整流器结构设计需要注意的要点

◎蔡思捷

目前，对整流器机械结构而言，电化学用整流器可以按输出功率大小大致分为3 大类，见下表。

?

相对于其他用途的整流器，电化学用整流器在实际运行当中，有2 个显著特点：一个特点是输出电流大，小则几千安培，大到几万安培；另一个特点就是要长时间，甚至长年不间断连续运行。所以，电化学用整流器的机械结构设计，必须满足这2个方面的要求。

对于氯碱行业（包括湿法电解有色金属）用的中功率整流器（MPR），其结构设计，除了要满足上述2 方面要求之外，通常还要受到布叠场地和王建条件的限制。这方面与大功率整流器不同，如电解铝用大功率整流器通常会设有专门的变电整流所，布置场地和土建条件要服从大功率整流机组布置的要求。也不同于小功率整流器，一般小功率整流机组的机械结构可以做得很紧凑，不需要占太多的地方，受安装场地的限制相对较少。

盐水电解车间周围往往富含具有腐蚀性的气体、酸雾、蒸汽和碱液等。所以，整流器的防腐问题也很重要，整流器的结构设计必须要有防腐措施。因此，这里着重介绍中功率“整流器机械结构设计要点”。

中功率整流器MPR 机械结构设计的特殊性和基本要点见下表。

?

一、进出线方式类别

整流器的进出线方式主要有中进上出、下进上出和上进下出3 大类。此外，还有下进下出、上进上出2 种，但鉴于均流度不佳一般不推荐采用。对于小功率整流器，通常自成一体，进出线方式很灵活。

电化学用整流器绝大多数采用强迫循环水冷却。所以，有条件将整套整流装置（包括控制部分和冷却器部分）安装在一个一体化的、全密闭的箱柜内。对于中小功率的整流器，按一体化形式做成全密闭结构，类似于集装箱，比传统结构形式会有更多的优越性。

二、选择进出线方式的条件（参考）

厂房条件：

1.整流器的交流进线和直流出线位置，决定于厂房的实际条件。通常情况下，整流变压器位于地平面，或稍高于地平面。整流器直流出线经过直流隔离开关，直接与电解槽相连。因此，整流器的进出线位置取决于整流变压器出线处和电解车间进线处的高差。

2.电解（电化学）工厂，不论是有色金属电解、食盐电解或是电镀厂等，其周围都富含腐蚀性气体，尤其是采用湿法电解的工厂。为了减小腐蚀性气体对整流设备的危害，电解（电化学）工厂的整流变电所，应该建在电解槽厂房常年风向的迎风面。

3.采用湿法电解的工厂，不仅弥漫着腐蚀性气体，还会有酸性或碱性液体泄漏。因此，整流变电所的地平面应高于电解槽厂房的地平面。

4.为承重和抗振，整流柜的安装场地要有牢固的基础。

5.变压器和整流器之间须设防火隔离墙。

6.对于在户内安装的整流器，应设有把室内热空气传到室外的设施，以形成大环境下的空气循环。

7.随着自动化水平的提高，整流设备中大量地采用自动化控制装置（如计算机、微处理器、PLC 等）和精密的电子仪器仪表。为了设备的安全、稳定运行，需要采取特别的防护措施，保证其周围温度、湿度和洁净度符合要求，防止凝结露水、破坏绝缘等危害。

8.留出高压电缆（或架空线）供电通道。

9.冷却水供水管道和水一风热交换器的布置要合理。

三、整流柜母线布置及选择

（一）整流拒内母线布置要点

对于电化学用整流器，输人和输出电流太大，通常是采用大截面的铜（或铝）母线连接。所以，其交流进线和直流出线的位置，必须满足以下几点要求：

1.顺着电流的目标流向进行排列布置，必须避免母线交叉连接和来回折返。

2.连接母线应尽可能地短，尤其是阀侧交流母线越短越好。以减少功率损耗，提高运行效率。矩形截面的母线应立放，以利散热。

3.2 根电流相位相差180°的母线宜靠近布置（如同相逆并联布置），有利于降低母线感抗。

4.伸出柜外的连接断头需留有必要连接长度，一般不得小于200mm。

5.与变压器连接的母线须有一段软连接做缓冲，以减小连接母线对变压器引出端子密封圈的应力作用。

（二）整流器内母线损耗和允许电流密度

1.母线有功功率损耗△p。

△P=I2R（W）

式中：I——流过母线的有效值电流，A；

R——母线有效电阻，Ω。

单根矩形母线的有效电阻R 的近似计算式为：

式中：ρ——20℃时的电阻率，铜母线取1.69×10-8Ω·m，铝母线取 2.65×10-8Ω·m

l——母线长度，m；

b——母线厚度，m；

h——母线宽度，m

K1——集肤效应系数，取值范围1.1～1.4，母线大时去大值，母线小时去小值。

2. 一般情况下各母排的电流密度经验值（使用T2 牌号紫铜，铝排的电流密度值按铜排的1/3 到1/2 使用，理论值约为0.6）铜电阻率为0.017，导电率为58.1，铝电阻率为0.0265，导电率为35.3。

?

（三）整流器内母线表面处理

整流器内部的母线通常要作表面处理，尤其是安装整流元件和快速熔断器的接触面需要进行精细的处理。具体要求和特点见下表。

?

四、整流器及其柜体的设计

电化学用整流器，因为输出电流和冗余设计的要求，大多数需要多个整流元件并联。有保护的要求，每个整流元件支路需要串联1 只与之匹配的快速熔断器。每台整流器至少有6 个由整流元件、快速熔断器和母线构成的整流臂，同相逆并联连接的整流器由12 个整流臂构成6 个同相逆并联整流臂组件。整流器就是以6 个整流臂（或6 个同相逆并联整流臂组件）为主体，集合了电气连接、非电气连接、绝缘结构、冷却管道和散热器、整流管元件、压紧结构、快速熔断器装配、过电压吸收装置、水温和水压检测指示仪表、快熔损坏检测与指示信号等构成的功率单元。其作用就是交流电变换成直流电，为电解槽提供强大的直流电流。

整流器柜体是整流器的载体，对于柜式整流器还需要有柜体才具有完整性。

（一）整流器设计

以下着重介绍整流器内部构件的设计。

1.整流元件压装要求。

2.同相逆并联绝缘结构。

按同相逆并联连接的整流主电路，其绝缘结构的设计非常重要。在应用同相逆并联技术的过程中，存在一对矛盾。即同相逆并联的两整流臂之间的距离和二者之间的绝缘问题。为了获得理想的同相逆并联效果，要求二者之间距离越小越好。但是，会受到绝缘强度要求的限制。对于高电压大功率整流器，问题尤为突出。为了协调解决这个问题，结构设计可采取以下几项措施：

a.在保证两同相逆并联整流臂母线的中心直线距离不大于母线宽度2/3 的前提下，适当地拉开二者的距离。这样，仍然能够获得较好的同相逆并联效果。

b. 尽可能地增大同相逆并联整流臂之间绝对爬电距离，对于直流输出电压≥800V 的整流器，一般不得小于90mm。直流输出电压低于800V 的整流器，可按比例适当地减小。

实际运行参数：

实际输出直流电压1200V；

整流元件实际承受的峰值电压1620V；

同相逆并联交流母线之间的电压峰值3240Vo。

c.同相逆并联整流臂之间用绝缘板（厚度＞6mm）隔开，尽可能地避免在母线之间安装串通的螺杆。对于直流输出电压杂800V 的整流器，要求同相逆并联整流臂之间的耐压强度达到工频10kV。直流输出电压低于800V 的整流器，可以按比例适当地降低。

d.晶闸管整流器中，脉冲分配器原、副边之间的绝缘耐压强度，使其能够承受同相逆并联整流臂之间实际的最高电压。

e.加强同相逆并联整流臂之间的抗电动排斥力能力，降低振动噪声。同相逆并联整流臂间，相邻2 个锁紧点之间的间隔不得超过4 只元件。

3.过电压保护器件的安装。

过电压保护在整流器中很重要，这里仅从安装布置方面提出要求。整流器内存在的过电压分为换相过电压、操作过电压和外部过电压。

a.换相过电压是整流元件从正向导通转人反向阻断状态的过程中，由于载流子积累效应，而产生过电压。这是在实际运行直流输出电压为1200V，用示波器测得的二极管两端的电压波形，二极管承受的反向峰值电压为1620V。如果不加限制，反向电压峰值最大可以达到整流臂正常反压的5-7 倍。换相过电压采用并联在整流臂两端的RC 吸收。为了获得更好的过电压抑制效果，换相过压吸收电容必须靠近整流臂安装。

b.操作过电压是由于切断电感电流（如变压器励磁电流）在整流器交流进线侧引起的过电压，外部过电压是由供电系统或直流侧引人的过电压。这两种过电压都不会频繁发生，只会在操作过程中才有可能出现。所以，抑制电路可以安装在整流器内部，也可以移出整流器。

（二）整流器柜体设计

除自撑式整流器之外，其他电化学用整流器均为柜式结构。所以，整流器柜体结构设计及其所用材料的选择也非常重要。根据整流器柜体的功能和作用，其设计要点主要有：

1.柜体强度设计。

a.静态条件下的承重要求；

b.抗吊装和运输过程中的动态冲击；

c.满载运行情况下的抗震和噪声等级要求；

d.保证短路状态下的机械稳定性。

2.柜体防护等级。

按照家标准GB4208（IEC529）“外壳防护等级的分类”的规定，整流器柜体通常采用的防护等级见下表。

?

3.柜体防磁。

前面已经提到，电化学用整流器的运行电流有3 个突出的特点：第一，输人输出电流大，小则数千安培，大到几万安培；第二，从变压器阀侧输人到直流汇流点，各相和各整流臂中所流过的电流都是交变的；第三，各整流臂内流过的电流波形近似梯形波，含有丰富的高次谐波成分（注：直流输出电压越高，直流回路电感越大，整流臂内电流波形更接近于矩形波，所含高次谐波分量也就越大）。

大电流交变电流会产生交变磁场，交变磁场的危害主要表现在：第一，因电磁感应（涡流或环流）引起柜体和整流器内部钢铁构件局部过热（严重情况下，会导致局部被烧红），并产生附加损耗；第二，引起各相、各整流臂以及整流臂内各并联支路之间电流分配不平衡。

钢结构整流器柜体的防磁，目的在于防止大电流交变磁场引起柜体钢构件局部过热。实际设计当中，可以综合具体情况，采取以下措施：

a.整流主电路联结采用同相逆并联技术，能很好地从根本上解决大电流交变磁场带来的一系列问题，包括柜体发热问题。可是，同相逆并联技术，由于结构相对比较复杂，不一定适合所有的电化学用整流器。如低压大电流整流器（功率小，体积小，不宜采用同相逆并联结构）和高电压大电流整流器（直流电压太高，防直流短路困难，不宜采用完全的同相逆并联结构）。

b.根据电磁感应原理，采用屏蔽措施。在母线和可能发热的柜体钢构件之间，加上1 块高导磁、高电阻率的磁屏蔽板（如硅钢片），给交变磁场提供旁路，或者采用不导磁、电阻率很低的反磁材料（如铝板）构成电屏蔽（由涡流电流产生反向磁场阻止交变磁场的穿透作用）。然而，这种方法可行性很有限。

c.为了隔断柜体构件形成的闭合磁路，或者切断可能形成的环流，可以部分采用非导磁（或不导电）材料，如不锈钢材料，合金铝材、钢化玻璃、绝缘材料、工程塑料等。需要焊接的骨架，在可能发热的部位采用不锈钢材料，如1Cr18Ni9Ti；交直流进出线位置，采用高（机械和绝缘）强度的环氧酚醛层压玻璃布板，如3240，346 等；支撑整流臂的承重梁，可以采用铝合金型材或绝缘材料，如角铝、槽铝、绝缘角、绝缘槽、绝缘条、绝缘棒等；柜门可以大面积地采用钢化玻璃制作；各种管、套等部件，也可以采用工程塑料制造，如ABS，PPO 和PPR 等。

d.在空间尺寸允许的条件下，增大导电母线与柜体钢铁构件之间的空间距离，也是非常有效的防磁方法。如焊接成形的柜体骨架，闭合环路不可避免，必须增大通有文变电流的母线与闭合环路之间的空间距离。经验证明，如果没有反方向电流起抵消作用的话，这个距离不得小于300mm。

4.柜体防腐。

钢结构整流器柜体的防腐处理措施主要有：

a.表面着漆，可以喷漆、烤漆或泳漆，漆层厚度（底漆+面漆）不得小于100μm。

b.表面喷塑，喷塑的防腐效果最好，覆盖层厚度不得小于80μm。