离子膜整流技术方案

温泉

（河北盛华化工有限公司，河北 张家口 075000）

河北盛华化工公司针对离子膜的高效率生产，选用国内一流的高低压控制柜、整流变压器、整流柜及为电解槽在开停车时提供电源的极化柜。

离子膜系统整流设备的选用和维护保养是保证正常生产的前提，对整流设备的设计要做到严、细、实。

1 整流变压器

1.1 作用

整流变压器将交流电网电压变换成整流装置所需要的电压，并通过相数和相位角的变换，改变交流和直流侧的运行特性。可将整流设备与电网电路隔离起来，确保设备的安全并且限制短路电流，减少整流设备对电网和其他并联运行设备相互间的电磁干扰，抑制晶闸管等整流原件的电流上升率。

1.2 等级

整流变压器的等级见表1。

表1 电压等级

1.3 设计

根据烧碱的生产能力和离子膜承受的容量选择整流变压器。整流设备为非线性用电设备，在整流设备运行时，在从电网汲取有、无功率的同时，还向电网注入一定高次谐波电流。谐波电流的注入，造成电网电流电压的波形发生畸变，将威胁电网的安全运行。当等效整流脉波数（P）一定时，整流设备注入电网的谐波电流含量为Σ（In），是与整流设备的受电功率成正比的。在选择整流站的电源电压等级时，必须协调好这二者之间的关系，还必须兼顾整流变压器对网侧电压的某些特殊要求。例如，变压器的容量＞8 000 kVA时，网侧电压尽可能不采用10 kV，否则，变压器的某些技术经济指标将恶化。

1.4 移相

大容量整流设备，其核心部件整流原件的V-I特性为非线性，所以，整流设备对为其提供的电网来说是非线性用电设备。移相变压器实质上是输入输出电压幅值相等但相位不同的自耦变压器，又分为叉形接线、多边形接线。

1.5 特点

整流变压器常采用三相桥式或六相双反星带平衡电抗器的整流电路。但这2种接线方式在不移相的情况下脉波数P只能达到6，而大型整流变压器为了提高功率因素，减少交流电网侧的谐波电流，脉波数为P=6是不够的。脉波数为P=12的整流变压器组通常由移相角为30°的2台整流变压器并联构成1台整流机组；而脉波数大于P＞12的整流变压器组则由P/12台整流机组并联构成，各机组间依次形成（360/P）°移相角，等效形成多脉波。35 kV及以下整流变压器接线原理图见图1。

图1 35 kV及以下移相自耦式线端调压整流变压器接线原理图

1.6 寿命

有载开关的寿命在国家标准 GB10230-88中，做了明确规定：机械寿命50万次，触头电寿命20万次。

1.7 原理

为了提高电能质量，整流变压器的输出波形不像电力变压器，在1个周期内只有3个正弦波，而是根据网侧电压和装机容量，确定每台变压器在1个周期内，整流变压器的脉波数为6～12个，用以改善整流装置的高次谐波对电网和通讯等设备的影响。

2 整流变压器的选用

2.1 容量的确定

整流变压器的容量为型式容量。计算方法是将整流变压器有效材料的消耗折算成双绕组无励磁电力变压器的容量。

2.2 铁心磁通密度的选取

铁心磁通密度的选取主要受噪声的控制。一般来说，12脉波整流变压器的磁通密度可按普通的变压器选取。

2.3 谐波电流影响

谐波电流一是引起变压器内部的附加损耗和温度升高；二是引起交流电源系统的波形畸变。

2.4 铭牌容量运行

整流变压器负载能力问题实际也是温升问题，负载能力决定了变压器的容量。也就是在设计上要符合生产规模。

2.5 抑制环流问题

由于12脉波整流变压器的2个二次绕组一为Y形，一为d形，各接1组三相桥式整流器并联运行，同时向负载供电。其电路原理图见图2，对应的脉波见图3。

图2 12脉波整流变压器整流电路原理图

3 整流装置控制及保护

（1）电化学电解的设备是电解槽，要以直流电通过，在阳极接正，阴极接负，食盐溶液才能发生电化学反应，在阳极产生氯气，在阴极产生氢气和氢氧化钠溶液。晶闸管伏安特性的非线性是产生整流作用的物理基础。利用二极管的单相导电性，晶闸管的控制极特性实现整流过程的装置就是整流器，二极管整流器是晶闸管整流器在控制角为零时的特殊情况。简言之，就是将交流转化为直流的装置。

图3 12脉波整流变太器整流电波形

表2 Y、d连接绕组常用匝比组合

镇流器和整流器区别：整流器是把交流电变成直流电的设备；镇流器是一个铁芯电感线圈，当线圈中的电流发生变化时，在线圈中将引起磁通的变化，从而产生感应电动势，其方向与电流的方向相反，因而阻碍电流的变化。

（2）河北盛华化工公司采用的是株洲四方电气有限公司的整流柜和控制柜装置，是为配合国家对铝电解、烧碱等高能耗生产企业降能减耗政策的贯彻执行，以最新研制开发的HBC-1型控制板、高性能机组PLC及触摸屏为自动化监控核心，其创新主要表现在数字调节器，采用Fuzzy-PID控制，系统更稳定，响应速度更快。

（3）整流柜的铜牌因为电流产生的热量非常大，必须配备降温冷却系统。

（4）电解槽的极化电源的作用是当离子膜电解槽在运行中突然停电时，就相当于1块蓄电池，会产生反向的自放电，造成电解槽极板被腐蚀或氧化，如果极化电源送得不及时，就在两槽间形成与正常工作电流相反的电流，而反方向的电流将直接影响涂层的寿命，降低电解槽的寿命，使过电压升高。极化电流是在主整流器停电时，向电解槽提供防止腐蚀的应急电源。

极化电源应保证随时可以自动投入运行，具有稳流稳压控制功能，实现自动切换。直流输出带平波电抗器，如果没有平波电抗器，输出电流是不连续的脉动电流。

要根据离子膜电解槽的要求来配置极化电源的额定电流和电压。

（5）离子膜系统中有许多种保护措施，防止事故的发生。整流变压器的保护有电流速断保护、过流保护、过负荷保护；整流设备的保护有失同步保护、回零保护、脉冲缺相保护等。

4 离子膜电解槽频繁开停车的影响

当发生事故突然停电时，电解槽会产生很大的反向电流，形成电池效应。如果不及时通入极化电流或处理不当，将会因阳极液和阴极液中的电解质相互扩散和水反向迁移扩散，导致膜起泡。同时，因停电产生的反方向电流会使阳极网活性涂层大量脱落，损坏阳极网。频繁开停车使得离子膜频繁地升温和降温，膜随之频繁地膨胀和收缩，使膜过度疲劳，造成膜物理松弛，性能下降。停车后的电池效应也会缩短离子膜的使用寿命。