可以忽略。

1.2.1单相整流电路

单相整流电路有单相半波整流电路、单相全波整流电路和桥式整流电路三种形式。

单相半波整流电路如图3-1（a）所示。

（1）单相半波整流电路

单相半波整流电路是利用二极管的单向导电性，在变压器副边电压U2为正半周期内，二极管正向偏置，处于导通状态，负载RL上得到半个周期的直流脉动电压和电流；而在U2为负的半个周期内，二极管反向偏置，处于关断状态，电流基本上等于零。

由于二极管的单向导电作用，将变压器副边的交流电压变换成为负载RL两端的单向脉动电压，达到整流目的，其波形如图3-1（b）。

因为这种电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，所以称为单相半波整流电路。

（a）（b）

图3-1单相半波整流电路

（2）单相桥式整流电路

单相桥式整流电路与全波整流电路相比，单相全波桥式整流电路中的电源变压器只用一个副边绕组，即可实现全波整流的目的。

桥式整流电路如图3-2所示。

（a）（b）

图3-2单相全波桥式整流电路

（3） 单相全波桥式整流电路的工作原理

 由图可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。

利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。

因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

1.2.2三相桥式整流电路

对于大功率的整流电路则需要采用三相整流电路，因为大功率的交流电源是三相供电形式。

图3-3是一个电阻负载三相桥式整流电路，它有六个二极管，D1、D3、D5接成共阴极形式，共阴极用P表示；D2、D4、D6接成共阳极形式，共阳极用M表示；零线用N表示。

图3-3电阻负载三相桥式整流电路

三相整流电路的工作原理

三相整流电路中各个二极管如何导电：

基本原则仍然是二极管的阳极电位高于阴极电位时二极管导电，反之不导电。

因三相电比单相电复杂，在图3-4中根据各相波形相交的情况，按30为一段进行时间段的划分，在图的最下方用1、2、3、4、5、6、7、…表示。

图3-4三相桥式整流电路的波形图

三相桥式整流电路二极管导电的规律详例：

（三相桥式电阻负载整流电路的输出电压波形见图3-4）

先看时间段1：

此时间段A相电位最高，B相电位最低，因此跨接在A相B相间的二极管D1、D4导电。

电流从A相流出，经D1，负载电阻，D4，回到B相，见图14-1-3中红色箭头指示的路径。

此段时间内其他四个二极管均承受反向电压而截止，因D4导通，B相电压最低，且加到D2、D6的阳极，故D2、D6截止；，因D1导通，A相电压最高，且加到D3、D5的阴极，故D3、D5截止。

其余各段情况如下：

时间段2：

此时间段A相电位最高，C相电位最低，因此跨接在A相C相间的二极管D1、D6导电。

时间段3：

此时间段B相电位最高，C相电位最低，因此跨接在A相C相间的二极管D3、D6导电。

时间段4：

此时间段B相电位最高，A相电位最低，因此跨接在B相A相间的二极管D3、D2导电。

时间段5：

此时间段C相电位最高，A相电位最低，因此跨接在C相A相间的二极管D5、D2导电。

时间段6：

此时间段C相电位最高，B相电位最低，因此跨接在C相B相间的二极管D5、D5导电。

时间段7：

此时间段又变成A相电位最高，B相电位最低，因此跨接在A相B相间的二极管D1、D4导电。

电路状态不断重复。

第二节：

整流装置运行标准及巡视检查

1.整流柜概况

近几年来随电解铝行业的不断升温，电解系列电流的不断增加，对整流柜的要求不断提高，整流柜是一种以二极管、晶闸管整流原理为基础，通过集成二极管（晶闸管）快熔、交直流母线及绝缘、保护材料，通过一定的联接方式组合成的一个整体，能够将交流电转换成直流电。

硅元件采用热管散热器。

每只硅元件串有快速熔断器一只。

当整流管反向击穿时造成变压器二次短路时快速熔断器熔断，切断故障回路，同时报警。

当各整流桥臂中任意一支硅元件损坏后不影响整流器的正常输出，只报警。

当同一桥臂内两支硅元件故障时，该整流机组开关跳闸。

以上功能由可编程控制器完成。

2.整流柜巡视检查及标准

2.1运行规定

2.1.1硅整流元件过载能力很低，故不准过载运行。

2.1.2硅柜投入前先接通冷却系统电源，冷却水进口温度不高于+30℃，不低于+5℃。

为防止凝露，冷却水进口温度不应低于环境温度3—5℃。

冷却水流量不小于36m3/h,进出口冷却水（副水）温差不超过5℃，进出口循环水温差不超过5℃。

2.1.3冷却水酸碱度（PH值）为7～8，电阻率≥1500kΩ/cm,硬度（以碳酸钙计）不超过0.03mg/L。

2.1.4在正常情况下，单组硅柜停、送电，应先将整流变降至95级，非特殊情况不准在运行电压下分、合整流变压器。

2.1.5元件损坏时，应测均流，并将结果记录下来。

2.1.6定检前，应测均流，用毫伏表测快熔两端压降，测量位置要统一。

2.1.7纯水进口水压力不得超过0.25Mpa，不能低于0.08Mpa，正常运行应在0.15～0.20Mpa左右。

纯水进口压力正常为0.22Mpa左右，付水进口压力为0.2Mpa左右。

2.2巡视检查项目

2.2.1日常巡视：

2.2.2整流装置是否保持清洁，有无积尘。

2.2.3是否有异响臭味。

2.2.4主、付水温度，流量、压力是否正常。

2.2.5水冷母线、管道接头、阀门等到有无渗漏水现象。

2.2.6停机期间，检查主回路接触部位是否良好，电器部件是否良好，元件正反特性有无变化。

2.2.7整流元件外壳温升（正极处）应小于45℃，快速熔断器温升应小于60℃，水冷母线本体温升应小于45℃，接触面不超过75℃，若超过此值时查找原因并处理。

2.2.8各水冷母线温度分布是否正常，如有异常发热（温度继电器动作前），应检查支路水流是否阻塞。

2.2.9测量并记录冷却水及循环水进、出口温度、水压及流量。

2.2.10操作过电压、换相过电压及直流过电压箱内连接良好无放电打火现象，温度正常无发热现象。

（操作过电压和换相过电压保护装置的铝壳电阻温度正常遇有相差大的及时汇报）2.2.11PLC模块显示正常，整流控制柜和纯水冷却控制柜内中间继电器显示正常无异常报警。

各二次小线及空开温度无异常。

各空开合入正常。

3.整流柜维护标准

3.1用2500伏兆欧表测量主回路对框架的绝缘电阻应不低于10MΩ（主回路绝缘摇测时，要短接硅元件，以防击穿；交流回路中设有操作过电压阻容保护，在摇测绝缘时，短接过电压吸收电容接地）。

3.2用1000伏兆欧表测量框架对地绝缘电阻不低于2MΩ

3.3二次回路对地绝缘电阻测量，应用500伏兆欧表，其数值不低于1MΩ，在比较潮湿的地方，应不低于0.5MΩ。

3.4传动硅元件故障、超温报警、过温跳闸、断水、三倍过流的整流柜保护功能。

微机屏显示正确，机组应跳闸（三倍过流机组不跳闸，只报警）。

第三节：

整流装置保护

1.整流柜的保护

1.1电压保护

1.1.1采用氧化锌压敏电阻、快熔组成过压吸收回路，吸收电网过电压、操作过电压以及雷电过电压，由快熔所带的微动开关发出故障信号。

1.1.2元件坏一、元件坏二保护

当整流元件一元件损坏时，将导致快熔熔断，安装在快熔上的微动开关动作，发出元件坏一信号，当同一桥臂两元件坏时，跳闸接点闭合，断开整流机组高压侧断路器。

元件坏一、元件坏二通过元件检测单元发报警或跳闸信号，在实际使用过程中，由于震动等原因，元件监测单元容易误发信号，这是由于元件监测单元所使用电压较低，所采用接点又为常闭点，由于震动造成的接触不良往往使回路电压升高，造成误动作。

应适当提高元件监测单元电压，并采用镀金接点微动开关，并且微动开关的压力应能防止震动造成的接触不良，必要时增加延时已防止因震动造成整流机组误动作。

1.2.桥臂超温保护

整流桥臂一般采用水冷，水中的气体积聚在桥臂内，桥臂通水孔堵塞，循环水水温过高等，均会造成母线超温，如不能及时发现，会使元件结温过高而损坏，在每个桥臂上设置一个测温元件，桥臂温度在60～65℃时动作，发出跳闸信号。

1.3PLC失电保护

由于整流柜内保护信号，冷却水泵、风机的运行和故障信号，稳流系统的控制等均通过PLC实现，因此PLC失电或故障时，应跳开机组高压断路器。

机组辅助电源失电时，冷却系统停止运行，此时也应跳开机组断路器。

实现此种保护的一个方法是编程使PLC的一个输出接点上电即闭合，使用此节点去启动一个中间继电器，再使用中间继电器常闭点作为跳闸信号输入。

但采用中间继电器常闭点作为跳闸接点，当系统电压突然降低时，容易误动作，引起电解系列全停电事故，因此此接点要先送入SEL等微机保护装置，或启动时间继电器，经2S延时，若2S内故障未恢复，则跳开机组断路器。

1.4水压失常保护

由于整流器一般采用水冷方式，水压低或断流将造成元件结温升高而损坏，因此要设置水压失常保护，水压失常保护应能检测到水管脱落故障。

整流柜内水循环系统一般设置两台水泵，两台水泵一用一备，一台泵故障时，另一台泵能自动投入运行，当两台水泵均停止运行时，属于一种故障状态，需延时跳闸。

1.5逆流保护

当整流元件故障，发生直流短路或整流柜内直流正负母线之间短路时，其它正常机组会向故障点馈送电流，此时机组直流母线中会流过相反方向的电流，逆流保护即是检测相反方向的电流，在每个整流柜直流出线母线上安装一个逆流检测装置，当检测到有相反方向电流流过时，节点闭合，并通过快速型中间继电器跳开所有整流机组断路器，防止事故扩大。

为了加快跳闸速度，也可要求逆流保护装置输出多个跳闸节点，直接接入各机组的跳闸回路，以最快的速度使各断路器跳闸，把损失降低到最小的程度。

1.6机组水质低保护

　　当整流机组水质低时，整流器水路部分的水嘴将受到严重腐蚀，缩短水嘴的使用寿命，引起水路渗漏，甚至引起水管脱落，发生事故。

因此，水阻至少要达到200KΩ以上，对于高电压、大电流的整流器纯水电阻≥1500kΩ/cm左右。

当低于要求的水阻时应能发出报警信号。

1.7弧光保护

随着近年来整流系统事故的增多，为了防止直流正、负母线之间或者交、直流母线之间短路等恶性事故的发生，越来越多的整流系统采用了弧光保护装置，所谓弧光保护即是感光元件（光纤或探头）将接收到的光信号传导到光信号处理单元，当接收到的光信号超过设定强度后，装置即输出跳闸信号，由于采用了快速器件，从产生弧光到装置动作、跳闸节点闭合，其总时间可以做到不超过1毫秒，这么快的反应速度，在以电流、电压作为输入信号的继电保护装置中是不可能达到的，从这方面说弧光保护在快速性上，具有无可比拟的优势。

至于跳闸方式的选择，即跳本机组或是跳系列，可以是否装有逆流保护来确定，如未装逆流保护，为防止其它健全机组向故障机组供电，应跳系列；如装有逆流保护，则可考虑只跳本机组，以减少不必要的跳闸，减少电解系列不必要的全停电。

由于弧光保护接收的是光信号，因此要进行光源的管理，并采取防止外界强光进入的措施。

1.8离极保护

正常生产过程中，电解槽阳极与阴极脱开或连接母线开路即称为离极，离极将造成断口间强烈弧光，引起着火、爆炸，引发重大人身或设备事故，虽然电解槽槽控机一般均设置多重保护，防止阳极持续提升，一般不会因为槽控机失控造成离极，但在电解槽漏槽、冒槽，母线接触不良，阳极碳块全部脱落以及不正确的手动持续提升阳极等情况下，仍存在离极的可能性，因此整流所应设置离极保护，以电流和电压变化作为判据，当电流下降至额定值的75％，电压升高到规定值时，即判断为离极，跳开所有机组断路器。

第四节：

整流柜常见故障分析及处理

1.整流柜常见故障处理

1.1纯水水质变色，水阻<1500kΩ/cm。

应更换交换树脂，严重时，应更换纯水。

1.2主柜内，支路水管温度偏高：

水管内有气体或存杂物堵塞，应做相应清理。

1.3主柜联结铜排局部发热：

检查紧固螺丝是否松动，接触面有无氧化，并处理。

1.4快熔温度低于正常温度：

检查快熔是否熔断，检查元件是否导通。

若元件、快熔两端电压正常，则检查脉冲是否到位。

1.5元件不导通：

若控制板对阴极脉冲正常，元件不导通，则更换元件。

1.6个别元件脉冲丢失：

用示波器检查控制极对阴极无脉冲时，再往前检查该元件对应的脉冲分配板各电阻、电容、二极管上波形，发现不正常时，更换该器件即可。

1.7输出电压电流信号突然消失：

1.7.1检查脉冲封锁电压是否正常（大于等于DC7V为正常），若不正常则检查：

1.7.2是否过流动作？

若是，检查原因排除故障。

1.7.3是否是欠相回路动作？

若是，排除欠相故障。

1.7.4若非以上原因，则应直接检查“回零保护回路”的元器件是否正常，排除故障。

1.7.5当用户外联电路与本机控制相连时，应检查继电器接点，清扫灰尘，不能出现虚接现象。

1.8冬季，整流装置在停止运行时，应将整流柜冷却水放干，以免管路冻裂。

2.整流柜故障原因分析及处理措施

为电解系列提供直流电能。

若整流柜内发生故障，造成正负母线之间弧光短路，则所有运行着的整流机组均会向故障点注入短路电流，而巨大的短路电流会造成整流柜爆炸。

究其原因可归结为以下几点。

2.1整流元件击穿，产生弧光，快熔不能及时熔断，引起弧光扩大，发展为整流柜内正负母线短路，造成爆炸。

2.2元件或绝缘件受潮，使元件表面温度低于环境温度，当温度低至凝露点后，元件表面将结露，引起短路，进而发生爆炸。

整流柜内冷却管路渗漏，也可能造成绝缘降低，引起爆炸。

2.3绝缘件表面灰尘积聚，引起绝缘破坏，发要有效防范整流柜爆炸及减少损失，可从以下几个方面着手：

2.3.1要求整流柜生产厂家在制作整流柜时全面提高绝缘性能。

首先绝缘压块要有足够的爬距，其次绝缘隔板采用整块胶木板，要有足够的长度和宽度，把整流柜内各桥臂分成各个独立的空间，以有效防止弧光延伸至相邻桥臂，并防止相邻桥臂的短路弧光延伸过来与本桥臂形成短路。

2.3.2增大正负母线之间的距离，减小电动力的影响，防止电动力引起母线产生严重变形，甚至引起母线接地短路，造成事故扩大，事故恢复时间延长。

2.3.3合理选择保护装置。

快熔额定电流要能够保护整流元件，除具有有足够的灵敏度外，还要有足够的分断能力，保证元件异常时快熔可以及时、可靠地熔断，避免引起短路爆炸。

设置逆流保护，在整流柜内有短路发生时，及时跳开高压断路器。

国外设备也有采用弧光检测装置的，即在整流柜内有弧光产生时，跳开高压侧断路器。

2.3.4合理设定继电保护定值。

整流变压器的电流速断保护应延伸至整流柜后侧大母线，在整流柜出线侧发生短路时，应无延时跳开高压侧断路器。

2.3.5保持整流柜清洁，定期清擦元件、绝缘压块等表面，防止灰尘积聚。

2.3.6定期测量元件表面温度，如温度有异常，应进一步测量均流系数，或进行元件特性测试，对性能参数恶化的元件及时予以更换。

生爆炸。

2.3.7加强水管等附属设施的巡视，发现水管渗

2.4不停电检修或运行中测试时造成短路，发漏，及时处理。

展为正负母线弧光短路，引起爆炸。

第五节：

整流装置验收

1.整流柜投入运行前的检查

1.1检查整流柜、周围应清洁，整齐、无杂物，有关人员撤离现场。

1.2检查整流柜内部各元件完好，元件间接线牢固。

1.3整流柜的绝缘检查（新安装、检修后或长期停运而重新投运前）。

1.4检查直流传感器及表计电气的联结良好，指示正常。

1.5检查纯水冷却系统及二次循环水冷却系统的管道是否良好，有无破损，滴漏现象，各相关表计指示正常，且水压、温度符合要求，主、付水水质合格且循环正常。

2.整流柜送电前的准备工作

2.1启动变压器油风冷却器。

观察油压值为0.05MPa以上

2.2检查瓦斯继电器，油阀及油位计是否处于正常位置。

2.3按工艺要求设定整流变档位值。

2.4启动纯水冷却装置。

观察压力值是否为0.2Mpa。

2.5检查主柜纯水进口和出口的水温差应不超过5度。

2.6检查离子交换树脂是否符合纯水冷却装置规定，纯水电阻应大于1500kΩ/cm。

2.7纯水到达主柜压力应大于0.15MPa，最高压力应整定在0.25MPa，最低压力应整定在0.08MPa。

2.8打开主柜水阀门，检查各支路水流是否畅通，有无漏水现象。

2.9将电流给定回零。

2.10送各测量装置电源，检查相应仪表读数是否正常，排除异常。

2.11送控制电源，同时检查控制柜、远控屏（或操作台）相关信号，测量指示是否正常排除不正常现象。