直流供电技术在石墨化炉工程中的应用及研究

韩丁富

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

随着全球新能源产品的快速发展，锂电池负极材料的市场需求量大幅增加，石墨化产能快速增长，新增石墨化炉也随之增长。石墨化炉采用电能加热方式，因此电耗成本占比较大，其节能降耗的研究也深受行业重视。

石墨化是指在高温下，以热能引起的运动为基础，使碳元素微晶由无序状态过渡到有序状态，采用电加热方式。近年来，有很多文献对石墨化供电技术进行了研究，文献[1]针对石墨化整流装置的快熔断路器参数进行了探讨；文献[2]和文献[3]对石墨化整流机组直流电流及直流电压与石墨化炉的参数进行了研究，得到了供电装置的最优匹配参数，既能保证石墨化产品的质量，又减少能耗；文献[4]分析了交流供电存在负荷不平衡问题，对交直流供电能耗进行了对比，最后并指出石墨化炉供电是朝着快曲线、高密度、大功率的方向发展。这些研究成果对石墨化炉直流供电中的技术提供了重要参考。

1 交直流供电的优缺点

石墨化采用的是电加热方式，电加热方式可以分为交流供电和直流供电，2 者各有优缺点。

1.1 交流供电

交流石墨化炉的有效电功率为

式中：P为石墨化炉有效电功率；U为变压器输出电压；cosφ为网路的功率因数。

输入石墨化炉的有效电功率在电流和电压一定的情况下，会随着功率因数的大小而变化。石墨化炉全网路的功率因数计算公式表示为

式中：R为网路总电阻，包括炉芯电阻和导电电极及导电母线的电阻；X为全网路的感抗；Z为全网路总阻抗。

交流石墨化供电一般采用单相交流供电方式，由于容量较大，单相交流负荷对三相平衡有严重影响。同时，交流石墨化炉受感抗影响，功率因数降低，特别通电后期功率因数会下降到0.5 左右，全炉的平均功率因数是0.75 左右，因此必须安装一定数量的电容器提高交流石墨化供电网路的功率因数。

1.2 直流供电

为解决交流供电对三相电网的影响和交流供电设备功率因数低的问题，我国从70 年代开始自行设计和制造了多种不同容量的直流石墨化供电设备。其中，直流石墨化供电设备包括变压器和整流机组。

石墨化炉直流电压一般不超过200 V[4]。随着石墨化炉直流电流的加大，目前单机组最大电流可以达到360 kA，容量可以达到32 000 kVA，因此采用双反星形结线较合理，这样可以减少元器件数量，降低损耗，同时也可以使同一整流臂内各并联整流元件间的电流均匀分布，缩短换相过程，提高整流效率。

根据整流技术原理，交流变直流是依靠移相多重联结的整流电路，因此直流供电存在的问题是谐波对电网的影响。整流机组使用的整流脉波数量越多，整流桥产生的低次谐波相互抵消就越多，谐波抑制能力越高。石墨化整流机组采用单机组12 脉波形式，单机组在电网侧汇流处经过叠加抵消，电网处仅存12×n±1(n为正整数)次谐波，基本上消灭了幅值较大的5 次和7 次谐波。

2 整流器

2.1 整流器结构设计

针对石墨化整流器，设计一种可靠性更高、结构新颖、使用安全以及性能优良的大电流整流器，对石墨化炉的安全正常运行具有重要的作用。

在石墨化炉设计整流器技术方案时，需要注意以下问题。第一，整流器结构选材需要满足涡流发热的材质，同时采用同相逆并联使整流臂产生的外部磁场空间成对抵消。第二，冷却装置方案需要简化水路系统又要减少电腐蚀。第三，尽可能降低外部过电压对整流器主柜的危害。

2.2 过电压保护

过电压保护分为操作过电压、换相过电压及直流过电压3 种：操作过电压保护电路在分合闸时产生的电压；换相过电压是由于二极管在换相结束后，不能立即恢复阻断能力，此时有较大的反向电流流过，反向电流会因线路电感在器件两端产生的过电压；直流过电压指直流侧发生雷击等侵入的过电压[5]。

针对整流器的过电压保护可以采取R-C吸收回路，根据不同的过电压类型，需要选择合适的R-C参数和安装位置。

2.3 过电流保护

整流电路中元件失去阻断能力造成的短路：一是加在整流元件上的反向电压超出元件承受电压，击穿整流元件；二是整流元件过热击穿，使整流元件失去反向阻断能力。

整流元件过流保护采用快速熔断器与整流元件串联的方式进行保护，快速熔断器参数的选择既要考虑过电压击穿和过热击穿保护的双重特性，同时快速熔断器的I2t必须小于整流元件的I2t。

2.4 继电保护

整流器除了设置硬件保护外，为提高系统的运行安全，还需要设置非电量保护和继电保护。由于石墨化炉一般为单机组整流，单机组整流电流比较大，对元件的过电流保护比较重要，而石墨化直流电压一般不超过200 V，对电压保护主要是防止雷击过电压和操作过电压。

3 直流测量

石墨化炉为直流大电流供电，其直流的准确测量关系到效率、控制和电耗核算及节能技术的应用等重要问题。目前对直流大电流的测量方法主要分为直接测量法和间接测量法[6]。

（1）直接测量法。一是通过电阻上的压降来计算直流电流；二是根据被测电流建立的磁场，通过测量跟磁场有关的参数如磁通、磁势等来测量电流大小。其主要的测量方案如表1 所示。

表1 直接测量法方案

（2）间接测量方法。通过整流技术原理，阀侧交流和直流电流存在某种对应关系，通过对应关系实现直流电流的测量，三相桥式整流电路如图1 所示。

图1 三相桥式整流电路测量原理

图1 反映了通过测定交流电流间接测量直流电流的原理，电路中iA、iB、iC电流波形与ia、ib、ic和i1、i2、i3完全相同，而流过电缆表A 中的电流i1、i2、i3各取半波相加，因而可写成

在忽略变压器励磁电流的情况下，电流表A 的指数IM完全可以表示直流电流Id。整流变压器一次电流是励磁电流和负荷电流的合成，因此在不可控整流机组中，整流变压器的励磁电流引起的测量误差很小[7]。由于石墨化炉为单整流机组，单机组电流超过200 kA，通过传统方法直接测量，存在精度低、设备大型化安装困难以及价格高等缺点。而采用间接测量时石墨化炉不需要控制某一时刻的直流电流，只需要控制总功率，就可以保证产品质量。因此与传统测量方法相比，间接测量方法更适合石墨炉的直流测量。

4 直流母线

为减少投资，石墨化炉主母线采用铝母线，母线电流密度越低，母线温升越低，运行损耗越小。由于石墨化炉电流大小随着炉子的炉组不断变化，同时石墨化炉可以间断生产，每炉之间有生产间隔时间，在停炉时间段母线可以冷却，母线电流密度不需要要求很高。目前石墨化主铝母线电流密度可取0.5 ～0.7 A/mm2，铜母线可取1.0 ～1.5 A/mm2。为减少接触电阻，石墨化电极接头与铜母线连接，铜母线与铝母线的接触面之间搭接面的电流密度一般不大于0.1 A/mm2。同时，为降低母线温升，改善母线安装空间的通风条件，设计时可以把铝母线分成多片，每片之间间隔一定距离。

5 结 论

文章研究了整流器结构设计方案需要注意的问题，并给出了整流元件的过电压、过电流及继电保护等方案。通过分析现状直流测量方法的优缺点，给出了适合石墨化炉直流测量的方案，同时分析了直流铝母线损耗大、温升高等问题，结合经济效益给出了合理经济电流密度。随着新能源材料技术的发展，利用直流技术提高电能质量、减少系统损耗、增强供电可靠性及提高经济效益有较大的发展空间。