說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返亩搪冯娏?，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unf

    unf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)Zui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uvo與部分直流電壓udo之和，可按下式計(jì)算[1]：

    unf>（三相橋式電路）

    或unf>（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inf

    inf的選用應(yīng)以整流電路中實(shí)際流過熔斷器的電流有效值if為基礎(chǔ)，并考慮環(huán)境溫度（系數(shù)ka），冷卻條件（系數(shù)kt），電流裕度（系數(shù)ki）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Zui大值。

    inf≥if·ka·kt·ki≥k·if

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)線特別短的電路結(jié)構(gòu)，需取Zui大值；對(duì)水冷式熔斷器k取較小值?？焖偃蹟嗥鬟x用的額定電流過大，勢(shì)必增加熔斷器的i2tf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)，則流過熔斷器中的Zui大電流的有效值為

    ifmax=·id/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inf=1.5ifmax≈4500a。當(dāng)橋臂中一個(gè)整流管損壞后，流過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)體器件允許通過的i2td值應(yīng)大于快速熔斷器的i2tf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

    i2tf≤0.9i2td

    整流管的i2td值隨電流的倍數(shù)平方值增加，見表1?？焖偃蹟嗥鞯膇2tf值則增加更快，見表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i2td值（平均值）

表2  法國(guó)ferraz公司psc系列（660v）快速熔斷器的Zui大熔斷i2tf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i2tf值允許大于串聯(lián)連接的整流管的i2td值，但不宜相差太多。眾所周知，熔斷器的熔斷能量i2tf是熔化能量i2t1與燃弧能量i2t2之和，即i2tf=i2t1＋i2t2，i2t1值約為（15～25）％i2tf。因此，在選用快速熔斷器時(shí)，要防止流過健全臂中熔斷器的i2t1值過大，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i2tf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i2tf值。

    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i2tf值為40×106a2s，與zp4800v/4500a整流管的i2td相比，后者i2td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。故此宏潤(rùn)電爐廠根據(jù)中頻爐工作特點(diǎn)和經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算 特從知名廠家定做了符合中頻爐運(yùn)行規(guī)律的快速熔斷器 能保證設(shè)備的正常運(yùn)行 避免kp損壞的同時(shí)能有效保護(hù)變壓器和設(shè)備的控制線路避免損壞！

2.4  分?jǐn)嗄芰Φ暮怂?/p>

    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)大于可能流過故障支路熔斷器的Zui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)行過計(jì)算，流過橋臂故障整流管的穩(wěn)態(tài)短路電流有效值ibd=186ka，直流側(cè)短路時(shí)，短路電流平均值ibdp1=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，流過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?。過去國(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)際試驗(yàn)站試驗(yàn)，其分?jǐn)嗄芰_(dá)到230ka（有效值），可滿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unf、額定電流inf、Zui大熔斷i2t值、分?jǐn)嗄芰Φ葏?shù)，以做出選擇。