220kV电解铝整流系统设计.docx
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220kV电解铝整流系统设计
昆明理工大学成人高等教育
毕业设计（论文）
某年产30万吨电解铝
220kV整流系统初步设计
****************************
学号：
*************
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2013级
学习形式：
函授▇夜大□脱产□
学习层次：
高起本□专升本▇高起专□
函授站：
昆明站
摘要
本论文为某年产30万吨电解铝的220kV整流变电站整流系统初步设计。
主要包括以下内容：
在对各种电气主接线比较后确定本厂的电气主接线图，再根据电解铝的年产量及直流负荷计算出整流机组变压器组数及各项技术参数，画出主接线图，根据电解铝直流负荷及年产量计算出系列直流电压和系列直流电流。
由几种整流电路相互比较确定整流柜的整流电路及联接方式。
关键词：
电解铝整流系统直流电整流机组整流器
前言
此电解铝项目供电系统按年产30万吨电解铝用电负荷考虑，全厂最大负荷为550000kW。
整流所选择八台调压-整流变压器及整流器,辅助电力变压器二台。
铝电解所用电源为直流电，本厂直流负荷要求为400kA，为提高铝电解的供电可靠性，要求铝电解220kV整流所必需有两条进线，一条主供，另一条作为热备用。
站内一次采用双母线运行，厂用动力变压器带在Ⅰ组母线，整流机组带在Ⅱ组母线上，220kV进线带于一段母线，通过母联断路器合闸带二段母线。
这样厂用变压器与整流变压器互相独立开，当直流系统故障，需停止整流机组运行时，只需直接断开母联断路器，这样既不影响辅助用电的正常供送，又能更快的切断直流供电，可以缩短停电时间和事故范围。
采用220kV大型自耦调压整流机组,由大功率硅二极管形成整流功能，已能保证安全、平稳的向电解车间供送直流电。
第一章电气一次主接线设计
1.1铝电解负荷对供电的技术要求
1 铝电解负荷为一级负荷。
另外,电解车间的多功能天车,抽取铝液的真空泵,全厂性水泵站,整流所的自用电等动力负荷也均为一级负荷。
因此,大型电解铝厂的一级负荷约占全厂总负荷的95%,设计应将电解厂供电将可靠性放在首位。
2 正常情况下（包括检修及一般事故）不许停电,极端情况下允许全停电30-45分钟,20%减电4个小时,10%减电12个小时。
全停电时间指电解槽的直流电源中断时间,即包括整流机组为恢复送电所需时间,故电源实际中断时间应更短。
3 电解铝厂应有两个（或以上）独立电源供电，任何一个电源出现事故或检修时，其余电源需满足全厂用电要求。
以年产30万吨电解铝厂为例,直流负荷在400kA左右,优先采用220kV受电电压.
4 大型铝工业基地的电解系列电流向超大方向发展。
我国目前的大型铝厂将逐步淘汰60kA的自焙电解槽,发展为130kA至200kA的预焙电解槽,最大的可达到500kA,而直流电压却不高,只有几百伏到一千多伏不等。
整流电源是大电流、低电压的超高压直降机组。
5 确定220kV系统主接线采用双母线系统，双回路220kV电源进线。
6 整流机组的一次电压与外部供电电压及整流所总容量密切相关。
网侧电压U1=220kV（+7.5%,-5%）；当电网电压为220kV-5%时，保证机组直流额定输出电压仍保持1050V，电网电压220kV+7.5%时不过激磁，且能长期运行。
为了节省投资,减少电能损耗,应避免在铝厂内对整流负荷进行二次降压,所以直接采用电网电压作为整流机组的一次电压。
以年产30万吨电解铝厂为例,直流负荷在410kA左右,优先采用220kV受电电压及220kV直降式整流变压器，多数情况下,电解厂离电源较近,采用220kV受电电压,技术上均能满足电解厂正常供电要求。
除电力系统根据技术经济综合比较,必须以220kV或更高电压向电解厂供电的特定情况外,一般优先采用220kV受电电压。
220kV自耦式整流机组与厂内二次降压的普通整流机组相比较,不仅技术先进,且经济合理,现在国内采用220kV自耦式大容量整流机组的技术条件已经成熟,它具有整流效率高、电能损失小、投资省、占地少的优点。
1.2主接线方案的初步比较
方案
名称
优点
缺点
适用范围
备注
1、单母线接线
①接线简单清晰、设备少。
②投资小、
运行操作方
便，③有利
扩建和采用
成套设备
①可靠性、灵活性较
差
②不利于设备检修，③不能满足对Ⅰ、Ⅱ类负荷供电可靠性的要求
110～220KV
出线回
路数不
超过2
回的中
小型变
电站
母线故障时全站失压，无
法满足该站可靠性要求《电气》P12
2、双母线接线
①供电可靠②调度灵活③扩建方便④便于扩建。
轮流检修母线时，不会停止对用户的供电，工作
母线发生故障时，能利用备用母线使无故障电
路迅速恢复正常工作。
①增加一组母线每回路就需增加母线隔离开关。
②当母线故障检修时，隔离开关作为倒换操作电器，易误操作，为避免误操作，需在隔离开关和断路器间装设连锁装置。
③出线断路器检修或故障时，线路无法供电。
适用于大中
型变电
站、6～
220KV
配电装
置出线
回路数
为4回
及以上
出线。
可靠性
能满
足本
站。
《电
气》
P14
3、内桥型接线
①设备少（高压断路器数量少，四个
回路只需三只断路器）②接线简单清晰，容易改进为单母线分段接线方式。
变压器切除和制动复杂，桥联断路器检修时，两个回路需解列运行，隔离开关同
时兼作操作电器，可靠性徜
差。
适用于
35～
220KV
线路为
两回，
主变压
器为两
台的变
电所。
不适用于本
站。
《电气》P18
4、单母线分段
①用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段进行供电，即两个电源供电②任意母线故障，分段断路
器自动切除故障回路，保证正常段母线不间断供电，不致重
要用户停电。
①当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期内停电。
②当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越。
③扩建时需向两个方向均衡扩建。
110～220KV
出线回
路数为
3～4
回的中
小型容
量变电
站。
该接线方
式不能
满足
供电
可靠
性要
求，适
用于
本站。
《电
气》
P13
该变电所主接线方案确定：
220kV采用双进线双母线接线方式，当整流变压器发生故障需要及时退出所有机组运行时，只需断开母联断路器。
或者运行需要逐台轮流维护检修时，只需要断开本回路的断路器。
轮流检修母线时，只需将站内设备全部倒至另一段母线，不会停止对用户的供电，工作母线发生故障时，能利用备用母线使无故障电路迅速恢复正常工作，并且供电可靠，调度灵活，便于扩建。
运行方式为：
220kV1#进线（2#进线）主供于Ⅰ组母线，经母联断路器合闸带于Ⅱ组母线，1#~8#整流机组带于Ⅱ组母线，1#、2#动力变压器带于Ⅰ组母线，2#进线（1#进线）热备用于Ⅰ组母线。
1.3一次主接线系统图
1.4220kVGIS开关站配置
220kVGIS开关站的接线方式为带母联的双母线接线方式，电源进线2回，馈出线共10回，其中：
8回馈线向8台整流机组供电，2回馈线向2台总配10kV动力变供电。
1.5220kVGIS开关站保护装置
1 进线保护：
两回进线设置两套不同原理的线路微机型光纤电流差动保护作主保护；阶段式相间距和接地距离保护、零序相电流保护、断路器失灵保护、过电流保护、线路充电保护（充电后退出）、断路器本体三相不一致保护作后备保护。
2 双母线保护：
设两套不同原理的母线差动保护，两套母线保护分别启动断路器的两组跳闸线圈。
3 母联保护：
母联设置低电压保护、电流速断保护、过流保护，母线充电保护（充电后退出）、零序电流保护及断路器失灵保护。
4 调压变压器设置断路器失灵保护、电流速断保护、带时限过流保护、零序电流保护。
整流变压器设两套电流速断保护、带时限过电流保护（合用后解除时限）。
调变第三线圈设置电流速断保护、过电流保护、谐波保护。
本体非电量保护为瓦斯保护（有载、本体），压力释放保护和温度保护等。
5 滤波补偿装置保护：
滤波补偿装置设置低电压保护、电流速断保护、过电流保护、谐波保护和中性点不平衡电流保护。
6 动力变保护：
每台动力变设两套不同原理的变压器纵差保护作为主保护；高压侧零序电流保护、电流保护、负荷保护、电量保护、间隙零序保护作为后备保护。
7 整流柜、纯水冷却系统、直流开关设相应保护。
如水压低保护、水温高保护、纯水流量低保护、风机过载保护、水泵过载保护，整流器换相过电压保护等。
第二章整流机组方案确定
2.1电解工艺条件
通过调压变压器及整流变压器利用二极管的单向导通性能将交流电变为直流电以供电解铝直流电的需要。
由电厂来的220kV电压经整流所动力变压器，变为铝厂所需的10kV电压作为电解、空压、铸造、阳极组装及站内用电等车间的辅助用电；
2.2整流机组应满足生产工艺的技术参数
2.2.1有载调压整流变压器
型号
ZHSFPTB-8800/220
冷却方式
OFAF（强迫油循环风冷）
额度功率
50HZ
一次额定电压
220kV
额定直流电压
1400V
额定直流电流
2*36100A
相数
3相
移相角度
-1.875°
总脉波数
8*12=96
2.2.2调压变压器
额定容量
88000kVA
一次额定电压
220kV
一次额定电流
230.9A
二次额定电压
105.6kV
二次额定电流
481.1A
三次额定容量
28000kVA
三次额定电压
32kV
三次额定电流
505.2A
三次对一次短路阻抗
20.56％
联结组别
YNa0，d11
2.2.3整流变压器
网测额定容量
2*44000kVA
网测额定电压
105.6kV
阀侧额定电压
1204V
阀侧额定电流
2*2*10550A
网测额定电流
2*240.6A
2.2.4饱和电抗器
控制绕组最大电流
30A
调压深度
90V
2.3整流机组基本介绍
1 调压变压器采用自耦降调压方式，联结组标号为：
YNa0，d11，一次侧中性点为半绝缘，中性点绝缘水平按126kV级设置，中性点采用避雷器保护接地方式。
调压绕组分接开关设107档，额定电压档为102档，调压范围为1.5％～105％，有载调压开关作连续粗调，饱和电抗器相控调压作细调，与大功率二级管整流器形成自动调压稳流系统。
调变第三线圈滤波补偿绕组，额定电压32kV，基波补偿容量定为28000kVA。
2 整流变压器的任务就是与整流元件一起将交流变成直流，整流变压器采用两个独立铁芯，绕组一次侧采用星形和三角形接线或折边星形接线，二次为正反三角形接线。
阀侧采用同相逆并接线，形成单机组12脉波整流。
8套整流机组并联运行构成等效96脉波整流。
3 调压整流变压器采用充氮灭火装置的消防措施。
4 节省投资并获得较高的整流效率。
5 对电解铝生产,必须在整流机组中任一台检修或故障时,电解系列电流不降低,一般采用（N+1）原则,即系列电解电流除需要N台整流机组并列运行供电外,还需外加一台备用机组。
为提高供电可靠性,通常备用机组为热备用,一般情况下,全部（N+1）台机组都投入运行。
由于多台整流机组同时运行,机组间电流分配不可能完全相同。
建议N台整流机组额定电流的总和应大于电解系列电流值的5%～10%。
有自动稳流取低值,无自动稳流取高值。
若电解系列电流为
单台整流机组额定直流电流为
N台机组额定电流之和为N×
。
有自动稳流情况下:
N×
=（1.05～1.06）
，无自动稳流情况下:
N×
=（1.08～1.10）
现以实例阐明整流机组的数量和机组额定电流选择的原则。
本设计的铝电解外部供电电压220kV,系列电压1400V,系列电流400kA。
当总台数超过4台时,负荷率的增长减少,然而,整流机组台数的增多,相应增加了一、二次开关设备和辅助设施的数量,增大了土建建筑面积和设备投资,尤其当采用110kV直降机组方案时,110kV开关设备费用较为昂贵,而且大型直降式调压整流变压器单位容量的制造费用是随容量增大而减少。
单机容量小于10000kVA时是不经济的。
因此,采用整流机组一次电压为110kV及以上时,机组数宜为8个（包括备用机组）。
另外,适当增大整流机组单机容量,减少整流机组台数,不但能节约投资,而且便于整流机组在停电和送电时的操作。
由于调压变压器在最低电压到最高电压的整个调压范围内,一般不能将负荷电流连续有载降到零或升到电解系列需要值。
在机组额定电流较小,台数较多的情况下,当全部整流机组逐台进行停电或送电操作时,最先投入或最后切除单位机组负载电流,有可能大大超过该机组的额定电流值。
然而,在采用较大容量和较少机组的情况下,则有可能避免上述情况。
2.4整流机组相数的选择
合理选择单机脉波数P,是构成整流机组总体方案的重要部分。
1 若单机脉波数P=6和P=12,网侧总自然谐波,在（N-1）台机组运行条件下,即有一台机组退出运行条件下,均不超标,选取单机P=6较为合理。
2 若单机P=6在（N-1）台机组运行条件下,网侧总自然谐波超标。
而单机P=12在（N-1）台机组运行条件下,网侧总自然谐波不超标。
则选择P=12较为合理,并且优先采用两铁芯式。
3 若单机P=6和单机P=12在（N-1）台机组运行条件下,网侧总自然谐波均超标,均须采取滤波措施,。
需按整流变压器投资和滤波设施投资综合比较而定,选择单机P=12为宜。
2.5整流机组调压方案的选择
在铝电解硅整流装置中，我们通常采用饱和电抗器与有载开关的联合调压方案。
利用有载开关粗调，饱和电抗器微调来保证电解电流的相对平稳，稳流精度达到1%-3%，这种方式减少了有载开关的动作次数，减少了维修工作量，便于计算机稳流控制，技术相对比较成熟，运行稳定，基本能够满足电解工艺要求。
2.5.1调压变压器有载开关粗调
有载分接开关与无励磁分接开关的区别在于能在变压器带负载或励磁状态下切换分接位置，以达到有载调压的目的，而又不允许中断负载电流，因此需要一个过渡电路作为负载电流转移的“桥梁”。
有载开关调压须满足一下要求：
1 有载开关调压电路应分为三个部分：
过渡电路、选择电路、调压电路。
2 有载开关切换过程为：
接通某一分接→选择下一分接→选择结束→切换开始→桥接两分接→切换结束→接通下一分接。
3 调压类型:
以自耦调压为好,既经济又合理;
4 调压方式:
以线端调压为好,调压范围较大;
5 调压范围:
一般为5%～105%,下限考虑整流柜;
6 调压级:
以连续有载调压为好,总调压级数适当以及级差电压在正常系列运行电压的2%～3%为宜。
2.5.2饱和电抗器细调
饱和电抗器在配合有载分接开关调压的同时，应实现以下作用：
1 在有载分接开关的直流级差电压范围内起细调作用。
2 较少有载开关动作次数，以延长其寿命和检修周期，因此饱和电抗器的调压范围应大于有载分接开关的直流级差电压。
最大调压范围为
，最小调压范围为2-3倍有载开关的直流级差电压，以较少有载开关的动作次数，从而减少维修工作量。
3 调整由于交流电源电压短时波动，以及电解的少量出槽和增槽所引起的直流电流波动，直到实现所需要的直流电流值。
4 调整整流机组之间的负载分配不均。
5 饱和电抗器调压范围:
对铝电解而言,阳极效应电压45V,若稳流两个效应,取调压范围0～90V为宜，使饱和电抗器经常工作在调压范围的直线段。
2.6整流机组调压方法的选择
根据铝电解工艺的操作要求，系列直流电压需要按照电解槽的运行情况进行调整，系列直流电压的调压模式根据整流器整流元件的不同而采用不同的调压方法。
本设计采用二极管整流调压,其直流电压的调整主要依靠调压变压器的有载调压开关在交流侧实施，直流电压的调整范围根据铝电解工艺的要求一般为电解系列电压的2%-105%，电解铝正常生产的工作电压一般为额定系列电压的80%-85%。
在电解铝的生产过程中，会经常产生阳极效应，导致系列电压波动。
为了不使系列电流产生波动，需要尽快调整系列电压来稳定电流。
为避免有载调压开关的动作过于频繁，在整流变压器低压侧设置自饱和电抗器来进行无级调压，其调节范围为2个阳极效应电压（约90V），正常的电解铝生产过程中一般有30-90V的直流电压波动。
饱和电抗器的调节反应速度较慢，在深度控制的情况下，功率因数低，损耗增大，会导致整流机组的效率下降。
2.7整流机组的移相
为了增加整流装置的功率,减少整流系统对供电电网的谐波影响,经常需要在整流变压器上设置移相线圈。
这就使得整流变压器的电路趋于复杂,产品规格也相应增多,给设计和制造带来诸多不便。
因此有必要对整流变压器的移相联结方式进行分析,从中找出简化的方法。
对于一个由若千台整流变压器并联运行的整流系统来说,其整流变压器的移相一般都具有对称性。
也就是说,一个整流系统中总是需要有二台或二台以上的移相角度大小相等,方向相反的移相整流变压器并联,以达到多相整流的目的。
比如,由二台单机6相,分别移相正负15°。
的整流变压器可组成等效12相整流,由三台单机12相,其中二台分别移相正负10°,另一台不移相的整流变压器可组成等效36相整流,如此等等。
图1a为典型的曲折星形正移相（右移）的网侧绕组联结图,图lb为与之对应的电压相量图,图2a则为曲折星形负移相（左移）的网侧绕组联结图,图2b为与之相对应的电压相量图,移相角均为α。
以三相电网电压为基准电压相量,从图1、2中可以看出,正负移相的相
电压相对于基准相电压是对称的,但正负移相的绕组联结方式互不相同。
其他几种常见移相方式的正负移相结果也都是如此。
由此说明,对二台具有对称移相的整流变压器的结构本身,仅存在各绕组之间电气联结的方式不同,而其他都基本相同。
因此,只需找出一种无需改变绕组之间的联结方式,也能实现对称移相的方法,必然会给整流变压器的设计制造带来很大的方便。
现以图l正移相为例,分析得出对称的负移相的方法。
将图la的B,C二相出线端与三相电网的B,C二相反结,即B端与电网C相相结,C端与
电网B相相结,如图3a所示。
由于三相电网的相序对于整流系统是不变的,因此反结以后,变压器内部A、B、C三相的相序就发生了改变。
如果仍以三相电网电压为基准电压,则B相基准相电压相量等于C相主线圈和A相移相线圈的合成相电压相量,而C相基准相电压相量则等于B相主线圈和C相移相线圈的合成相电压相量。
这样一来,A、B、C三相的移相角α都在基准电压相量的右侧,如图3b所示,正好与图1b的移相角相反,也就是说反结后形成了与正移相对称的负移相。
可以证明,将A、B、C三相出线端的任意二相与三相电网的对应相反结,都能得到与电网正结时对称的移相角。
从以上分析可以看出,二台绕组联结方式相同的同样规格的移相整流变压器,只要在与同一电网联结时,一台正结,另一台的其中二相反结,就可以在这二台整流变压器上实现对称的移相。
这无疑使得整流变压器的设计和制造大为简化,尤其对电气结构复杂的主调合一式的大型直降式整流变压器更具有明显的优点。
同时也使得整流变压器系统中的整流变压器之间有了互换性,给设备的维护和检修都带来了方便。
这种方法简单易行,对整个系统的正常运行和供电电网都没有影响。
如下图中这2个二次绕组的同名端线电压之间的相位移为30°。
二次绕组是采用星角形式连接的二次绕组,可以使整流电路的脉波数提高1倍。
如果采用桥式整流电路,脉波数可达12。
通用公式为:
P=12N。
其中:
P脉波数;N并联变压器台数。
因此本设计中总脉波数为12*8=96脉波。
移相角为1.875°。
2.8额定参数计算
本铝厂建设年产30万吨电解铝,系列电流
，电解槽台数288台,工作槽电压4.2V,阳极效应45V,控制稳流两个效应。
单个400KA中间加料预焙阳极电解槽的产量：
0.3354×400×8760×0.95×
=1120Ton;
年产30万吨铝产量所需400KA预焙阳极电解槽的数量：
本厂取为288台；
系列平均电压:
系列平均电流:
平均有功功率:
系列最高电压:
系列最大电流:
最大有功功率:
整流机组额定直流电压:
本设计中取1400V
整流机组额定直流电流:
当N=8时,
，取61kA
额定空载直流电压
：
由于
中已经包括两个阳极效应，因此最高直流空载电压计算值
;
在通常计算中，可以用
来进行计算。
整流机组网侧额定容量:
考虑到电解铝工艺的特殊性，整流机组的配置一般按N+1的原则，即正常情况下整流机组全部投入运行，当其中一台出现故障或检修时，其余的整流机组仍能保证正常供电，因此400kA电解铝系列整流机组的台数为：
（400/61）+1=7.557台，取8台。
式中:
—槽平均电压V
—系列工作槽台数
—母线压降一般取5V
—整流效率
—正常工作槽电压V
—阳极效应电压V
—备用槽数
—同时产生效应槽台数
—整流机组数量（台）,包括备用机组。
2.9整流机组方案的最终确定
30万吨电解铝整流机组方案确定为:
采用220kV大型自耦调压整流机组,由大功率硅二极管形成整流功能,由调压变压器粗调,调压级数107级,额定电压档为102档，饱和电抗器细调,自动稳流,其中有载分接开关调压范围5%-105%，自饱和电抗器覆盖范围为90V（DC）。
单机P=12相桥式整流,共8套,构成P∑=8×12=96相整流系统,移相角为±3.75°。
调压整流变压器一次电压220kV,二次侧电压10560V。
直流额定输出电压1400V，理想空载直流电压为1613V。
直流额定输出电流61kA，网侧额定容量98637kVA。
整流主电路联结方式为三相桥式同相逆并联。
第三章整流器
3.1整流器的主要结构及技术参数
本设计采用卧式双层的同相逆并联整流器框架结构。
同相逆并联接线的整流器由日本富士公司首先推出，由于其结构为“对称性”配置，大幅度减少了整流柜内的电磁损耗，提高了同臂整流元件的均流系数，自80年代引进我国后得到了广泛的应用，并已国产化。
本设计整流柜交流进线从柜后上部引入和直流出线由柜底引出的进出线方式。
采用三相桥式整流接线，二极管整流。
型式为自支撑式。
每套机组分A、B两台整流柜。
每台整流柜设12个相臂，每个相臂上有7个二极管和7个快速熔断器组成，总共有AB柜共计分别有168个二极管快速熔断器组成。
3.1.1二极管和快熔主要技术参数
型号
5SDD5055N0002
标称管芯直径
4
英寸
管壳厚度
35
mm
标称正向平均电流
4700
A
标称正向方均根电流
7390
A
正向不重复浪涌电流
73.0
kA
电流平方时间积
27.5
反向重复峰值电压
5000
V
反向不重复峰值电压
5500
V
斜率电阻
0.107
门槛电压
0.8
V
双面冷却结壳直流热阻
5.7
K/kW
最高工作结温
150
℃
F
紧固力
91~108
kN
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