大功率整流器中快速熔斷器的選型

摘要：說(shuō)明了作為大功率整流器中整流管或晶閘管的短路保護(hù)元件——快速熔斷器的選型與參數(shù)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：整流器；快速熔斷器；短路保護(hù)

??? 快速熔斷器在大功率整流器中與整流管或晶閘管串聯(lián)連接，作為對(duì)整流器件短路故障的保護(hù)元件。當(dāng)整流器件發(fā)生反向擊穿故障時(shí)，快速熔斷器快速分?jǐn)喙收现返亩搪?a href="http://www.qldv.cn/tags/電流/" target="_blank">電流，保護(hù)整流器免受故障短路電流的危害。

1? 大功率整流器的特點(diǎn)

??? 大功率整流器可以電解鋁用整流器為代表，在我國(guó)隨著單個(gè)電解槽產(chǎn)量的提高，電解鋁的年產(chǎn)量已由100kt增加到140kt，于是槽電壓已由800V提高到1200V，槽電流已由160kA增至280kA，相應(yīng)的整流變壓器容量已提高到75～100MVA。單臺(tái)輸出電流高達(dá)50～75kA的整流器，對(duì)整流管、快速熔斷器也提出了更高的技術(shù)要求。

??? 圖1為年產(chǎn)140kt電解鋁用直流系統(tǒng)圖，它由四組整流機(jī)組并聯(lián)組成，其中一組為備用。每組整流變壓器容量2×54.99MVA，向二臺(tái)1220V、37kA整流裝置供電。整流器采用三相橋式同相逆并聯(lián)電路，每橋臂由4只ZP-4800V/4500A整流管并聯(lián)組成，下面討論如何選用合適的快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。

圖1? 整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2? 快速熔斷器的選用

2.1? 熔斷器的額定電壓U_NF

??? U_NF值應(yīng)稍大于熔斷器熔斷后兩端出現(xiàn)的外加電壓穩(wěn)態(tài)最大有效值。對(duì)數(shù)臺(tái)整流器并聯(lián)運(yùn)行的直流供電系統(tǒng)，當(dāng)其中某一橋臂短路時(shí)，或逆變器中發(fā)生橋臂直通故障時(shí)，施加在熔斷器二端的電壓為交流電壓U_VO與部分直流電壓U_do之和，可按下式計(jì)算^[1]：

??? U_NF>（三相橋式電路）

??? 或U_NF>（雙反星形電路）

??? 圖1中整流變壓器閥側(cè)電壓1050V，可選用1200V電壓等級(jí)的快速熔斷器。

2.2? 熔斷器的額定電流I_NF

??? I_NF的選用應(yīng)以整流電路中實(shí)際流過(guò)熔斷器的電流有效值I_F為基礎(chǔ)，并考慮環(huán)境溫度（系數(shù)k_a），冷卻條件（系數(shù)k_T），電流裕度（系數(shù)k_I）等因素影響進(jìn)行計(jì)算，而不是按與熔斷器串聯(lián)的半導(dǎo)體器件的通態(tài)電流平均值轉(zhuǎn)化成有效值來(lái)計(jì)算。當(dāng)流過(guò)熔斷器的電流是脈沖波形時(shí)，應(yīng)計(jì)算相應(yīng)的有效值，而不是取其最大值。

??? I_NF≥I_F·k_a·k_T·k_I≥k·I_F

式中：k值一般可取1.5～2。對(duì)自冷式熔斷器，k取較大值，尤其對(duì)熔斷器兩端連接導(dǎo)線(xiàn)特別短的電路結(jié)構(gòu)，需取最大值；對(duì)水冷式熔斷器k取較小值。快速熔斷器選用的額定電流過(guò)大，勢(shì)必增加熔斷器的I²t_F值，對(duì)半導(dǎo)體器件的保護(hù)是有害的。

??? 圖1中每個(gè)整流橋臂有4個(gè)整流管并聯(lián)工作，當(dāng)均流系數(shù)按0?9考慮時(shí)，則流過(guò)熔斷器中的最大電流的有效值為

??? I_Fmax=·I_d/2(0.9×3×4)=2970A

??? 由于大電流快速熔斷器采用水冷式結(jié)構(gòu)，因此它的額定電流可選用I_NF=1.5I_Fmax≈4500A。當(dāng)橋臂中一個(gè)整流管損壞后，流過(guò)熔斷器的電流增加到3960A，仍可保證整流器額定電流的輸出。

2.3? I²t值的核算

??? 當(dāng)半導(dǎo)體器件與快速熔斷器串聯(lián)工作時(shí)，半導(dǎo)體器件允許通過(guò)的I²t_D值應(yīng)大于快速熔斷器的I²t_F值，不然熔斷器熔斷時(shí)，器件也被燒損。二者關(guān)系可按下式計(jì)算

??? I²t_F≤0.9I²t_D

??? 整流管的I²t_D值隨電流的倍數(shù)平方值增加，見(jiàn)表1。快速熔斷器的I²t_F值則增加更快，見(jiàn)表2。從表1、表2中可以看出，200A整流管可配315A熔斷器作保護(hù)，而2000A整流管只能配用2200A以下熔斷器作保護(hù)了。

表1? ZP型整流管的I²t_D值（平均值）

表2? 法國(guó)FERRAZ公司PSC系列（660V）快速熔斷器的最大熔斷I²t_F值

??? 大功率整流器的橋臂中通常設(shè)計(jì)為2～6個(gè)整流管并聯(lián)運(yùn)行，如圖1所示。當(dāng)A相某整流管反向擊穿形成變壓器閥側(cè)短路時(shí)，流過(guò)兩個(gè)健全臂（B、C相）的電流幅值并不相等，B、C相電流幅值為A相短路電流幅值的50％～80％^[2]。圖2為1500V、2000A整流器中快速熔斷器保護(hù)試驗(yàn)波形，它是在人工短接A相橋臂整流管（相當(dāng)于整流管反向擊穿而形成橋臂短路）時(shí)拍攝的變壓器閥側(cè)短路的相關(guān)波形圖。從圖2中看出，人工短接整流管支路的快速熔斷器經(jīng)9.9ms后分?jǐn)啵ㄓ捎诙搪冯娏髦递^小，因此分?jǐn)嗨俣容^慢），B、C相熔斷器與整流管完好，流過(guò)B、C相橋臂的短路電流幅值分別為12.3kA與11.0kA，為A相橋臂短路電流幅值的60％與54％。短路電流的幅值大小與產(chǎn)生短路的時(shí)刻（合閘角）及短路電路中的感抗X與電阻R值等因素有關(guān)。從這個(gè)觀點(diǎn)考慮，在多個(gè)整流管并聯(lián)的橋臂中，快速熔斷器的I²t_F值允許大于串聯(lián)連接的整流管的I²t_D值，但不宜相差太多。眾所周知，熔斷器的熔斷能量I²t_F是熔化能量I²t₁與燃弧能量I²t₂之和，即I²t_F=I²t₁＋I²t₂，I²t₁值約為（15～25）％I²t_F。因此，在選用快速熔斷器時(shí)，要防止流過(guò)健全臂中熔斷器的I²t₁值過(guò)大，否則會(huì)引起健全臂中熔斷器熱疲勞損壞及整流管的過(guò)載損壞。

圖2? 模擬整流管擊穿短路時(shí)的相關(guān)波形圖

??? 熔斷器的I²t_F值與其設(shè)計(jì)參數(shù)，生產(chǎn)工藝有關(guān)。因此，由于生產(chǎn)廠(chǎng)家不同，設(shè)計(jì)參數(shù)不同，生產(chǎn)工藝不同，國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家生產(chǎn)的相同額定電壓，額定電流的快速熔斷器，卻有著不同的I²t_F值。如西安西整熔斷器廠(chǎng)生產(chǎn)的1000V，6000A快速熔斷器老產(chǎn)品的I²t_F值為76×10⁶A²s，而該企業(yè)的新產(chǎn)品RS-1000V/6000AP115SS型快速熔斷器（1000V、6000A）的I²t_F值為55×10⁶A₂s，二者相差38％。因此，在設(shè)計(jì)大功率整流器時(shí)，對(duì)于具有相同電壓和電流的快速熔斷器應(yīng)優(yōu)先選用I²t_F值較小的。

??? 按上所述，針對(duì)圖1中的大功率整流器選用快速熔斷器時(shí)，應(yīng)選用I²t_F值為40×10⁶A²s，與ZP?4800V/4500A整流管的I²t_D相比，后者I²t_D值為30×10⁶A²s，尚小于前者，但相差不大。由于橋臂上有四只整流管并聯(lián)工作，這樣選用快速熔斷器是合理的，并且是可靠的。

2.4? 分?jǐn)嗄芰Φ暮怂?

??? 大功率整流器的整流變壓器容量大，當(dāng)變壓器閥側(cè)橋臂短路時(shí)，短路電流相當(dāng)大，整流器或直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)算橋臂短路電流值與直流側(cè)短路電流值。被選用快速熔斷器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于可能流過(guò)故障支路熔斷器的最大短路電流值，否則快速熔斷器在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)可能會(huì)發(fā)生瓷套炸裂、噴弧、甚至燒損整流器等現(xiàn)象。

??? 文獻(xiàn)[3]曾對(duì)圖1所示整流電路的橋臂短路電流進(jìn)行過(guò)計(jì)算，流過(guò)橋臂故障整流管的穩(wěn)態(tài)短路電流有效值I_bD=186kA，直流側(cè)短路時(shí)，短路電流平均值I_bDp1=100.12kA。

??? 在數(shù)臺(tái)整流器并聯(lián)的直流電源系統(tǒng)中，對(duì)三相橋式電路的橋臂熔斷器核算其分?jǐn)喽搪冯娏髦禃r(shí)，可以計(jì)算整流變壓器閥側(cè)短路的穩(wěn)態(tài)電流有效值。但對(duì)雙反星型電路的整流器來(lái)說(shuō)，流過(guò)故障橋臂熔斷器的短路電流除上述變壓器閥側(cè)短路的交流分量外，尚包含其余并聯(lián)整流器輸入的直流電流分量，這時(shí)，快速熔斷器應(yīng)有更高的分?jǐn)嗄芰Α＿^(guò)去國(guó)產(chǎn)快速熔斷器的分?jǐn)嗄芰?0、70、100kA數(shù)種，已不能適應(yīng)大功率整流器配套的需要。目前，西安西整熔斷器廠(chǎng)已研制成功RS4（H）系列高分?jǐn)嗄芰Φ目焖偃蹟嗥鳎?jīng)國(guó)際著名試驗(yàn)站試驗(yàn)，其分?jǐn)嗄芰_(dá)到230kA（有效值），可滿(mǎn)足大功率整流器配套的需要。

2.5? 燃弧峰值電壓

??? 快速熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)，其斷口產(chǎn)生的過(guò)電壓為熔斷器工作電壓的2～2.5倍，為此要防止正常的半導(dǎo)體器件受到損害。

3? 結(jié)語(yǔ)

??? 快速熔斷器的選型應(yīng)綜合考慮額定電壓U_NF、額定電流I_NF、最大熔斷I²t值、分?jǐn)嗄芰Φ葏?shù)，以做出最佳選擇。