摘要:说明了作为大功率整流器中整流管或晶闸管的短路保护元件――快速熔断器的选型与参数计算。

关键词:整流器；快速熔断器；短路保护

    快速熔断器在大功率整流器中与整流管或晶闸管串联连接,作为对整流器件短路故障的保护元件。当整流器件发生反向击穿故障时,快速熔断器快速分断故障支路的短路电流,保护整流器免受故障短路电流的危害。

1  大功率整流器的特点

    大功率整流器可以电解铝用整流器为代表,在我国随着单个电解槽产量的提高,电解铝的年产量已由100kt增加到140kt,于是槽电压已由800V提高到1200V,槽电流已由160kA增至280kA,相应的整流变压器容量已提高到75～100MVA。单台输出电流高达50～75kA的整流器,对整流管、快速熔断器也提出了更高的技术要求。

    图1为年产140kt电解铝用直流系统图,它由四组整流机组并联组成,其中一组为备用。每组整流变压器容量2×54.99MVA,向二台1220V、37kA整流装置供电。整流器采用三相桥式同相逆并联电路,每桥臂由4只ZP-A整流管并联组成,下面讨论如何选用合适的快速熔断器进行保护。

    UNF值应稍大于熔断器熔断后两端出现的外加电压稳态最大有效值。对数台整流器并联运行的直流供电系统,当其中某一桥臂短路时,或逆变器中发生桥臂直通故障时,施加在熔断器二端的电压为交流电压UVO与部分直流电压Udo之和,可按下式计算[1]:

    INF的选用应以整流电路中实际流过熔断器的电流有效值IF为基础,并考虑环境温度(系数ka),冷却条件(系数kT),电流裕度(系数kI)等因素影响进行计算,而不是按与熔断器串联的半导体器件的通态电流平均值转化成有效值来计算。当流过熔断器的电流是脉冲波形时,应计算相应的有效值,而不是取其最大值。

式中:k值一般可取1.5～2。对自冷式熔断器,k取较大值,尤其对熔断器两端连接导线特别短的电路结构,需取最大值；对水冷式熔断器k取较小值。快速熔断器选用的额定电流过大,势必增加熔断器的I2tF值,对半导体器件的保护是有害的。

    图1中每个整流桥臂有4个整流管并联工作,当均流系数按0?9考虑时,则流过熔断器中的最大电流的有效值为

    由于大电流快速熔断器采用水冷式结构,因此它的额定电流可选用INF=1.5IFmax≈4500A。当桥臂中一个整流管损坏后,流过熔断器的电流增加到3960A,仍可保证整流器额定电流的输出。

    当半导体器件与快速熔断器串联工作时,半导体器件允许通过的I2tD值应大于快速熔断器的I2tF值,不然熔断器熔断时,器件也被烧损。二者关系可按下式计算

    整流管的I2tD值随电流的倍数平方值增加,见表1。快速熔断器的I2tF值则增加更快,见表2。从表1、表2中可以看出,200A整流管可配315A熔断器作保护,而2000A整流管只能配用2200A以下熔断器作保护了。

大功率整流器的桥臂中通常设计为2～6个整流管并联运行,如图1所示。当A相某整流管反向击穿形成变压器阀侧短路时,流过两个健全臂(B、C相)的电流幅值并不相等,B、C相电流幅值为A相短路电流幅值的50％～80％[2]。图2为1500V、2000A整流器中快速熔断器保护试验波形,它是在人工短接A相桥臂整流管(相当于整流管反向击穿而形成桥臂短路)时拍摄的变压器阀侧短路的相关波形图。从图2中看出,人工短接整流管支路的快速熔断器经9.9ms后分断(由于短路电流值较小,因此分断速度较慢),B、C相熔断器与整流管完好,流过B、C相桥臂的短路电流幅值分别为12.3kA与11.0kA,为A相桥臂短路电流幅值的60％与54％。短路电流的幅值大小与产生短路的时刻(合闸角)及短路电路中的感抗X与电阻R值等因素有关。从这个观点考虑,在多个整流管并联的桥臂中,快速熔断器的I2tF值允许大于串联连接的整流管的I2tD值,但不宜相差太多。众所周知,熔断器的熔断能量I2tF是熔化能量I2t1与燃弧能量I2t2之和,即I2tF=I2t1＋I2t2,I2t1值约为(15～25)％I2tF。因此,在选用快速熔断器时,要防止流过健全臂中熔断器的I2t1值过大,否则会引起健全臂中熔断器热疲劳损坏及整流管的过载损坏。

图2  模拟整流管击穿短路时的相关波形图

熔断器的I2tF值与其设计参数,生产工艺有关。因此,由于生产厂家不同,设计参数不同,生产工艺不同,国内外厂家生产的相同额定电压,额定电流的快速熔断器,却有着不同的I2tF值。如西安西整熔断器厂生产的A快速熔断器老产品的I2tF值为76×106A2s,而该企业的新产品RS-AP115SS型快速熔断器(1000V、6000A)的I2tF值为55×106A2s,二者相差38％。因此,在设计大功率整流器时,对于具有相同电压和电流的快速熔断器应优先选用I2tF值较小的。

    按上所述,针对图1中的大功率整流器选用快速熔断器时,应选用I2tF值为40×106A2s,与ZP?A整流管的I2tD相比,后者I2tD值为30×106A2s,尚小于前者,但相差不大。由于桥臂上有四只整流管并联工作,这样选用快速熔断器是合理的,并且是可靠的。

    大功率整流器的整流变压器容量大,当变压器阀侧桥臂短路时,短路电流相当大,整流器或直流电源系统设计时应计算桥臂短路电流值与直流侧短路电流值。被选用快速熔断器的分断能力应大于可能流过故障支路熔断器的最大短路电流值,否则快速熔断器在分断短路电流时可能会发生瓷套炸裂、喷弧、甚至烧损整流器等现象。

    文献[3]曾对图1所示整流电路的桥臂短路电流进行过计算,流过桥臂故障整流管的稳态短路电流有效值IbD=186kA,直流侧短路时,短路电流平均值IbDp1=100.12kA。

在数台整流器并联的直流电源系统中,对三相桥式电路的桥臂熔断器核算其分断短路电流值时,可以计算整流变压器阀侧短路的稳态电流有效值。但对双反星型电路的整流器来说,流过故障桥臂熔断器的短路电流除上述变压器阀侧短路的交流分量外,尚包含其余并联整流器输入的直流电流分量,这时,快速熔断器应有更高的分断能力。过去国产快速熔断器的分断能力为50、70、100kA数种,已不能适应大功率整流器配套的需要。目前,西安西整熔断器厂已研制成功RS4(H)系列高分断能力的快速熔断器,经国际著名试验站试验,其分断能力达到230kA(有效值),可满足大功率整流器配套的需要。

    快速熔断器分断时,其断口产生的过电压为熔断器工作电压的2～2.5倍,为此要防止正常的半导体器件受到损害。

    快速熔断器的选型应综合考快速熔断器的选型应综合考虑额定电压UNF、额定电流INF、最大熔断I2t值、分断能力等参数,以做出最佳选

　　《全球与中国大功率整流器市场现状及前景趋势分析报告（年）》对全球及我国大功率整流器行业现状、发展变化、竞争格局等情况进行全面的调研分析，并对未来大功率整流器市场发展动向进行科学预测，还根据大功率整流器行业的发展轨迹对大功率整流器行业未来发展前景作了审慎的判断，为大功率整流器产业投资者寻找投资亮点。

　　《全球与中国大功率整流器市场现状及前景趋势分析报告（年）》最后阐明大功率整流器行业的投资空间，指明投资方向，提出研究者的战略建议，以供投资决策者参考。

第一章 大功率整流器市场概述

　　第一节 大功率整流器产品定义及统计范围

　　按照不同产品类型，大功率整流器主要可以分为如下几个类别

　　　　一、不同产品类型大功率整流器增长趋势

　　　　二、类型（一）

　　　　三、类型（二）

　　　　四、类型（三）

　　第三节 从不同应用，大功率整流器主要包括如下几个方面

　　　　一、应用（一）

　　　　二、应用（二）

　　第四节 全球与中国大功率整流器发展现状及趋势

　　　　一、全球大功率整流器发展现状及未来趋势（年）

　　　　二、中国大功率整流器发展现状及未来趋势（年）

　　第五节 全球大功率整流器供需现状及年预测

　　　　一、全球大功率整流器产能、产量、产能利用率及发展趋势（年）

　　　　二、全球大功率整流器产量、表观消费量及发展趋势（年）

　　第六节 中国大功率整流器供需现状及年预测

　　　　一、年中国大功率整流器产能、产量、产能利用率及年趋势

　　　　二、中国大功率整流器产量、表观消费量及发展趋势（年）

　　　　三、中国大功率整流器产量、市场需求量及发展趋势（年）

　　第七节 中国及欧美日等大功率整流器行业政策分析

第二章 全球与中国主要厂商大功率整流器产量、产值及竞争分析

　　第一节 全球大功率整流器主要厂商列表（年）

　　　　一、全球大功率整流器主要厂商产量列表（年）

　　　　二、全球大功率整流器主要厂商产值列表（年）

　　　　三、2020年全球主要生产商大功率整流器收入排名

　　　　四、全球大功率整流器主要厂商产品价格列表（年）

　　第二节 中国大功率整流器主要厂商产量、产值及市场份额

　　　　一、中国大功率整流器主要厂商产量列表（年）

　　　　二、中国大功率整流器主要厂商产值列表（年）

　　第三节 大功率整流器厂商产地分布及商业化日期

　　第四节 大功率整流器行业集中度、竞争程度分析

　　　　一、大功率整流器行业集中度分析：全球Top 5和Top 10生产商市场份额

　　　　二、全球大功率整流器第一梯队、第二梯队和第三梯队生产商（品牌）及市场份额

　　第五节 全球领先大功率整流器企业SWOT分析

　　第六节 全球主要大功率整流器企业采访及观点

第三章 全球主要大功率整流器生产地区分析

　　第一节 全球主要地区分析

　　　　一、全球主要地区大功率整流器产量及市场份额（年）

　　　　二、全球主要地区大功率整流器产量及市场份额预测（年）

　　　　三、全球主要地区大功率整流器产值及市场份额（年）

　　　　四、全球主要地区大功率整流器产值及市场份额预测（年）

　　第二节 北美市场大功率整流器产量、产值及增长率（年）

　　第三节 欧洲市场大功率整流器产量、产值及增长率（年）

　　第四节 中国市场大功率整流器产量、产值及增长率（年）

　　第五节 日本市场大功率整流器产量、产值及增长率（年）

　　第六节 东南亚市场大功率整流器产量、产值及增长率（年）

　　第七节 印度市场大功率整流器产量、产值及增长率（年）

第四章 全球消费主要地区分析

　　第一节 全球主要地区大功率整流器消费展望（年）

　　第二节 全球主要地区大功率整流器消费量及增长率（年）

　　第三节 全球主要地区大功率整流器消费量预测（年）

　　第四节 中国市场大功率整流器消费量、增长率及发展预测（年）

　　第五节 北美市场大功率整流器消费量、增长率及发展预测（年）

　　第六节 欧洲市场大功率整流器消费量、增长率及发展预测（年）

　　第七节 日本市场大功率整流器消费量、增长率及发展预测（年）

　　第八节 东南亚市场大功率整流器消费量、增长率及发展预测（年）

　　第九节 印度市场大功率整流器消费量、增长率及发展预测（年）

　　第一节 大功率整流器重点企业（一）

　　　　一、重点企业（一）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（一）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（一）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（一）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（一）最新动态

　　第二节 大功率整流器重点企业（二）

　　　　一、重点企业（二）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（二）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（二）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（二）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（二）最新动态

　　第三节 大功率整流器重点企业（三）

　　　　一、重点企业（三）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（三）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（三）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（三）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（三）最新动态

　　全球與中國大功率整流器市場現狀及前景趨勢分析報告（年）

　　第四节 大功率整流器重点企业（四）

　　　　一、重点企业（四）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（四）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（四）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（四）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（四）最新动态

　　第五节 大功率整流器重点企业（五）

　　　　一、重点企业（五）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（五）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（五）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（五）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（五）最新动态

　　第六节 大功率整流器重点企业（六）

　　　　一、重点企业（六）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（六）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（六）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（六）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（六）最新动态

　　第七节 大功率整流器重点企业（七）

　　　　一、重点企业（七）基本信息、大功率整流器生产基地、销售区域、竞争对手及市场地位

　　　　二、重点企业（七）大功率整流器产品规格、参数及市场应用

　　　　三、重点企业（七）大功率整流器产能、产量、产值、价格及毛利率统计

　　　　四、重点企业（七）概况、主营业务及总收入

　　　　五、重点企业（七）最新动态

第六章 不同类型大功率整流器市场分析

　　第一节 全球不同类型大功率整流器产量（年）

　　　　一、全球不同类型大功率整流器产量及市场份额（年）

　　　　二、全球不同类型大功率整流器产量预测（年）

　　第二节 全球不同类型大功率整流器产值（年）

　　　　一、全球不同类型大功率整流器产值及市场份额（年）

　　　　二、全球不同类型大功率整流器产值预测（年）

　　第三节 全球不同类型大功率整流器价格走势（年）

　　第四节 不同价格区间大功率整流器市场份额对比（年）

　　第五节 中国不同类型大功率整流器产量（年）

　　　　一、中国不同类型大功率整流器产量及市场份额（年）

　　第六节 中国不同类型大功率整流器产值（年）

　　　　一、中国不同类型大功率整流器产值及市场份额（年）

　　　　二、中国不同类型大功率整流器产值预测（年）

第七章 大功率整流器上游原料及下游主要应用分析

　　第一节 大功率整流器产业链分析

　　第二节 大功率整流器产业上游供应分析

　　　　一、上游原料供给状况

　　　　二、原料供应商及联系方式

　　第三节 全球不同应用大功率整流器消费量、市场份额及增长率（年）

　　　　一、全球不同应用大功率整流器消费量（年）

　　　　二、全球不同应用大功率整流器消费量预测（年）

　　第四节 中国不同应用大功率整流器消费量、市场份额及增长率（年）

　　　　一、中国不同应用大功率整流器消费量（年）

　　　　二、中国不同应用大功率整流器消费量预测（年）

第八章 中国大功率整流器产量、消费量、进出口分析及未来趋势

　　第一节 中国大功率整流器产量、消费量、进出口分析及未来趋势（年）

　　第二节 中国大功率整流器进出口贸易趋势

　　第三节 中国大功率整流器主要进口来源

　　第四节 中国大功率整流器主要出口目的地

　　第五节 中国大功率整流器未来发展的有利因素、不利因素分析

第九章 中国大功率整流器主要生产消费地区分布

　　第一节 中国大功率整流器生产地区分布

　　第二节 中国大功率整流器消费地区分布

　　グローバルおよび中国の高出力整流器市場の状況と展望分析レポート（）

第十章 影响中国大功率整流器供需的主要因素分析

　　第一节 大功率整流器技术及相关行业技术发展

　　第二节 贸易现状及趋势

　　第三节 大功率整流器下游行业需求变化因素

　　第四节 市场大环境影响因素

　　　　一、中国及欧美日等整体经济发展现状调研

　　　　二、国际贸易环境、政策等因素

第十一章 大功率整流器行业、产品及技术发展趋势（年）

　　第一节 大功率整流器行业及市场环境发展趋势

　　第二节 大功率整流器产品及技术发展趋势

　　第三节 大功率整流器产品价格走势

　　第四节 大功率整流器市场消费形态、消费者偏好（年）

第十二章 大功率整流器销售渠道分析及建议

　　第一节 国内大功率整流器销售渠道

　　第二节 海外市场大功率整流器销售渠道

　　第三节 大功率整流器销售/营销策略建议

第十三章 研究成果及结论