陽楚君，程明昊

（1.宜賓天原技術中心，四川宜賓644004；2.宜賓天原海豐和銳，四川宜賓644004）

復極式離子膜槽一體化整流裝置結構型式探討

陽楚君1，程明昊2

（1.宜賓天原技術中心，四川宜賓644004；2.宜賓天原海豐和銳，四川宜賓644004）

介紹了復極式離子膜電解槽一體化整流裝置的結構及保護的配合，列舉了該裝置的優(yōu)缺點。

復極式離子膜電解槽；一體化；整流；結構；保護

1 概述

整流裝置的功能是將普通三相交流電能轉換為直流電能。對氯堿化工而言，伴隨著電槽的技術進步，經(jīng)歷了石墨陽極電槽、金屬陽極電槽、離子膜電槽階段，整流器也經(jīng)歷了水銀整流器、二極管整流器、可控硅整流器階段。在控制方式上，也由模擬控制發(fā)展為數(shù)字式計算機控制。

現(xiàn)在，新建離子膜電槽裝置以復極式離子膜電槽為主，膜片面積多為2.7 m2/片，離子膜電解槽特點是電流密度高、直流電壓高、直流電流小、向低電耗方向發(fā)展，電流密度通常為4.5～5.5 kA/m2，單槽電壓為3.2～3.4 V，電槽數(shù)量為128～156片，直流電流為12～15 kA。

目前常用的整流裝置結構形式有2種。

（1）第1種形式又分為2類，一類為1個供電回路供1臺自耦調(diào)壓＋1臺整流變壓器＋1臺整流柜的方式，如圖1（A）所示。結構形式為全分立式，特點是檢修方便，占地面積大，裝置效率不高。另一類為1個供電回路供1個調(diào)變帶1個整變（共油箱結構），1個整變帶1個整流器再帶1只電解槽的形式如圖1（B）所示。帶2只電解槽的形式見圖2。1機帶1槽方式叫作“1供1機帶1槽”，其特點是占地面積比前方案少，裝置效率同前；1機帶2槽方式叫作“1供1機帶2槽”，其特點是占地面積比前方案少，裝置效率同前，電槽的容量小，便于夾緊，電槽直流導排短。

圖2 1供1機帶2槽的整流裝置結構

（2）第2種形式是在第1種形式的基礎上衍生出的，為1個供電回路供1個調(diào)變帶2個整變（共油箱結構），1個整流變壓器帶1個整流器，再帶1只電解槽，即1個自耦－整流變壓器帶2只電解槽，如圖3所示。這種1機帶2槽方式叫作“1供2機各1槽”。

圖3 1供2機各1槽的整流裝置結構

在此基礎上，又衍生出另一種的結構，1個供電回路供1個調(diào)變帶2個整變（共油箱結構），一個整流變壓器帶1個整流器，再帶2只電解槽，即1個自耦－整流變壓器帶4只電解槽，如圖4所示。這種1機帶4槽方式叫作“1供2機各2槽”。

圖4 1供2機各2槽的整流裝置結構

第2種方式相比于第1種方式，有明顯的優(yōu)點，由于采用調(diào)壓變壓器和整流變壓器共箱體的結構，使得設備造價降低，同時降低了損耗；減少了設備占地面積。

2 一體化整流裝置結構的設想

在上述基礎上，考慮將整流元件整合在變壓器箱體內(nèi)，組成一個整體，使整流裝置變?yōu)橐惑w化結構。

整流元件額定電流的大型化發(fā)展趨勢使得整流橋臂單臂元件的數(shù)量由最初的十幾只共橋臂，發(fā)展到2~4只共橋臂，使得整流柜結構大為簡化。目前，額定電流6 500 A的整流元件已處于實用階段。整流元件的大型化發(fā)展趨勢為一體化整流裝置的出現(xiàn)提供了實現(xiàn)的可能。

復極式離子膜電槽具有電流密度大，比金屬陽極槽電流較小，電壓較高的特點。目前，常用離子膜電槽額定電流約12~15 kA，額定電流為15 kA的離子膜電槽，常用配置為三相橋式非同相逆并聯(lián)全控整流電路，臂電流平均值為5 kA；對額定電流6.5 kA的元件來說，已經(jīng)能滿足實用需求，考慮安全運行的需求，可考慮單臂2只元件。

對一體化整流裝置，初步設想從整流元件安裝部位及油箱進行分類。

（1）整流元件安裝位置可分為2種，一種為整流元件安裝在變壓器上部，如圖5所示，另一種為整流元件安裝在變壓器側面，如圖6所示。

圖5 整流元件安裝在變壓器上部的結構示意圖

圖6 整流元件安裝在變壓器側面的結構示意圖

整流元件的2種安裝位置都涉及到更換元件時要打開檢修孔，打開檢修孔之前要放掉變壓器油到儲油箱，打開檢修孔，更換元件后，關閉檢修孔，將儲油箱中的油注入變壓器內(nèi)或整流元件室內(nèi)，排氣靜止完畢后投運。元件上部安裝檢修放油閥的位置設置高于變壓器鐵芯，保證變壓器油淹沒鐵芯和線圈。

（2）從共箱體結構上來說，也可分為2種。

a.分油箱方式，整流元件和變壓器從外觀上看是共箱體結構，但整流元件安裝空間內(nèi)的冷卻油與變壓器油箱的油進行隔絕，此種結構可考慮為變壓器冷卻方式為自然風冷，整流元件的冷卻為油水冷卻方式。這種方式存在冷卻系統(tǒng)復雜，而且變壓器多為室內(nèi)布置，涉及夏季室內(nèi)環(huán)境溫度高的問題?，F(xiàn)在，整流裝置的交流供電多數(shù)為35 kV電壓供電，變壓器容量多數(shù)為8 000～16 000 kVA，對變壓器油的質量要求一般，采用分隔式箱體，即使整流元件內(nèi)箱體內(nèi)的絕緣油質量下降，對設備的整體安全運行影響較小。這種分油箱結構附屬設備沒有得到簡化。

b.共油箱方式，變壓器與整流元件在1個共通的油箱內(nèi)，即完全共箱體機構，這種結構只適用于油水冷卻方式，且整流元件應安裝在變壓器上部，便于檢修更換元件，減少檢修工作量和工作時間；不足之處是整流元件處在變壓器的上部高油溫度之中，對元件冷卻和元件容量提出了新的要求，需要認真考慮。

這種共箱體結構的最大特點是，減少了用于元件保護的快速熔斷器和純水冷卻裝置，從而使整流裝置的結構大大簡化，減少了裝置的體積，廠房占地面積減少，維護工作量減少。而要實現(xiàn)這個功能，必須做好相應保護的配合及設置。

常為末端配電。

圖8 三段式電流保護功能曲線圖

3 一體化整流裝置保護的配合

目前，整流裝置的保護通常由交流保護和直流保護2部分組成。交流保護通常是變壓器的常規(guī)保護，有電流保護（電流I段，電流II段）、重瓦斯、輕瓦斯、變壓器溫度高、變壓器過負荷保護。直流保護有直流過流、直流過載、相應的整流柜保護（元件故障、水壓低、水溫高、臂過熱）。

一體化整流裝置為交流保護部分改動不大，考慮到元件側無快速熔斷器，可將變壓器的過負荷報警改為過負荷跳閘功能，做為后備保護。由于沒有快速熔斷器和純水冷卻裝置，對于這部分保護的配合，應從以下幾個方面實現(xiàn)。

現(xiàn)有的整流變壓器由于調(diào)壓變壓器和整流變壓器共箱體，通常在調(diào)壓變壓器出線側，即整流變壓器網(wǎng)側配置1組交流電流互感器，暫且將此互感器命名為TA，用于可控硅精度控制的后備反饋信號（直流傳感器信號為主反饋信號，當主反饋信號故障后，自動啟動后備反饋信號），電流互感器設置位置圖如圖7所示。

圖7 電流互感器設置位置圖

在選用此型電流互感器的時候，選擇工作性能穩(wěn)定，精度高的產(chǎn)品，充分利用好此組電流互感器。

（1）將TA互感器中的一組直接引入變壓器保護裝置，做為電流III段保護（電流I段、電流II段的后備保護）。目前常用的變壓器保護裝置都具有三段式電流保護功能，如圖8所示。可在不增加設備投資的情況下，增加1組電流保護。此組保護引入后，在保護定值和保護時限上應做好配合，整流變壓器通

電流I段定值設置，按躲過變壓器勵磁涌流或變壓器閥側短路電流進行設置，Id1＝Kk·IMAX在變壓器勵磁涌流Iej和變壓器閥側短路電流Id2MAX中選取，時限為0.0～0.1 s；Kk為可靠系數(shù)，通常取1.3~ 1.5。

電流II段定值設置，按躲過變壓器最大負荷電流進行設置，Id2＝Kk/Kf·Ie；Kf為返回系數(shù)，通常取0.85，時限為0.3～0.5 s。

電流III段電流可看作是對元件過流的主保護和直流過流的后備保護，按直流額定電流在整流變壓器閥側的額定電流進行整定，由于電流III段信號采樣取自調(diào)壓整流變壓器網(wǎng)側，其與直流電流Id之間存在一個固定比例關系。由三相橋式整流電路電量關系可知，互感器TA側電流與直流電流Id存在以下關系：ITA＝0.816 Id/Ku，Ku為整流變壓器網(wǎng)側與閥側電壓比。電流III段電流定值可整定為Id3＝Kk·（0.816Id/Ku），此處，Kk建議取1.1，時限為0.6～0.9s。

電流II段和電流III段的保護是不同的。變壓器額定容量是按電槽后期，槽電壓升高后所需容量考慮的，即在電槽初期和中期電槽運行時，即使直流電流已經(jīng)達到了電槽設計額定值，但槽電壓并沒有達到最大值，此時，變壓器未在額定容量運行，而TA側反映的電流已經(jīng)達到電槽設計的額定值。

（2）對元件擊穿故障保護設置的方法即如何實現(xiàn)現(xiàn)有整流裝置元件故障的保護?，F(xiàn)有裝置的元件故障保護是靠快速熔斷器熔斷后驅動微動開關，實現(xiàn)保護的功能。在一體化裝置中，通過采集TA側交流電流和直流傳感器的直流電流進行比較的方法實現(xiàn)元件故障報警功能，原理圖如圖9所示。

圖9 整流裝置元件故障的保護的框圖

如前述，TA側的交流電流與直流傳感器反映出的直流電流存在一定的固有比例關系，通過微處理控制上的參數(shù)設置，微處理控制器在線比較兩者的差值。在設備正常運行時，通過微處理器反映出的直流電流Idta（TA交流信號折算的直流電流）與直流傳感器檢測到的直流電流Id誤差應該是很小的，其精度取決于信號采樣模塊和A/D模塊的工作精度。當出現(xiàn)元件擊穿故障后，Idta遠大于Id，此時，可判斷為元件有擊穿故障，判斷依據(jù)可設定為Idta≥（2～5）Id，信號動作與跳閘。此保護功能主要用于保護設備開車或低負荷運行時出現(xiàn)的元件擊穿故障，與電流III段保護的最大不同在于在設備開車或低負荷運行時，出現(xiàn)元件擊穿故障后，TA反映出的短路電流很可能達不到動作于電流III段的定值。例如，當A＋元件故障擊穿故障后，在B＋，C＋導通的時間內(nèi)，短路電流通過A＋元件直接對從A相對B、C相短路，在剛開車或低負荷時，由于閥側電壓很低，且B＋，C＋導通時間是斷續(xù)的，短路電流也不同于閥側直接短路，此時，短路電流達不到電流III段的定值，電流III段的保護不能起到保護作用。

（3）浪涌電流是元件通以額定通態(tài)平均電流穩(wěn)定后，在工頻正弦波半周期間元件能承受的最大過載電流，通常用ITSM表示。浪涌電流通常用額定通態(tài)電流的倍數(shù)表示。當直流側短路時，由三相橋式電路參數(shù)關系可知，穩(wěn)態(tài)閥側峰值電流IVIM＝0.816 UVO/XT，瞬態(tài)閥側峰值電流峰值電流IVSM＝0.816 KSUVO/XT。式中UVO為閥側線電壓；XT為折算到閥側等效阻抗；KS為電流計算系數(shù)。

每只元件的浪涌電流曲線都不一致，而采用快速熔斷器進行保護的一個選擇條件即是快速熔斷器的熔斷特性曲線應與元件浪涌曲線進行比對，從而保證在發(fā)生故障時，快速熔斷器能快速準確切除故障，確保元件不受損壞。

一體化整流裝置取消了快速熔斷器，保護元件在浪涌電流的范圍內(nèi)能準確動作，盡量確保元件在短路故障時不致?lián)p壞，僅靠在交流側設置交流保護實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方式為利用整流變壓器網(wǎng)側的電流互感器TA進行保護功能實現(xiàn)，利用前述的電量關系式，計算發(fā)生短路時，折算到閥側的瞬態(tài)閥側峰值電流IVSM，而IVSM與TA所反映出的電流關系存在固有變比關系KU，可將此電流引入微機保護裝置，定值設定值小于IVSM/KU，時限考慮零秒左右為宜。保護動作時間設置為零秒主要是考慮微機保護裝置的固有邏輯執(zhí)行時間和高壓斷路器的固有動作時間，實際動作時間約為0.08 s，實現(xiàn)代替快速熔斷器保護元件不受浪涌沖擊而損壞的功能。

（4）在整流元件上裝設溫度傳感器，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)较潴w外進行實時顯示，可設2個溫度值T1和T2，T1≥T2，T1用于跳閘，T2用作報警。同時，實時溫度顯示也可作為元件均流狀況的參考數(shù)據(jù)。

（5）對直流過流、直流過載可按現(xiàn)有裝置的配置方式進行。

4 一體化整流裝置的優(yōu)缺點

（1）由于采用一體化裝置，減少了一部分設備，使結構變得簡單，減少了啟車及停車時的很多環(huán)節(jié)，使整流操作變得簡單易行，即使對于工藝操作人員來說，經(jīng)過簡單培訓即可上崗，但變壓器的高壓停送電仍應由電氣專業(yè)人員進行）；增強了整流操作界面與工藝DCS界面的融合，自動聯(lián)調(diào)整流裝置與電槽運行參數(shù)。現(xiàn)有整流裝置隨時可實現(xiàn)整流操作界面與工藝DCS界面的融合，但整流裝置的輔助操作較多，使得實用性大打折扣。

（2）交、直流導排大大縮短、省掉了快熔元件，使得整流器部分得到極大簡化，提高了整流效率。

（3）與變壓器共用1套油水冷卻器可省掉整流柜的純水冷卻器，整流裝置附屬設備得到了簡化。

（4）整流柜與變壓器共箱體機構，使得更換元件變得稍顯麻煩，需將整流元件箱體內(nèi)的部分變壓器油放進儲油箱后進行處理，且檢修后，需將原變壓器油用油泵打回整流元件箱體內(nèi)，在檢修過程中對檢修環(huán)境濕度、粉塵、無污染物、檢修時間、工作衛(wèi)生質量有一定的技術要求。

隨著整流元件單只容量的不斷增大以及制造商的積極參與和應用廠家的配合，一體化整流裝置的應用前景將更加廣闊。

Discussion of Integrated rectifier structure of bioplar type ionexchange membrane electrolyzer

YANG Chu－jun1，CHENG Ming－h(huán)ao2
（1.Yibin Tianyuan Chemical Co.，Ltd.，Yibin 644004，China；2.Yibin Tianyuan Haifeng Herui Chemical Co.，Ltd.，Yibin 644004，China）

The integrated rectifier structure of bioplar type ion-exchange membrane electrolyzer was introduced.The advantages and disadvantages of integrated rectifier was pointed out.

bioplar type ion－exchange membrane electrolyzer；integrated；rectifier；structure；protection

TQ114.26+2

B

1009－1785(2011)03-0025-04

2010－09－27