◎蔡思捷

目前，對(duì)整流器機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，電化學(xué)用整流器可以按輸出功率大小大致分為3 大類(lèi)，見(jiàn)下表。

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相對(duì)于其他用途的整流器，電化學(xué)用整流器在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，有2 個(gè)顯著特點(diǎn)：一個(gè)特點(diǎn)是輸出電流大，小則幾千安培，大到幾萬(wàn)安培；另一個(gè)特點(diǎn)就是要長(zhǎng)時(shí)間，甚至長(zhǎng)年不間斷連續(xù)運(yùn)行。所以，電化學(xué)用整流器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須滿(mǎn)足這2個(gè)方面的要求。

對(duì)于氯堿行業(yè)（包括濕法電解有色金屬）用的中功率整流器（MPR），其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了要滿(mǎn)足上述2 方面要求之外，通常還要受到布疊場(chǎng)地和王建條件的限制。這方面與大功率整流器不同，如電解鋁用大功率整流器通常會(huì)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的變電整流所，布置場(chǎng)地和土建條件要服從大功率整流機(jī)組布置的要求。也不同于小功率整流器，一般小功率整流機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以做得很緊湊，不需要占太多的地方，受安裝場(chǎng)地的限制相對(duì)較少。

鹽水電解車(chē)間周?chē)缓哂懈g性的氣體、酸霧、蒸汽和堿液等。所以，整流器的防腐問(wèn)題也很重要，整流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要有防腐措施。因此，這里著重介紹中功率“整流器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)”。

中功率整流器MPR 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性和基本要點(diǎn)見(jiàn)下表。

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一、進(jìn)出線(xiàn)方式類(lèi)別

整流器的進(jìn)出線(xiàn)方式主要有中進(jìn)上出、下進(jìn)上出和上進(jìn)下出3 大類(lèi)。此外，還有下進(jìn)下出、上進(jìn)上出2 種，但鑒于均流度不佳一般不推薦采用。對(duì)于小功率整流器，通常自成一體，進(jìn)出線(xiàn)方式很靈活。

電化學(xué)用整流器絕大多數(shù)采用強(qiáng)迫循環(huán)水冷卻。所以，有條件將整套整流裝置（包括控制部分和冷卻器部分）安裝在一個(gè)一體化的、全密閉的箱柜內(nèi)。對(duì)于中小功率的整流器，按一體化形式做成全密閉結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于集裝箱，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式會(huì)有更多的優(yōu)越性。

二、選擇進(jìn)出線(xiàn)方式的條件（參考）

廠(chǎng)房條件：

1.整流器的交流進(jìn)線(xiàn)和直流出線(xiàn)位置，決定于廠(chǎng)房的實(shí)際條件。通常情況下，整流變壓器位于地平面，或稍高于地平面。整流器直流出線(xiàn)經(jīng)過(guò)直流隔離開(kāi)關(guān)，直接與電解槽相連。因此，整流器的進(jìn)出線(xiàn)位置取決于整流變壓器出線(xiàn)處和電解車(chē)間進(jìn)線(xiàn)處的高差。

2.電解（電化學(xué)）工廠(chǎng)，不論是有色金屬電解、食鹽電解或是電鍍廠(chǎng)等，其周?chē)几缓g性氣體，尤其是采用濕法電解的工廠(chǎng)。為了減小腐蝕性氣體對(duì)整流設(shè)備的危害，電解（電化學(xué)）工廠(chǎng)的整流變電所，應(yīng)該建在電解槽廠(chǎng)房常年風(fēng)向的迎風(fēng)面。

3.采用濕法電解的工廠(chǎng)，不僅彌漫著腐蝕性氣體，還會(huì)有酸性或堿性液體泄漏。因此，整流變電所的地平面應(yīng)高于電解槽廠(chǎng)房的地平面。

4.為承重和抗振，整流柜的安裝場(chǎng)地要有牢固的基礎(chǔ)。

5.變壓器和整流器之間須設(shè)防火隔離墻。

6.對(duì)于在戶(hù)內(nèi)安裝的整流器，應(yīng)設(shè)有把室內(nèi)熱空氣傳到室外的設(shè)施，以形成大環(huán)境下的空氣循環(huán)。

7.隨著自動(dòng)化水平的提高，整流設(shè)備中大量地采用自動(dòng)化控制裝置（如計(jì)算機(jī)、微處理器、PLC 等）和精密的電子儀器儀表。為了設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取特別的防護(hù)措施，保證其周?chē)鷾囟?、濕度和潔凈度符合要求，防止凝結(jié)露水、破壞絕緣等危害。

8.留出高壓電纜（或架空線(xiàn)）供電通道。

9.冷卻水供水管道和水一風(fēng)熱交換器的布置要合理。

三、整流柜母線(xiàn)布置及選擇

（一）整流拒內(nèi)母線(xiàn)布置要點(diǎn)

對(duì)于電化學(xué)用整流器，輸人和輸出電流太大，通常是采用大截面的銅（或鋁）母線(xiàn)連接。所以，其交流進(jìn)線(xiàn)和直流出線(xiàn)的位置，必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：

1.順著電流的目標(biāo)流向進(jìn)行排列布置，必須避免母線(xiàn)交叉連接和來(lái)回折返。

2.連接母線(xiàn)應(yīng)盡可能地短，尤其是閥側(cè)交流母線(xiàn)越短越好。以減少功率損耗，提高運(yùn)行效率。矩形截面的母線(xiàn)應(yīng)立放，以利散熱。

3.2 根電流相位相差180°的母線(xiàn)宜靠近布置（如同相逆并聯(lián)布置），有利于降低母線(xiàn)感抗。

4.伸出柜外的連接斷頭需留有必要連接長(zhǎng)度，一般不得小于200mm。

5.與變壓器連接的母線(xiàn)須有一段軟連接做緩沖，以減小連接母線(xiàn)對(duì)變壓器引出端子密封圈的應(yīng)力作用。

（二）整流器內(nèi)母線(xiàn)損耗和允許電流密度

1.母線(xiàn)有功功率損耗△p。

△P=I2R（W）

式中：I——流過(guò)母線(xiàn)的有效值電流，A；

R——母線(xiàn)有效電阻，Ω。

單根矩形母線(xiàn)的有效電阻R 的近似計(jì)算式為：

式中：ρ——20℃時(shí)的電阻率，銅母線(xiàn)取1.69×10-8Ω·m，鋁母線(xiàn)取 2.65×10-8Ω·m

l——母線(xiàn)長(zhǎng)度，m；

b——母線(xiàn)厚度，m；

h——母線(xiàn)寬度，m

K1——集膚效應(yīng)系數(shù)，取值范圍1.1～1.4，母線(xiàn)大時(shí)去大值，母線(xiàn)小時(shí)去小值。

2. 一般情況下各母排的電流密度經(jīng)驗(yàn)值（使用T2 牌號(hào)紫銅，鋁排的電流密度值按銅排的1/3 到1/2 使用，理論值約為0.6）銅電阻率為0.017，導(dǎo)電率為58.1，鋁電阻率為0.0265，導(dǎo)電率為35.3。

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（三）整流器內(nèi)母線(xiàn)表面處理

整流器內(nèi)部的母線(xiàn)通常要作表面處理，尤其是安裝整流元件和快速熔斷器的接觸面需要進(jìn)行精細(xì)的處理。具體要求和特點(diǎn)見(jiàn)下表。

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四、整流器及其柜體的設(shè)計(jì)

電化學(xué)用整流器，因?yàn)檩敵鲭娏骱腿哂嘣O(shè)計(jì)的要求，大多數(shù)需要多個(gè)整流元件并聯(lián)。有保護(hù)的要求，每個(gè)整流元件支路需要串聯(lián)1 只與之匹配的快速熔斷器。每臺(tái)整流器至少有6 個(gè)由整流元件、快速熔斷器和母線(xiàn)構(gòu)成的整流臂，同相逆并聯(lián)連接的整流器由12 個(gè)整流臂構(gòu)成6 個(gè)同相逆并聯(lián)整流臂組件。整流器就是以6 個(gè)整流臂（或6 個(gè)同相逆并聯(lián)整流臂組件）為主體，集合了電氣連接、非電氣連接、絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻管道和散熱器、整流管元件、壓緊結(jié)構(gòu)、快速熔斷器裝配、過(guò)電壓吸收裝置、水溫和水壓檢測(cè)指示儀表、快熔損壞檢測(cè)與指示信號(hào)等構(gòu)成的功率單元。其作用就是交流電變換成直流電，為電解槽提供強(qiáng)大的直流電流。

整流器柜體是整流器的載體，對(duì)于柜式整流器還需要有柜體才具有完整性。

（一）整流器設(shè)計(jì)

以下著重介紹整流器內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

1.整流元件壓裝要求。

2.同相逆并聯(lián)絕緣結(jié)構(gòu)。

按同相逆并聯(lián)連接的整流主電路，其絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。在應(yīng)用同相逆并聯(lián)技術(shù)的過(guò)程中，存在一對(duì)矛盾。即同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的距離和二者之間的絕緣問(wèn)題。為了獲得理想的同相逆并聯(lián)效果，要求二者之間距離越小越好。但是，會(huì)受到絕緣強(qiáng)度要求的限制。對(duì)于高電壓大功率整流器，問(wèn)題尤為突出。為了協(xié)調(diào)解決這個(gè)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采取以下幾項(xiàng)措施：

a.在保證兩同相逆并聯(lián)整流臂母線(xiàn)的中心直線(xiàn)距離不大于母線(xiàn)寬度2/3 的前提下，適當(dāng)?shù)乩_(kāi)二者的距離。這樣，仍然能夠獲得較好的同相逆并聯(lián)效果。

b. 盡可能地增大同相逆并聯(lián)整流臂之間絕對(duì)爬電距離，對(duì)于直流輸出電壓≥800V 的整流器，一般不得小于90mm。直流輸出電壓低于800V 的整流器，可按比例適當(dāng)?shù)販p小。

實(shí)際運(yùn)行參數(shù)：

實(shí)際輸出直流電壓1200V；

整流元件實(shí)際承受的峰值電壓1620V；

同相逆并聯(lián)交流母線(xiàn)之間的電壓峰值3240Vo。

c.同相逆并聯(lián)整流臂之間用絕緣板（厚度＞6mm）隔開(kāi)，盡可能地避免在母線(xiàn)之間安裝串通的螺桿。對(duì)于直流輸出電壓雜800V 的整流器，要求同相逆并聯(lián)整流臂之間的耐壓強(qiáng)度達(dá)到工頻10kV。直流輸出電壓低于800V 的整流器，可以按比例適當(dāng)?shù)亟档汀?/p>

d.晶閘管整流器中，脈沖分配器原、副邊之間的絕緣耐壓強(qiáng)度，使其能夠承受同相逆并聯(lián)整流臂之間實(shí)際的最高電壓。

e.加強(qiáng)同相逆并聯(lián)整流臂之間的抗電動(dòng)排斥力能力，降低振動(dòng)噪聲。同相逆并聯(lián)整流臂間，相鄰2 個(gè)鎖緊點(diǎn)之間的間隔不得超過(guò)4 只元件。

3.過(guò)電壓保護(hù)器件的安裝。

過(guò)電壓保護(hù)在整流器中很重要，這里僅從安裝布置方面提出要求。整流器內(nèi)存在的過(guò)電壓分為換相過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和外部過(guò)電壓。

a.換相過(guò)電壓是整流元件從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)人反向阻斷狀態(tài)的過(guò)程中，由于載流子積累效應(yīng)，而產(chǎn)生過(guò)電壓。這是在實(shí)際運(yùn)行直流輸出電壓為1200V，用示波器測(cè)得的二極管兩端的電壓波形，二極管承受的反向峰值電壓為1620V。如果不加限制，反向電壓峰值最大可以達(dá)到整流臂正常反壓的5-7 倍。換相過(guò)電壓采用并聯(lián)在整流臂兩端的RC 吸收。為了獲得更好的過(guò)電壓抑制效果，換相過(guò)壓吸收電容必須靠近整流臂安裝。

b.操作過(guò)電壓是由于切斷電感電流（如變壓器勵(lì)磁電流）在整流器交流進(jìn)線(xiàn)側(cè)引起的過(guò)電壓，外部過(guò)電壓是由供電系統(tǒng)或直流側(cè)引人的過(guò)電壓。這兩種過(guò)電壓都不會(huì)頻繁發(fā)生，只會(huì)在操作過(guò)程中才有可能出現(xiàn)。所以，抑制電路可以安裝在整流器內(nèi)部，也可以移出整流器。

（二）整流器柜體設(shè)計(jì)

除自撐式整流器之外，其他電化學(xué)用整流器均為柜式結(jié)構(gòu)。所以，整流器柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其所用材料的選擇也非常重要。根據(jù)整流器柜體的功能和作用，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要有：

1.柜體強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

a.靜態(tài)條件下的承重要求；

b.抗吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)態(tài)沖擊；

c.滿(mǎn)載運(yùn)行情況下的抗震和噪聲等級(jí)要求；

d.保證短路狀態(tài)下的機(jī)械穩(wěn)定性。

2.柜體防護(hù)等級(jí)。

按照家標(biāo)準(zhǔn)GB4208（IEC529）“外殼防護(hù)等級(jí)的分類(lèi)”的規(guī)定，整流器柜體通常采用的防護(hù)等級(jí)見(jiàn)下表。

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3.柜體防磁。

前面已經(jīng)提到，電化學(xué)用整流器的運(yùn)行電流有3 個(gè)突出的特點(diǎn)：第一，輸人輸出電流大，小則數(shù)千安培，大到幾萬(wàn)安培；第二，從變壓器閥側(cè)輸人到直流匯流點(diǎn)，各相和各整流臂中所流過(guò)的電流都是交變的；第三，各整流臂內(nèi)流過(guò)的電流波形近似梯形波，含有豐富的高次諧波成分（注：直流輸出電壓越高，直流回路電感越大，整流臂內(nèi)電流波形更接近于矩形波，所含高次諧波分量也就越大）。

大電流交變電流會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)的危害主要表現(xiàn)在：第一，因電磁感應(yīng)（渦流或環(huán)流）引起柜體和整流器內(nèi)部鋼鐵構(gòu)件局部過(guò)熱（嚴(yán)重情況下，會(huì)導(dǎo)致局部被燒紅），并產(chǎn)生附加損耗；第二，引起各相、各整流臂以及整流臂內(nèi)各并聯(lián)支路之間電流分配不平衡。

鋼結(jié)構(gòu)整流器柜體的防磁，目的在于防止大電流交變磁場(chǎng)引起柜體鋼構(gòu)件局部過(guò)熱。實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以綜合具體情況，采取以下措施：

a.整流主電路聯(lián)結(jié)采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，能很好地從根本上解決大電流交變磁場(chǎng)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，包括柜體發(fā)熱問(wèn)題?？墒?，同相逆并聯(lián)技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，不一定適合所有的電化學(xué)用整流器。如低壓大電流整流器（功率小，體積小，不宜采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)）和高電壓大電流整流器（直流電壓太高，防直流短路困難，不宜采用完全的同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)）。

b.根據(jù)電磁感應(yīng)原理，采用屏蔽措施。在母線(xiàn)和可能發(fā)熱的柜體鋼構(gòu)件之間，加上1 塊高導(dǎo)磁、高電阻率的磁屏蔽板（如硅鋼片），給交變磁場(chǎng)提供旁路，或者采用不導(dǎo)磁、電阻率很低的反磁材料（如鋁板）構(gòu)成電屏蔽（由渦流電流產(chǎn)生反向磁場(chǎng)阻止交變磁場(chǎng)的穿透作用）。然而，這種方法可行性很有限。

c.為了隔斷柜體構(gòu)件形成的閉合磁路，或者切斷可能形成的環(huán)流，可以部分采用非導(dǎo)磁（或不導(dǎo)電）材料，如不銹鋼材料，合金鋁材、鋼化玻璃、絕緣材料、工程塑料等。需要焊接的骨架，在可能發(fā)熱的部位采用不銹鋼材料，如1Cr18Ni9Ti；交直流進(jìn)出線(xiàn)位置，采用高（機(jī)械和絕緣）強(qiáng)度的環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板，如3240，346 等；支撐整流臂的承重梁，可以采用鋁合金型材或絕緣材料，如角鋁、槽鋁、絕緣角、絕緣槽、絕緣條、絕緣棒等；柜門(mén)可以大面積地采用鋼化玻璃制作；各種管、套等部件，也可以采用工程塑料制造，如ABS，PPO 和PPR 等。

d.在空間尺寸允許的條件下，增大導(dǎo)電母線(xiàn)與柜體鋼鐵構(gòu)件之間的空間距離，也是非常有效的防磁方法。如焊接成形的柜體骨架，閉合環(huán)路不可避免，必須增大通有文變電流的母線(xiàn)與閉合環(huán)路之間的空間距離。經(jīng)驗(yàn)證明，如果沒(méi)有反方向電流起抵消作用的話(huà)，這個(gè)距離不得小于300mm。

4.柜體防腐。

鋼結(jié)構(gòu)整流器柜體的防腐處理措施主要有：

a.表面著漆，可以噴漆、烤漆或泳漆，漆層厚度（底漆+面漆）不得小于100μm。

b.表面噴塑，噴塑的防腐效果最好，覆蓋層厚度不得小于80μm。