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]：

    U_NF>（三相桥式电路）

    或U_NF>（双反星形电路）

    图1中整流变压器阀侧电压1050V，可选用1200V电压等级的快速熔断器。

2.2  熔断器的额定电流I_NF

    I_NF的选用应以整流电路中实际流过熔断器的电流有效值I_F为基础，并考虑环境温度（系数k_a），冷却条件（系数k_T），电流裕度（系数k_I）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。

    I_NF≥I_F·k_a·k_T·k_I≥k·I_F

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I²t_F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

    I_Fmax=·I_d/2(0.9×3×4)=2970A

    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I_NF=1.5I_Fmax≈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。

2.3  I²t值的核算

    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I²t_D值应大于快速熔断器的I²t_F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

    I²t_F≤0.9I²t_D 

 整流管的I²t_D值随电流的倍数平方值增加，见表1。快速熔断器的I²t_F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。

表1  ZP型整流管的I²t_D值（平均值）

表2  法国FERRAZ公司PSC系列（660V）快速熔断器的最大熔断I²t_F值

    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。