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整流器是電解鋁廠的核心設備，一旦投運，不允許較長時間的停機。否則會造成巨大損失，甚至導致鋁液在電解槽中冷卻凝結。這時除了產出損失，客戶還要投巨資修復故障的電解生產線。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中大功率整流設備上的應用，對在其他行業中的應用也有提及。 本文首先闡述了半導體整流器的熔斷器保護原則，隨后對選型涉及的幾個關鍵參數做了說明。這些參數選擇對整流器的安全穩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。 1. 介紹 高參數快速熔斷器主要用于大功率半導體設備的保護。典型的此類半導體設備是利用二極管或晶閘管將交流電源轉換成直流的大功率整流器。大功率整流的工業應用很多，本文提及的只是其中的一部分。 2. 大功率整流應用 鋁電解 金屬鋁主要是由電解過程生產出來。世界上的很多鋁廠都在擴大生產規模以提高效率，滿足市場對鋁的需求。鋁電解生產的過程是，氧化鋁(Al2O3)在電解槽中發生電解反應，生成鋁和氧氣：2 Al2O3+3C→4Al+3CO2 電解槽為大而淺的鋼槽，內側襯有碳層，不同電解槽在電氣上為串聯連接。每個電解槽中，直流電流經石墨陽極流入呈融化狀的氧化鋁電解液，然后經電解槽內襯的碳陰極流出，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點是生產能力大、生產效率高以及噪音低。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，連續負荷電流穩定地流過半導體和熔斷器。電弧爐應用則不同，它們生產過程的特點使得負荷電流經常有嚴重的脈沖成分，因此在半導體和熔斷器選型時需要經過非常仔細的計算和校驗。 石墨爐 很多石墨產品的生產，如電極等，也要用到直流爐。典型過程參數為：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、鎘等金屬生產的過程電流也需要由大功率整流過程產生。 3. 快速熔斷器應用 大功率整流器：大功率整流器的核心元件是半導體(二極管或晶閘管)和快速熔斷器。功率半導體元件的有效利用在很大程度上取決于如何將半導體損耗產生的熱量及時散發出去。 解決方法是強制冷卻，風冷和水冷散熱都是業界的標準做法。對于大功率整流器，用去離子水(添加乙二醇作為防凍劑)冷卻更為有效，也是大多數主流整流器生產廠家的選擇。現在半導體元件的雙面冷卻已經是業界的標準做法，為了增加輸出電流，快熔的雙面冷卻也比以往有了更多的采用。過去，快速熔斷器大多采用單面冷卻。 現代的生產過程需要越來越高的過程電流，為滿足這種需求，Bussmann開發出了單體設計的五號快速熔斷器。這種設計優化了熔斷器在強制冷卻時的總體散熱性能。 快速熔斷器的額定電壓 執行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之一。發生故障時，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中。10%的安全裕度是考慮在惡劣的系統條件下，專門針對系統電壓波動而設置的。 在整流應用中，由于沒有再生負載，額定電壓選擇依據整流器輸入線電壓。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線上有440只電解槽串聯，這等效于每年39萬噸鋁的生產能力。 |
