大功率整流器中快速熔斷器的選型

摘要：說明了作為大功率整流器中整流管或晶閘管的短路保護元件——快速熔斷器的選型與參數計算。

關鍵詞：整流器；快速熔斷器；短路保護

??? 快速熔斷器在大功率整流器中與整流管或晶閘管串聯連接，作為對整流器件短路故障的保護元件。當整流器件發生反向擊穿故障時，快速熔斷器快速分斷故障支路的短路電流，保護整流器免受故障短路電流的危害。

1? 大功率整流器的特點

??? 大功率整流器可以電解鋁用整流器為代表，在我國隨著單個電解槽產量的提高，電解鋁的年產量已由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，相應的整流變壓器容量已提高到75～100MVA。單臺輸出電流高達50～75kA的整流器，對整流管、快速熔斷器也提出了更高的技術要求。

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

圖1? 整流系統結構圖

2? 快速熔斷器的選用

2.1? 熔斷器的額定電壓U_NF

??? U_NF值應稍大于熔斷器熔斷后兩端出現的外加電壓穩態最大有效值。對數臺整流器并聯運行的直流供電系統，當其中某一橋臂短路時，或逆變器中發生橋臂直通故障時，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中整流變壓器閥側電壓1050V，可選用1200V電壓等級的快速熔斷器。

2.2? 熔斷器的額定電流I_NF

??? I_NF的選用應以整流電路中實際流過熔斷器的電流有效值I_F為基礎，并考慮環境溫度（系數k_a），冷卻條件（系數k_T），電流裕度（系數k_I）等因素影響進行計算，而不是按與熔斷器串聯的半導體器件的通態電流平均值轉化成有效值來計算。當流過熔斷器的電流是脈沖波形時，應計算相應的有效值，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。對自冷式熔斷器，k取較大值，尤其對熔斷器兩端連接導線特別短的電路結構，需取最大值；對水冷式熔斷器k取較小值。快速熔斷器選用的額定電流過大，勢必增加熔斷器的I²t_F值，對半導體器件的保護是有害的。

??? 圖1中每個整流橋臂有4個整流管并聯工作，當均流系數按0?9考慮時，則流過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構，因此它的額定電流可選用I_NF=1.5I_Fmax≈4500A。當橋臂中一個整流管損壞后，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

??? 當半導體器件與快速熔斷器串聯工作時，半導體器件允許通過的I²t_D值應大于快速熔斷器的I²t_F值，不然熔斷器熔斷時，器件也被燒損。二者關系可按下式計算

??? I²t_F≤0.9I²t_D

??? 整流管的I²t_D值隨電流的倍數平方值增加，見表1。快速熔斷器的I²t_F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，而2000A整流管只能配用2200A以下熔斷器作保護了。

表1? ZP型整流管的I²t_D值（平均值）

表2? 法國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計為2～6個整流管并聯運行，如圖1所示。當A相某整流管反向擊穿形成變壓器閥側短路時，流過兩個健全臂（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試驗波形，它是在人工短接A相橋臂整流管（相當于整流管反向擊穿而形成橋臂短路）時拍攝的變壓器閥側短路的相關波形圖。從圖2中看出，人工短接整流管支路的快速熔斷器經9.9ms后分斷（由于短路電流值較小，因此分斷速度較慢），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生短路的時刻（合閘角）及短路電路中的感抗X與電阻R值等因素有關。從這個觀點考慮，在多個整流管并聯的橋臂中，快速熔斷器的I²t_F值允許大于串聯連接的整流管的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，要防止流過健全臂中熔斷器的I²t₁值過大，否則會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的相關波形圖

??? 熔斷器的I²t_F值與其設計參數，生產工藝有關。因此，由于生產廠家不同，設計參數不同，生產工藝不同，國內外廠家生產的相同額定電壓，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生產的1000V，6000A快速熔斷器老產品的I²t_F值為76×10⁶A²s，而該企業的新產品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，在設計大功率整流器時，對于具有相同電壓和電流的快速熔斷器應優先選用I²t_F值較小的。

??? 按上所述，針對圖1中的大功率整流器選用快速熔斷器時，應選用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工作，這樣選用快速熔斷器是合理的，并且是可靠的。

2.4? 分斷能力的核算

??? 大功率整流器的整流變壓器容量大，當變壓器閥側橋臂短路時，短路電流相當大，整流器或直流電源系統設計時應計算橋臂短路電流值與直流側短路電流值。被選用快速熔斷器的分斷能力應大于可能流過故障支路熔斷器的最大短路電流值，否則快速熔斷器在分斷短路電流時可能會發生瓷套炸裂、噴弧、甚至燒損整流器等現象。

??? 文獻[3]曾對圖1所示整流電路的橋臂短路電流進行過計算，流過橋臂故障整流管的穩態短路電流有效值I_bD=186kA，直流側短路時，短路電流平均值I_bDp1=100.12kA。

??? 在數臺整流器并聯的直流電源系統中，對三相橋式電路的橋臂熔斷器核算其分斷短路電流值時，可以計算整流變壓器閥側短路的穩態電流有效值。但對雙反星型電路的整流器來說，流過故障橋臂熔斷器的短路電流除上述變壓器閥側短路的交流分量外，尚包含其余并聯整流器輸入的直流電流分量，這時，快速熔斷器應有更高的分斷能力。過去國產快速熔斷器的分斷能力為50、70、100kA數種，已不能適應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）系列高分斷能力的快速熔斷器，經國際著名試驗站試驗，其分斷能力達到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

??? 快速熔斷器分斷時，其斷口產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體器件受到損害。

3? 結語

??? 快速熔斷器的選型應綜合考慮額定電壓U_NF、額定電流I_NF、最大熔斷I²t值、分斷能力等參數，以做出最佳選擇。