Реконструкция преобразовательных подстанций для питания электролизеров алюминия

Однолинейная схема типовой КПП приведена на рис. 1. Она содержит восемь преобразовательных агрегатов с выходными параметрами по постоянному току 25 кА, 850 В [1]. Основными силовыми элементами преобразовательного агрегата (ПА) являются преобразовательный силовой трансформатор, дроссели насыщения и выпрямительные блоки. Агрегаты подключаются к шинам 10 кВ через разъединители и автоматические выключатели, расположенные в распределительном устройстве (РУ) 10 кВ, а к сборным шинам — через разъединители постоянного тока (РПТ). Шины 10 кВ запитаны от силового трансформатора 220/10 кВ, установленного на головной понижающей подстанции (ГПП).

Рис. 1. Однолинейная схема типовой КПП

Регулирование выпрямленного напряжения производится ступенчато путем переключения отводов регулировочной обмотки под нагрузкой (РПН) в трех диапазонах, переключаемых без возбуждения (ПБВ). Плавное регулирование напряжения в пределах одной-двух ступеней РПН осуществляется дросселями насыщения (ДН).

Агрегаты имеют свободную компоновку, силовой трансформатор устанавливается на открытом воздухе, а остальное оборудование размещается в капитальном здании КПП. Первый этаж здания КПП занят сборными шинами постоянного тока, РПТ и ДН. Выпрямительные блоки установлены на втором, а порой и на третьем этаже КПП, причем длина шин переменного тока может доходить до 12 м. Катодные и анодные части выпрямительных блоков, выполненных по мостовой схеме, находятся в отдельных стальных шкафах, расположенных на одной линии.

Начатая на некоторых предприятиях реконструкция КПП сводится к замене силовых элементов преобразовательных агрегатов на более мощные. При таком подходе сохраняются все недостатки преобразовательных подстанций, с момента проектирования которых прошло более тридцати лет.

Так как регулирование напряжения преобразовательных силовых трансформаторов ведется по первичной обмотке, глубина регулирования напряжения ограничена. На практике она составляет порядка 60%. На эту же величину приходится завышать габаритную мощность преобразовательного силового трансформатора. При небольшом числе витков вторичной обмотки невозможно обеспечить равенство напряжений частей, соединенных в «треугольник» и «звезду», размещенных на одном магнитопроводе. Выравнивание нагрузки выпрямительных блоков производится путем задержки начала коммутации в блоках, подключенных к частям вторичной обмотки, соединенным в «треугольник». Величина задержки составляет 6-8 град. эл., что приводит к неравенству межкоммутационных интервалов и появлению неканонических гармоник в напряжении сети. Для ограничения добавочных потерь и динамических усилий части вторичной обмотки силовых трансформаторов выполняются переплетенными с чередованием катушек «треугольник» и «звезда». Это приводит к появлению недопустимых уравнительных токов между фазосмещенными частями вторичной обмотки. Для их ограничения пакеты сборных шин, идущих от выпрямительных блоков «треугольник» и «звезда» в корпус электролиза, делают изолированными. Однако при увеличении эквивалентной пульсности КПП, то есть сдвиге фаз преобразовательных силовых трансформаторов, этой меры недостаточно.

Дополнительное разделение частей вторичной обмотки «звезда» и «треугольник» на две была вынужденной для ограничения аварийных токов через диоды. С появлением мощных полупроводников необходимость в этом отпала. Наличие в вытянутых в одну линию выпрямительных блоках 24-х вводов переменного тока и 8-ми выводов постоянного тока вынуждает сокращать изоляционные промежутки между токоведущими частями разного напряжения, тем более что напряжение между ними выросло.

Неоправданно длинная ошиновка переменного тока между силовыми трансформаторами и выпрямительными блоками приводит к дополнительному падению напряжения до 15 В. При такой длине на времени коммутации разных фаз начинает сказываться несимметричное расположение шин, что также приводит к неравенству межкоммутационных интервалов.

На сибирских алюминиевых заводах применяется одноконтурное воздушное принудительное охлаждение выпрямительных блоков. Для очистки охлаждающего воздуха используются фильтры различных типов. В условиях загрязненной атмосферы, причиной которой являются глиноземная пыль и выбросы цехов подготовки анодной массы, содержание фильтров сопряжено с большими эксплуатационными расходами. Как показывает опыт эксплуатации, все равно приходится проводить периодическую трудоемкую чистку выпрямительных блоков. Подвод шин переменного и постоянного тока в блоках с воздушным охлаждением осуществляется снизу, что приводит к неравномерному распределению тока по установленным на вертикальных шинах диодам и предохранителям. Для выравнивания токов принимаются различные меры, усложняющие конструкцию блоков и увеличивающие их стоимость.

Эффективность модернизации КПП может быть значительно повышена посредством применения тиристорных преобразовательных агрегатов. По данным одного из крупнейших поставщиков преобразовательной техники АВВ, тиристорные агрегаты вытеснили диодные в электрохимии, электролизе магния, меди, никеля, а доля тиристорных агрегатов в электролизе алюминия неуклонно возрастает. Это касается в первую очередь небольших и средних по мощности серий на токи до 200 кА. Многолетний опыт эксплуатации тиристорных агрегатов на Таджикском, Волховском и Богословском алюминиевых заводах, «Норильском никеле», «Южуралникеле», а также в дуговых печах постоянного тока, где условия эксплуатации значительно жестче, показал, что надежность тиристорных агрегатов вполне достаточна для применения их для питания электролизеров алюминия.

Тиристорные преобразовательные агрегаты обладают рядом несомненных достоинств. Сегодня стоимость тиристорных выпрямительных блоков и потери в них меньше, чем суммарная стоимость и потери в диодных выпрямительных блоках с дросселями насыщения. В силовых трансформаторах тиристорных агрегатов достаточно иметь 7-9 ступеней в рабочей зоне для ограничения диапазона плавного регулирования напряжения на уровне диапазона дросселей насыщения. Пусковые режимы электролизеров алюминия могут быть обеспечены путем фазового управления тиристорами.

Современные цифровые системы импульсно-фазового управления тиристорами обеспечивают, в отличие от ДН, равенство углов управления а разных фаз, что исключает появление неканонических гармоник при повышении пульсности преобразовательной подстанции, эквивалентной режиму выпрямления. Начало коммутации (переход тока с фазы на фазу) в тиристорном агрегате задается непосредственно подачей управляющих импульсов. В диодных агрегатах с дросселями насыщения токами управления задается только начальная точка на характеристике ДН, возврат его в начальную точку происходит во время коммутации. Так как силовые трансформаторы, шины переменного тока, дроссели насыщения имеют разброс электромагнитных параметров, длительность межкоммутационных интервалов не одинакова, что и предопределяет появление в сети неканонических четных гармоник. Сказанное подтверждается исследованием энергетических характеристик тиристорных и диодных с ДН подстанций, выполненных на Богословском алюминиевом заводе.

Высокое быстродействие тиристорных агрегатов обеспечивает стабилизацию тока в динамических режимах при возникновении и гашении анодных эффектов. Наличие тиристоров позволяет ограничивать аварийные токи сдвигом либо снятием импульсов управления, что особенно важно при параллельной работе агрегатов на одну нагрузку.

Цифровые системы управления диодным с ДН и тиристорным агрегатами практически одинаковы, так как обмотки управления ДН питаются от маломощных тиристорных выпрямителей, также имеющих устройства импульсно-фазового управления. Система управления тиристорным агрегатом отличается только наличием формирователей импульсов управления (драйверов) тиристорами. Это достаточно простое устройство, которое за десятилетия применения тиристоров доведено до совершенства.

Однолинейная схема КПП с тиристорными преобразовательными агрегатами приведена на рис. 2. Она содержит шесть преобразовательных агрегатов с выходными параметрами 40 кА, 1000 В совмещенного исполнения (тир-блок). Используется схема выпрямления «двойной мост». Преобразовательные силовые трансформаторы без регулирования напряжения имеют две активные части — «треугольник» и «звезда». Тиристорный выпрямитель устанавливается напротив выводов вторичных обмоток силовых трансформатора. Регулировочные автотрансформаторы имеют девять ступеней напряжения. Две ступени предназначены для компенсации снижения напряжения сети. Глубина регулирования напряжения — 15% от номинального. Так как автотрансформаторы имеют небольшой диапазон регулирования напряжения, их расчетная мощность [2] составляет 2×25 МВА. Автотрансформаторы могут быть выведены из работы посредством разъединителей при сохранении работоспособности подстанции.

Рис. 2. Однолинейная схема КПП с тиристорными агрегатами

Так как уравнительные токи между фазо-смещенными выпрямительными мостами ограничиваются за счет конструкции силового трансформатора, выпрямитель выполняется в виде единого компактного блока (рис. 3).

Рис. 3. Тиристорный выпрямительный блок 40 кА, 1000 В

Охлаждение выпрямителя — типа «вода-воздух» с дополнительной циркуляцией охлажденного воздуха внутри выпрямителя. Такое исполнение выпрямителя исключает попадание пыли и влаги на токоведущие части, находящиеся под высоким напряжением. Выпрямители могут устанавливаться в специальных контейнерах заводской готовности [3]. В этом случае здание КПП может быть снесено, тем более что некоторые из них требуют дорогостоящего капитального ремонта.

Сравнительные показатели КПП с диодными и тиристорными агрегатами приведены в таблице.

Применение тиристорных агрегатов при модернизации КПП позволяет снизить стоимость оборудования, значительно повысить качество регулирования тока, уменьшить эксплуатационные расходы за счет сокращения трудозатрат и материалов на проведение регламентных работ по обслуживанию оборудования.

Реконструкция КПП производится без снижения выпуска алюминия. Вначале производится поочередная замена преобразовательных агрегатов, а затем в двух освободившихся ячейках размещаются регулировочные силовые трансформаторы. При выводе из работы головного понижающего силового трансформатора 220/10 кВ преобразовательные агрегаты переводятся на резервную систему шин 10 кВ с сохранением полной управляемости КПП. Учитывая, что силовые трансформаторы для тиристорных агрегатов имеют меньшие габариты и массу, при модернизации КПП может быть заложен резерв на увеличение тока и напряжения серии.