摘要：关于同相逆并联在生产中的运用随着国家近几年来经济的高速发展，氯碱行业也迎来了前所未有的高潮。目前全国已建和在建离子膜烧碱已近716.25万吨/年，其中已投产358.25万吨/年，在建、计划建的大约在358万吨/年，基本上都是采用先进的离子膜电解槽，而且90%以上都是复极式电解槽，单槽直流电流10KA～15KA之间，直流电压300V～450V之间，这种规格电槽的电流电压决定了整流装置的容量属高压、小电流……

关键词：同相逆并联 整流装置 应用

随着国家近几年来经济的高速发展，氯碱行业也迎来了前所未有的高潮。目前全国已建和在建离子膜烧碱已近716.25万吨/年，其中已投产358.25万吨/年，在建、计划建的大约在358万吨/年，基本上都是采用先进的离子膜电解槽，而且90%以上都是复极式电解槽，单槽直流电流10KA～15KA之间，直流电压300V～450V之间，这种规格电槽的电流电压决定了整流装置的容量属高压、小电流。从国内离子膜复极槽所配整流装置来看，直流电流I_d=15KA左右，直流电压U_d=300V～450V，一台整流装置对应一台电解槽居多。但从整流装置的定货情况来看，国内制造的整流装置无一例外都采用同相逆并联技术，从国外引进的有采用非同相逆并联的整流装置。而且都是用户要求采用同相逆并联技术，说明同相逆并联这种先进技术很有市场，问其为什么要采用同相逆并联技术，回答都不是很充分，因为其他都采用，所以要采用。说明对同相逆并联的认识不是很了解，或者了解不够深入。同相逆并联是一种技术，是一种在交流导排电流大，导排距离长的条件下减小感抗优势比较明显的技术，但当交流导排距离短，电流小，在这种条件下，它的技术优势就不明显，原有的优势就退位了，其他方面劣势就凸显出来，成为主要矛盾。它的整体优势就不是唯一的最佳选择，为让大家对同相逆并联在整流装置中的应用进一步了解，特对同相逆并联的技术特点作一定量分析。

■一、同相逆并联的技术特点是什么

同相逆并联就就是利用相同相位、极性相反的两根导排组成的母线在整流装置中并联应用，要求条件是变压器阀侧由一个线圈分为二个线圈，而且要反极性使用，见图一：

图一

它的特点就是利用通过导体产生的磁力线相互抵消，达到减少导排的互感，最终减少母线的交流阻抗，达到提高功率因数的目的。当导排中的电流达到一定数值以上时，导排中电流产生的磁力线在周围的钢结构中产生电动势，形成涡流，涡流电流使钢结构发热，生成附加损耗。采用同相逆并联后，可以减少这种附加损耗。

同相逆并联接线如图二所示：

整流柜内，如在t₁～t₂时间内，a₁₁、a₂₁对b₁₆、b₂₆都同时导电，过60°电角度后，a₁₁、a₂₁对c₁₂、c₂₂同时导电，其它导排电位处于低电压，硅元件不导通，电路中电流通过，a₂₁、a₁₁、c₁₂、c₂₂分别形成逆并联电路，其他时间类推。导通顺序如图三所示：

图二

图三

现在来分析同相逆并联在工作时减小互感的工作原理，此时电路电抗以a相来说明，如：a₁₁相的电感L₁等于本相的自感加、减本相与其它导电相的互感。

L₁= L_a11 – M_a11。a21 M_a11。b26- M_a11。b16

自感按公式计算：

互感按公式计算：

式中：

L——导排长度，cm

D——导排自几何均距，D=0.224（a b），cm。

（a、b分别为导排的宽和高）

导排互几何均距，

D=[1/(4d₁ d₂)]·[d²-(d₁- d₂)² ln[(d₁- d₂)² d²]

[1/(4d₁ d₂)]·(d₁²- d²)ln(d₁² d²)

[1/(4d₁ d₂)]·(d₂²- d²)ln(d₂² d²)

[1/(2d₁ d₂)]·d² lnd (d/ d₁ d₂)·(d₂- d₁)arctg[(d₂- d₁)/d]

(d/ d₂)·arctg (d₁/d) (d/ d₁)·arctg (d₂/d)-3/2

(式中d₁ 、d₂分别为导排的长度，d为导排的间距)

同理可得b₂₆相电感L₂= L_b26 – M_b26。b16 M _b26。a11- M_b26。a21，同样整流柜a₁₁和b₂₆对应的交流母线和直流支路母线电感也依此类推。

■二、非同相逆并联整流接线

在t₁～t₂时间内，a₁、b₆同时导电，a₁相的电感：

L= L_a1-M _a1。b6

其它类推。

式中：

L——导排长度，cm

D——导排自几何均距，D=0.224（a b），cm。

（a、b分别为导排的宽和高）

导排互几何均距，如前所示。

■三、通过一个实例计算来进行比较

1、 参数：直流电压450V，直流电流15KA。

2、 布置位置图：

3、 进线方式：

①同相逆并联：

②非同相逆并联整流柜内接线布置图：

下面举例比较：同相逆并联，以a₁₁、a₂₁、b₁₆、b₂₆为例进行计算，交流导排截面150×18mm，长度L为1500mm。

L₁= L_a11 – M_a11。a21 M_a11。b26- M_a11。b16

由公式可推知，在互几何均距达到110cm时，互感的影响就可以忽略不计。所以a₁₁的电感为：

L₁=（10.136-5.765 0.3）×10^-7 =4.671×10^-7 H

同样计算可得b₂₆的电感L₂为3.888×10^-7 H，等效电感按下式计算：

L=（L₁ L₂）/4 =（3.888 4.671）/4×10^-7=2.140×10^-7 H。

若将交流导排长度减少为100cm，此时等效电感L为1.458×10^-7 H。

非同相逆并联，以a₁、b₆为例进行计算，交流导排截面300×40mm，长度L为1500mm。

L= L_a1-M _a1。b6

所以a₁的电感为L=（8.021-0.266）×10^-7 =7.755×10^-7 H。若将导排长度改为100cm，此时a₁的电感L为4.536×10^-7 H。

通过以上计算，我们将计算结果列表如下：

由表格可以看出，对导排电感影响最大的是导排的长度，而非导排的互几何均距，在互几何均距达到60～80cm后，导排间的互感就可忽略不计。

在整流柜内，由于现a₁₁相对应交流母线（图中A）和直流母线（图中B）也要产生电感，并在整流柜壳体及周围钢结构中产生电动势，形成涡流。其电感值计算如下：

a₁₁相对应的交流母线A的电感为：

L₁＇= L_a11＇– M_{a11＇。a21＇} M_{a11＇。b26＇}- M_{a11＇。b16＇}

　 M_{a11＇。a11〃}- M_{a11＇。a21〃} M_{a11＇。b26〃}- M_{a11＇。b16〃}

式中，a₁₁相对应的交流母线电感用a₁₁＇表示，a₁₁相对应的直流母线电感用a₁₁〃表示，L_a11＇表示a₁₁相交流母线的自感，M_{a11＇。a21＇}表示a₁₁相交流母线对a₂₁相交流母线的互感，M_{a11＇。a11〃}表示a₁₁相交流母线对a₁₁相直流母线的互感，其余类推。

经计算可得：L_a11＇=4.718×10^-7 H，

M_{a11＇。a21＇}=3.680×10^-7 H，

M_{a11＇。a11〃}=0.950×10^-7 H，

M_{a11＇。a21〃}=0.929×10^-7 H，

a₁₁相对b₁₆相和b₂₆相互感由于间距过长（138cm左右），可忽略不计。所以a₁₁相对应的交流母线A的电感为：

L₁＇=（4.718-3.680 0.950-0.929）×10^-7 H=1.059×10^-7 H。

（同理可得b₂₆相交流母线的电感L₂＇=1.059×10^-7 H）

a₁₁相对应的直流母线B的电感为：

L₁〃= L_a11〃– M_{a11〃。a21〃} M_{a11〃。b26〃}- M_{a11〃。b16〃}

　 M_{a11〃。a11＇}- M_{a11〃。a21＇} M_{a11〃。b26＇}- M_{a11〃。b16＇}

经计算可得：L_a11〃=6.439×10^-7 H，

M_{a11〃。a21〃}=5.270×10^-7 H，

M_{a11〃。a11＇}=0.950×10^-7 H，

M_{a11〃。a21＇}=0.929×10^-7 H，

a₁₁相对b₁₆相和b₂₆相互感由于间距过长（138cm左右），可忽略不计。所以a₁₁相对应的直流母线B的电感为：

=（4.718-3.680 0.950-0.929）×10^-7 H=1.190×10^-7 H。

（同理可得b₂₆相直流母线的电感L₂〃=1.190×10^-7 H）

而非同相逆并联，观察其柜内接线，交流导排经整流元件后，直接到总母线，因而没有这部分电感。

经过以上计算，在同相逆并联中，a₁₁相对应的总电感：

L_a0= L₁ L₁＇ L₁〃=（4.671 1.059 1.190）×10^-7 H=6.920×10^-7 H

B₂₆相对应的总电感：

L_b0= L₂ L₂＇ L₂〃=（3.888 1.059 1.190）×10^-7 H=6.173×10^-7 H

等效电感计算：

∴等效电感：（L_a0 L_b0）/4=（6.920 6.173）/4=3.273×10^-7 H

而非同相逆并联等效电感为7.755×10^-7 H。

现在对整流变压器感抗与导电相的电感进行比较。整流变压器铭牌数据如下：额定容量：8100KVA，

额定电流128.1/6120×2，

额定电压36500/382V，

空载电流1.88%，

空载损耗18.37KW，

短路阻抗U_K%=8%，

短路损耗60.99KW。

∴ Z = U_K/100·U_e²/S=8/100×382²/（8100×10³）=0.00144 Ω

R=（60.99×10³）/3×2×（6120）²=0.000272 Ω

X=（Z² - R²）^1/2=（14.4² – 1.36²）^1/2×10^-4=0.00141 Ω

将此感抗值换算为电感，

L=X/2πf=0.00141/2×3.14×50=4.490×10^-6 H。

（同样计算得非同相逆并联整流变压器电感为4.554×10^-6 H）

将计算结果列于下表，比较如下：

比较发现，导线产生的电感与变压器电感相比，相差一个10¹数量级。

4、 支路臂电流

①同相逆并联：15÷6=2.5 KA

②非同相逆并联：15÷3=5 KA

5、 支路元件数，按一般选择，δ3英寸元件整机安全系数取3.5倍。

a.同相逆并联

2.5 KA×3.5÷3=2.9 KA，可选3只3KA的元件

2.5 KA×3.5÷4=2.1 KA，可选4只2KA的元件

选择4只元件并联，当损坏一只元件后，由余下的3只元件并联运行。还要考虑均流系数的变化，如均流系数低，将造成连锁反应，最终把支路余下的3只元件全部烧坏。

均流系数=（∑各元件电流实际值之和/并联元件数）÷

并联元件的最大电流

出厂可按0.9校正。

选3只3KA元件安全系数太高，因为每臂损坏两只元件后，仍可正常运行（臂电流2.5KA，元件电流为3KA），选2只3KA的元件已经满足要求，安全系数定得太高，实际上是一种浪费。

每支臂 2只 共24只 3000A 2.4倍（最低1.2倍）

每支臂 3只 共36只 3000A 3倍以上

每支臂 4只 共48只 2000A 3倍以上

安全系数的取值与支臂元件数和元件电流容量有关，如果不考虑元件数和元件电流容量，统一定安全系数是不合理的。只要元件电流大于臂电流，均流度在安全上就失去意义，只对减少损耗有作用。（损耗等于I²R）

b.非同相逆并联

每支臂电流 15 KA÷3=5 KA

每支臂选择2个元件，可选5800A元件，安全2.32倍，最低

1.61倍。

每支臂 2只 共12只 5800A

6、 安全风险、可靠性度的计算

按一元件的可靠系数99.9%计算。

a.同相逆并联

24只元件，安全系数为：0.999²⁴=0.976

36只元件，安全系数为：0.999³⁶=0.964

48只元件，安全系数为：0.999⁴⁸=0.953

b.非同相逆并联

12只元件，安全系数为：0.999¹²=0.988

如果再考虑熔断器、冷却器因数，可靠系数都按99.9%计算，结果如下：

12只元件，安全系数为：0.999³⁶=0.964

24只元件，安全系数为：0.999⁷²=0.930

36只元件，安全系数为：0.999¹⁰⁸=0.897

48只元件，安全系数为：0.999¹⁴⁴=0.866

7、 交流导排数

a.同相逆并联需要12块；

b.非同相逆并联需要6块。

8、 直流导排数

a.同相逆并联需要12块 2块总母线；

b.非同相逆并联需要2块总母线。

9、 元件电流的限制

a.同相逆并联，正常选择3英寸元件，即3500A以下的，选择太大不合理，原因是臂电流为2.5KA；

b.非同相逆并联，可选择4英寸以上元件，即5800A以上的。

10、元件正向电压降

a.3英寸元件 2000V 3000～3500A U_T=1.20～1.25V；

b.4英寸元件 2000V5800 A U_T=1.1～1.15V。

11、冷却水的支路

a.同相逆并联，12支 2支；

b.非同相逆并联，6支 2支。

12、控制回路

a.同相逆并联，脉冲支路：模拟\数字脉冲数24，36，48；

b.非同相逆并联，脉冲支路：模拟\数字脉冲数12，脉冲功率小于同相逆并联。

13、对壳体的要求

a.同相逆并联，用一般钢结构柜体，四周用玻璃钢搭铜支架；

b.非同相逆并联，在臂电流超过一定值时，用非铁结构柜体，内部用玻璃钢搭铜支架，紧固件采用非铁材料。

14、在柜内的检修空间及维护

a.同相逆并联，柜内交直流母线多，交流间距为5～15cm，检修人员安全性、方便性差；正负极支路母线间距为5.5cm左右，紧固件绝缘要求高，存在交流母线、正负直流母线短路的可能性；

b.非同相逆并联，柜内母线少，结构简单，检修人员安全性高，各种间距都在50cm左右，消除了柜内交流母线、直流母线正负极间短路事故可能性，安全性明显提高。

结论：通过上述两种技术应用的对比，各有优缺点，

①在烧碱新的改扩建中，选用离子膜复极式电解槽的整流装置中，直流电压U_d=300～450V，直流电流I_d≤15KA时，采用同相逆并联技术并不是唯一的最佳选择，还有其他选择。

②同相逆并联连接，结构相对复杂，交流导排，直流支路导排长度较长，只能采用小容量元件，而小容量元件门槛电压明显高于大容量元件，效率要低一些，安全性为0.86～0.93，相对较非同相逆并联0.96低。

③同相逆并联限制了大容量元件的使用，只能采用小容量元件，而小容量元件门槛电压明显高于大容量元件，效率要低一些。

④同相逆并联的优点是减少了交流导排的电感量，减少了钢结构壳体的发热损耗。

⑤从目前安装方式来看，整流变压器至整流柜的间距都比较短，在1米～1.5米左右，不会太长，当臂电流在5KA以下时，不致引起钢结构壳体的严重发热，或者采用塑钢结构的壳体。