- 半導(dǎo)體整流器的熔斷器保護原則
- 參數(shù)選擇對整流器的安全穩(wěn)定運行的意義
- 因熔斷器額定值選擇偏小造成的問題及表征將舉例說明
- 按照N-1模式設(shè)計系統(tǒng)
- 5號快熔為二極管和晶閘管提供保護
摘要：整流器是電解鋁廠的核心設(shè)備，一旦投運，不允許較長時間的停機。否則會造成巨大損失，甚至導(dǎo)致鋁液在電解槽中冷卻凝結(jié)。這時除了產(chǎn)出損失，客戶還要投巨資修復(fù)故障的電解生產(chǎn)線。如果熔斷器選型不當，造成爆炸，還會危及操作人員的生命安全。
本文重點介紹快速熔斷器在電解鋁行業(yè)中大功率整流設(shè)備上的應(yīng)用，對在其他行業(yè)中的應(yīng)用也有提及。
本文首先闡述了半導(dǎo)體整流器的熔斷器保護原則，隨后對選型涉及的幾個關(guān)鍵參數(shù)做了說明。這些參數(shù)選擇對整流器的安全穩(wěn)定運行的意義也將逐一解釋。其后對因熔斷器額定值選擇偏小造成的問題及表征將舉例說明。
文末介紹了庫柏波士曼公司新開發(fā)的五號快速熔斷器在提高整流器輸出能力、提高系統(tǒng)效率、優(yōu)化客戶投資等方面的優(yōu)勢。
1. 介紹
高參數(shù)快速熔斷器主要用于大功率半導(dǎo)體設(shè)備的保護。典型的此類半導(dǎo)體設(shè)備是利用二極管或晶閘管將交流電源轉(zhuǎn)換成直流的大功率整流器。大功率整流的工業(yè)應(yīng)用很多，本文提及的只是其中的一部分。
2. 大功率整流應(yīng)用
鋁電解 金屬鋁主要是由電解過程生產(chǎn)出來。世界上的很多鋁廠都在擴大生產(chǎn)規(guī)模以提高效率，滿足市場對鋁的需求。
鋁電解生產(chǎn)的過程是，氧化鋁（Al2O3）在電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)，生成鋁和氧氣：
2 Al2O3＋3C→4Al＋3CO2
電解槽為大而淺的鋼槽，內(nèi)側(cè)襯有碳層，不同電解槽在電氣上為串聯(lián)連接。每個電解槽中，直流電流經(jīng)石墨陽極流入呈融化狀的氧化鋁電解液，然后經(jīng)電解槽內(nèi)襯的碳陰極流出，進入下一電解槽的陽極，依次類推。在電流的作用下，氧化鋁中的氧元素被分離出來，并在電解槽上部與碳化合形成二氧化碳，而在電解槽底部析出液態(tài)的鋁。以上生成過程見圖1。
氯氣電解 通常氯氣由電解鹽水得到，同時生成氫氣和苛性鈉。生產(chǎn)一噸氯氣大約要消耗4000度的電能。氯氣電解過程需要的直流過程電流在300－350kA之間，需要的直流電壓可以高達1000Vdc。
直流電弧爐 現(xiàn)代許多大型鋼鐵廠利用直流電弧爐來熔化回收的廢舊鋼鐵。使用直流電弧爐的優(yōu)點是生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率高以及噪音低。鋼鐵冶煉用電弧爐的過程電流為100kA左右，電壓一般高于1000Vdc。電解過程一般是清潔的，連續(xù)負荷電流穩(wěn)定地流過半導(dǎo)體和熔斷器。電弧爐應(yīng)用則不同，它們生產(chǎn)過程的特點使得負荷電流經(jīng)常有嚴重的脈沖成分，因此在半導(dǎo)體和熔斷器選型時需要經(jīng)過非常仔細的計算和校驗。
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石墨爐 很多石墨產(chǎn)品的生產(chǎn)，如電極等，也要用到直流爐。典型過程參數(shù)為：電壓一般不高于300V，電流則可能高達160kA。
其他金屬冶煉 銅、鋅、鉛、鎳、鎘等金屬生產(chǎn)的過程電流也需要由大功率整流過程產(chǎn)生。
3. 快速熔斷器應(yīng)用
大功率整流器
大功率整流器的核心元件是半導(dǎo)體（二極管或晶閘管）和快速熔斷器。功率半導(dǎo)體元件的有效利用在很大程度上取決于如何將半導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去。
現(xiàn)代的生產(chǎn)過程需要越來越高的過程電流，為滿足這種需求，Bussmann開發(fā)出了單體設(shè)計的五號快速熔斷器。這種設(shè)計優(yōu)化了熔斷器在強制冷卻時的總體散熱性能。
執(zhí)行IEC 60269-1&4標準的快速熔斷器，其測試是在110％的額定電壓下進行的。額定電壓是熔斷器選性最重要的參數(shù)之一。發(fā)生故障時，如果熔斷器兩端電壓高于熔斷器額定電壓，熔斷器極有可能不能正常動作。即使熔斷器的測試電壓比其額定電壓高出10％，我們也從不推薦熔斷器用在高于其額定電壓的系統(tǒng)中。10％的安全裕度是考慮在惡劣的系統(tǒng)條件下，專門針對系統(tǒng)電壓波動而設(shè)置的。
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在整流應(yīng)用中，由于沒有再生負載，額定電壓選擇依據(jù)整流器輸入線電壓。如果與3英寸或4英寸二極管或晶閘管配合使用，可以形成的整流器輸出為直流2100V，將可允許在一條生產(chǎn)線上有440只電解槽串聯(lián)，這等效于每年39萬噸鋁的生產(chǎn)能力。
要理解快速熔斷器的額定電流計算，必須先了解熔斷器的額定電流是如何定義的。國際標準IEC 60269-1&4詳細規(guī)定了確定熔斷器額定電流的測試標準。穩(wěn)態(tài)載流實驗是在(20＋5)℃的環(huán)境下進行的，并轉(zhuǎn)換成20℃下的值。當環(huán)境溫度偏離標準時，需要對熔斷器的最大允許載流量做相應(yīng)調(diào)整。
當環(huán)境溫度高于20℃時熔斷器允許通過的電流會低于其額定值。具體數(shù)值可以由額定電流乘以校正系數(shù)(Kt)求得。忽略這個因素將導(dǎo)致熔斷器熔芯疲勞，從而造成熔斷器無故障動作。
另一個影響因素是連接快熔與元件的銅排的尺寸。按照IEC 60269-1&4，該銅排的最小尺寸等效于1.0到1.3A/mm2的電流密度（按照熔斷器額定電流計算）。使用小的連接排時，熔斷器的額定電流也要乘以相應(yīng)的降額系數(shù)。該降額系數(shù)曲線可以在我們參數(shù)手冊里找到。在極端情況下，如果熔斷器相應(yīng)降額使用，連接排實際上起到了熱源的作用。
熔斷器的載流能力也可以提高。當使用強制風(fēng)冷或水冷時，能夠增加熔斷器的載流能力。
很多應(yīng)用中存在周期負荷和過負荷，這也可能會影響熔斷器的使用壽命。這些情況都要仔細分析，以防止熔斷器的非正常動作。當發(fā)生過負荷時，熔斷器熔芯臨時過熱，接近銀片融化的溫度。
經(jīng)過一段時間，熔芯狹頸處銀的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。晶體結(jié)構(gòu)不再單一，有顆粒生成，狹頸處的銀將變硬變脆。這導(dǎo)致熔芯的機械強度降低，造成一個或多個狹頸斷裂。
取決于過負荷發(fā)生的頻次和周期負荷的特性，有時需要施加另外的降額系數(shù)。對于中等規(guī)模的牽引站和周期負荷特征明顯的采礦設(shè)備，降額系數(shù)可能高達2.0－即當熔斷器使用在此類場合時，只允許負載其額定電流有效值的一半。
鋁電解生成過程中，只有少量的過負荷產(chǎn)生，一般不會對熔斷器選型有重大影響。但是，當整流器中當一個或更多半導(dǎo)體由于故障被隔離時，與之并聯(lián)的其他支路元件將面臨過負荷的危險。
整流器中的半導(dǎo)體和快熔的配合需要仔細考慮。一個考慮周全的熔斷器保護方案基本不存在半導(dǎo)體爆炸的可能。與之相反，不當?shù)南到y(tǒng)設(shè)計將會導(dǎo)致燃弧和起火、損壞整個整流器單元、以及操作人員的人身傷害。按照N-1模式設(shè)計系統(tǒng)可以保護用戶免受生產(chǎn)線部分或全部停頓帶來的損失。因此，在大功率整流應(yīng)用中，都是基于N-1模式的連續(xù)滿載運行。在某些應(yīng)用中，客戶甚至要求按N-2－或更多來進行設(shè)計，這些都要加以考慮。如果整流器在N-x模式下運行了過長的時間，而整流器本不是按照N-x模式來設(shè)計的，那么結(jié)果就是故障熔斷器所在橋臂的所有其他熔斷器也受到了傷害。
大功率整流器中快熔的作用是，當整流器發(fā)生內(nèi)部短路時，隔離故障支路，從而防止半導(dǎo)體爆炸。因此半導(dǎo)體的爆破I2t應(yīng)為已知，選擇10ms分斷I2t小于此值的熔斷器即可實現(xiàn)保護。半導(dǎo)體的爆破I2t可以通過其極限測試獲得。
4. 快熔選型不當后果分析
電壓選擇不當
如果熔斷器額定電壓低于故障系統(tǒng)電壓，各狹頸處燃起的電弧將持續(xù)燃燒而會合，最終電弧貫穿整個熔斷器。此時熔斷器的陶瓷管殼將不能承受內(nèi)部壓力而發(fā)生劇烈爆炸。所幸人們一般都根據(jù)輸入電壓選擇熔斷器，此類故障在現(xiàn)場很少發(fā)生。另外，如果嚴格按照IEC標準執(zhí)行產(chǎn)品測試，10％的安全裕量也消除了系統(tǒng)電壓波動帶來的隱患。
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I2t值不匹配
快速熔斷器必須將允通能量限制在半導(dǎo)體的爆破I2t之下，否則就會發(fā)生半導(dǎo)體的劇烈爆炸。而設(shè)備中發(fā)生半導(dǎo)體爆炸時，建議檢查熔斷器在故障電壓下的分斷I2t值，以及半導(dǎo)體的實際爆破I2t。
額定電流計算中忽略一個或幾個降額系數(shù)
各種降額系數(shù)用來保證熔斷器在其壽命（典型10-20年）區(qū)間內(nèi)不會因疲勞而發(fā)生無故障開斷。遵循快速熔斷器選型原則可以保證大約10年的使用壽命，大多數(shù)情況下，實際使用壽命會更長。
如果忽略了降額系數(shù)，或者實際電路、負荷與最初給定的信息有較大差別，則有可能發(fā)生如下情況：
嚴重的情況下，熔斷器會遭受持續(xù)過負荷。大功率整流器使用的熔斷器的保護類型大多是aR（按照IEC 60269-1&4，這意味著用于半導(dǎo)體元件的短路保護）。因此，熔斷器將僅僅保護短路故障，不能分斷過負荷電流。當aR熔斷器承受持續(xù)過負荷時，熔斷器陶瓷管殼溫度會超過其允許極限而龜裂。如果正好此時系統(tǒng)發(fā)生短路，熔斷器就會發(fā)生劇烈爆炸，并損壞整流柜內(nèi)其他設(shè)備，使事故擴大。
另一種情況是熔斷器遭受頻繁的過負荷，但并沒有造成外殼破裂，熔斷器熔芯在三到七年的確較長的時間里慢慢損壞。此類損壞的表征之一就是一個或多個熔斷器的無故障斷開。
其后最常見的做法是更換已經(jīng)斷開的熔斷器。但是，如果其他熔斷器的熔芯已經(jīng)受到損害，那么很有可能其中的一些熔斷器也將在不遠的以后斷開。這種情況的后果是生產(chǎn)過程的頻繁停頓，造成產(chǎn)出損失。
熔斷器診斷檢查可以通過簡單的測其電阻來實現(xiàn)。如果測試值明顯高于其標簽上的打印值，應(yīng)立即更換熔斷器。
整流器機械設(shè)計的問題
現(xiàn)代生產(chǎn)過程對整流器電流輸出能力要求越來越高，這意味著整流柜中的能量密度越來越大。將現(xiàn)代新型的大功率半導(dǎo)體與5號快熔搭配，可以減少整流器中元件的數(shù)目，每個元件承擔的電流也將會增加，故障電流水平也將增長，甚至可能達到接近300KA的水平。在這么大的故障電流下，由于電流通路的不同走向，熔斷器有可能要承受巨大的電磁力。
現(xiàn)代整流器設(shè)計中，有兩種外形的熔斷器可供選擇。一種是所謂的24號，由兩個4號快熔并聯(lián)而成，另一種是單體的5號快熔。
與雙體4號快熔相比，5號快熔的優(yōu)勢之一是消除了熔斷器內(nèi)部分流不均的問題。在某些整流器設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)雙體快熔的兩個分支之間存在電流不平衡現(xiàn)象，這是由于該整流器設(shè)計的電磁特性決定的。而5號快熔完全不存在這個問題。
通過改進熔體設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，5號快熔和此前的熔斷器相比可有更高的額定電壓和額定電流。
6. 五號快熔概述
五號快熔是專為大功率整流器設(shè)計的，可以用于鋁和氯氣等電解生產(chǎn)過程。為滿足特定客戶的需要，我們可以為客戶定制不同的產(chǎn)品。可以定制的方面包括機械連接，以及尺寸公差要求等。
經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化的五號快熔更適于大功率整流器中強制冷卻方式下的三英寸和四英寸的半導(dǎo)體元件保護。有數(shù)據(jù)表明，在某些情況下，使用五號快熔配合現(xiàn)代的大功率半導(dǎo)體，與使用傳統(tǒng)元件相比，可以節(jié)省30％的元件。通過使用較少數(shù)目的元件，整流器效率可以得到提高，從而降低了鋁的生產(chǎn)成本。
7. 總結(jié)
在電解鋁工業(yè)中，過程電流和串聯(lián)電解槽數(shù)目有逐步擴大的趨勢，目前已有系統(tǒng)設(shè)計采用350kA電解電流和1600V的直流電壓。在不久的將來，高達500kA過程電流的電解鋁生產(chǎn)線也將成為現(xiàn)實。
大功率整流器的安全運行很大程度上取決于元件的選擇。二極管/晶閘管和快熔是整流器使用的主要元件。高電壓和大電流的趨勢對整流器的安全保護提出了更高的要求。精心選擇半導(dǎo)體和快熔，以應(yīng)對可預(yù)見的整流器負荷波動，這對整流器的連續(xù)安全運行，對于鋁生產(chǎn)的穩(wěn)定是非常關(guān)鍵的。
五號快熔正是針對整流器的這種發(fā)展趨勢而開發(fā)的。最近在ABB大功率實驗室的試驗表明：在4000A的額定電流下，額定電壓可以達到1850A。這項進展說明，5號快熔系列將能夠滿足鋁行業(yè)中下一代大功率整流器的要求。實際上，5號快熔的額定參數(shù)可以做的更高，為更大功率的二極管和晶閘管提供保護。
