大功率整流器中快速熔断器的选型

大功率整流器中快速熔断器的选型摘要：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-4800V/4500A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。

图1 整流系统结构图

2 快速熔断器的选用

2.1 熔断器的额定电压U NF

U NF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U VO与部分直流电压U do之和，可按下式计算[1]：

>（三相桥式电路）>（双反星形电路）

=·

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I2t F值允许大于串联连接的整流管的I2t D值，但不宜相差太多。众所周知，熔断器的熔断能量I2t F是熔化能量I2t1与燃弧能量I2t2之和，即I2t F=I2t1＋I2t2，I2t1值约为（15～25）％I2t F。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I2t F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I2t F值。如西安西整熔断器厂生产的1000V，6000A快速熔断器老产品的I2t F值为76×106A2s，而该企业的新产品RS-1000V/6000AP115SS型快速熔断器（1000V、6000A）的I2t F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I2t F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I2t F值为

40×106A2s，与ZP 4800V/4500A整流管的I2t D相比，后者I2t D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。

2.4 分断能力的核算

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I bD=186kA，直流侧短路时，短路电流平均值I bDp1=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。

2.5 燃弧峰值电压

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。

3 结语

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