電鍍整流電源的晶閘管擊穿故障及其處理

霍大勇

（喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006）

電鍍加工常用的直流電源中，晶閘管整流電源占主要地位。晶閘管是整流電源的核心器件。筆者針對(duì)鍍鉻生產(chǎn)中使用的KDS-5000/±40 整流電源，選取典型的晶閘管過熱擊穿故障實(shí)例，說明在使用晶閘管整流電源中分析處理晶閘管故障的方法，供同行參考。

KDS-5000/±40 整流電源可以用作雙向電鍍電源、陽極氧化電源、電解電源。其主回路電路如圖1 所示。在鍍鉻生產(chǎn)中，當(dāng)主回路中有晶閘管擊穿時(shí)，會(huì)造成直流電源的紋波系數(shù)增大，當(dāng)紋波系數(shù)大于5%時(shí)，鍍鉻質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為鍍鉻層發(fā)花、發(fā)霧[1]。晶閘管的擊穿有3 種形式：額定載流量下的過熱擊穿，過流擊穿，以及過壓擊穿。晶閘管整流電源通常采用風(fēng)冷和水冷的方式對(duì)晶閘管進(jìn)行散熱。KDS-5000/±40 電源為水冷方式，冷卻裝置安裝如圖2 所示。

圖1 KDS-5000/±40 整流電源的主回路原理圖Figure 1 Circuit diagram of the major loop of KDS-5000/±40 rectifier

圖2 晶閘管水冷散熱器安裝圖Figure 2 Schematic diagram showing the installation of water cooler for thyristor

1 晶閘管在額定電流下的過熱擊穿

額定載流量下的過熱擊穿是指晶閘管在額定工作電流工況下發(fā)生的過熱擊穿。發(fā)生這種擊穿的原因在于輔助散熱裝置工作不良，導(dǎo)致晶閘管芯片溫度過高。

1.1 故障舉例

1.1.1 冷卻水的進(jìn)水溫度過高

1.1.1.1 現(xiàn)象

中原地區(qū)某鍍鉻生產(chǎn)線，自前一年10 月份投產(chǎn)，運(yùn)行正常，但至次年8 月份出現(xiàn)鍍層發(fā)花發(fā)霧故障。檢查發(fā)現(xiàn)KDS-5000/±40 電源晶閘管擊穿1 個(gè)。

1.1.1.2 現(xiàn)場分析及處理

晶閘管正常使用時(shí)殼溫一般要求低于80 °C，此時(shí)晶閘管芯片的溫度低于100 °C；晶閘管正常工作的溫度為-40 ~ 100 °C[2]。水冷式晶閘管的有效使用時(shí)間超過6 個(gè)月時(shí)，其散熱器的散熱性能會(huì)明顯下降?？紤]到有可能是散熱器性能下降導(dǎo)致晶閘管過熱，于是用萬用表測溫頭測量晶閘管管芯陶瓷外殼的溫度，在90 °C 以上。對(duì)散熱器進(jìn)行除垢，保證冷卻水壓力和流量正常，運(yùn)行30 min 后重復(fù)測量晶閘管管芯陶瓷外殼的溫度，仍大于90 °C。接輕負(fù)載(即外接小負(fù)荷電阻)試運(yùn)行，故障仍存在。這就確定了故障出現(xiàn)在晶閘管本身及散熱系統(tǒng)，然而更換了同型號(hào)的成套晶閘管(含散熱裝置)后仍不能排除故障。檢查發(fā)現(xiàn)冷卻水的進(jìn)水溫度為50 °C。參照西安西普電力電子有限公司編寫的《KDF(S)晶閘管電鍍電源使用說明書》，設(shè)備要求的冷卻進(jìn)水溫度不高于35 °C。該工廠的設(shè)備冷卻水采用了循環(huán)水裝置，所處地區(qū)正值夏季，室外氣溫高，冷卻塔降溫措施不好，于是造成該故障。改進(jìn)了循環(huán)水裝置，對(duì)整流電源所在的控制室采取室內(nèi)降溫措施，并保證冷卻水進(jìn)水口的溫度在35 °C 以下，總出水口的溫度低于50 °C，故障排除。

1.1.2 冷卻水套的水腔堵塞

1.1.2.1 現(xiàn)象

1.1 中的生產(chǎn)線運(yùn)行中又出現(xiàn)與1.1.1 相同的故障，此次有3 個(gè)晶閘管同時(shí)出現(xiàn)過熱，燒毀1 只。

1.1.2.2 現(xiàn)場分析及處理

檢查發(fā)現(xiàn)，組裝該設(shè)備時(shí)水冷裝置采用了3 只晶閘管串聯(lián)，設(shè)備中的12 只晶閘管分為4 組串聯(lián)在冷卻水路中。過熱的為其中一組。

由于其他3 組晶閘管工作正常，排除過電流引起的故障。重點(diǎn)檢查冷卻水路，發(fā)現(xiàn)該水路在燒毀的晶閘管處堵塞。堵塞是因?yàn)槔鋮s水雜質(zhì)所致。更換該晶閘管及其冷卻裝置，故障排除。

為避免此類問題發(fā)生，在晶閘管冷卻水總進(jìn)水口加裝了過濾裝置，沒有再發(fā)生類似故障。

1.1.3 冷卻水套的水腔水垢嚴(yán)重

1.1.3.1 現(xiàn)象

生產(chǎn)線出現(xiàn)1.1.2 的故障后8 個(gè)月，正常水壓下出現(xiàn)冷卻水出水口流量明顯變小，晶閘管過熱。

1.1.3.2 現(xiàn)場分析及處理檢查發(fā)現(xiàn)晶閘管水套內(nèi)腔有大量水垢，屬水質(zhì)問題。清理水腔，保證冷卻水出水量≥3 m3/h，故障排除。另外，冷卻水采用軟水的手段也可以有效預(yù)防此類故障。

1.1.4 冷卻水水壓過低

1.1.4.1 現(xiàn)象

1.1.3 中同一設(shè)備，正常運(yùn)行中突然燒毀2 個(gè)晶閘管，檢查發(fā)現(xiàn)晶閘管普遍過熱，影響生產(chǎn)。

1.1.4.2 現(xiàn)場分析及處理

現(xiàn)場查看生產(chǎn)記錄，發(fā)現(xiàn)該故障前期已經(jīng)出現(xiàn)一次，燒毀一只晶閘管。現(xiàn)場人員當(dāng)時(shí)認(rèn)為是晶閘管老化所致，但更換后仍出現(xiàn)了相同的問題?，F(xiàn)場檢查冷卻水的水壓、水量均正常；如1.1.1 測量晶閘管溫度也正常，而此時(shí)的鍍鉻生產(chǎn)工況并沒有變化。囑當(dāng)班人員繼續(xù)生產(chǎn)并觀察設(shè)備運(yùn)行狀況，一個(gè)班次后故障再現(xiàn)?，F(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻水水壓過低，造成冷卻水量不足。繼續(xù)排查，發(fā)現(xiàn)相鄰工房前期從該設(shè)備的冷卻進(jìn)水管路搭接了一條引水管路，其同時(shí)用水時(shí)造成水壓降低?；謴?fù)原冷卻水水路配置，保證工作中冷卻水的流量≥3 m3/h，水壓≥0.15 MPa后故障排除。

1.1.5 冷卻水水壓過高

1.1.5.1 現(xiàn)象

1.1.4 中同一設(shè)備，正常運(yùn)行中夜間突然燒毀1 個(gè)晶閘管，檢查發(fā)現(xiàn)晶閘管有一處水套漏水。

1.1.5.2 現(xiàn)場分析及處理

因冷卻水塔故障，該設(shè)備臨時(shí)采用自來水水源冷卻。該車間夜間水壓大于0.8 MPa，導(dǎo)致一處水套漏水，影響串聯(lián)在其后面的晶閘管冷卻，于是出現(xiàn)故障。

當(dāng)冷卻水源的壓力過高時(shí)，在晶閘管的冷卻進(jìn)水口加裝減壓閥，保證進(jìn)水壓力低于0.6 MPa，即可避免此類故障。

1.1.6 散熱器安裝不平整，有灰塵夾入

1.1.6.1 現(xiàn)象

整流設(shè)備大修，更換散熱器后試運(yùn)行，出現(xiàn)2 個(gè)晶閘管過熱，不能正常工作。

1.1.6.2 現(xiàn)場分析及處理對(duì)故障的晶閘管及其冷卻裝置解體檢查，發(fā)現(xiàn)其中1 個(gè)晶閘管散熱器與晶閘管芯片接觸處沒有徹底清潔，造成冷卻接觸不良。重新處理(見1.2 的要點(diǎn)7)該晶閘管芯片及其散熱器，故障排除。另一個(gè)晶閘管的3 個(gè)螺母其中一處“張口”松弛，造成散熱不良。重新組裝該晶閘管及其散熱器，故障排除。

1.1.7 散熱器接觸面變形

1.1.7.1 現(xiàn)象

1.1.6 中的同一整流設(shè)備更換故障晶閘管芯片后試運(yùn)行，出現(xiàn)合格的芯片過熱，不能正常工作。

1.1.7.2 現(xiàn)場分析及處理對(duì)該晶閘管及其冷卻裝置解體檢查，發(fā)現(xiàn)散熱器與晶閘管芯片接觸面變形，造成冷卻接觸不良。更換新的散熱器，故障排除。這是多次更換芯片后，散熱器因重復(fù)使用而產(chǎn)生接觸面變形所致。

1.2 技術(shù)要點(diǎn)

【要點(diǎn)1】可以用測量管芯陶瓷外殼溫度的方法來判定散熱器的散熱效果。殼溫一般要求低于80 °C 才可以保證晶閘管正常工作。

【要點(diǎn)2】測量溫度宜采用紅外溫度測試儀或帶測溫功能的萬用表。

【要點(diǎn)3】及時(shí)更換達(dá)不到散熱效果的散熱器，可以有效地提高晶閘管的工作電流。

【要點(diǎn)4】采用水冷方式工作的晶閘管，進(jìn)水溫度5 ~ 35 °C，水流量≥3 m3/h，水壓0.15 ~ 0.60 MPa，水電阻率≥20 kΩ·cm。

【要點(diǎn)5】出水溫度應(yīng)低于50 °C，可以采用測量出水溫度的方法來判斷晶閘管的工作溫度。

【要點(diǎn)6】散熱器使用過程中應(yīng)注意防漏水、防堵塞、防凝露，出現(xiàn)問題時(shí)應(yīng)及時(shí)處理或更換散熱器。

【要點(diǎn)7】更換晶閘管芯片時(shí)，芯片與散熱器之間的接觸面要保證良好的接觸，接觸面平整，不能有劃痕或凹凸，也不能有灰塵夾入，要保證有足夠的接觸面且受力均勻。散熱器臺(tái)面粗糙度≤1.6 μm，平整度≤30 μm。

【要點(diǎn)8】組裝水冷晶閘管的散熱器時(shí)，3 個(gè)螺栓的拉力一定要均勻。建議采用專門的組裝器進(jìn)行組裝。人工組裝時(shí)要使用扭矩扳手，對(duì)3 個(gè)螺母交替用力。

【要點(diǎn)9】要經(jīng)常檢查和清理水垢，水垢太多會(huì)影響散熱效果而導(dǎo)致晶閘管過熱擊穿。

【要點(diǎn)10】多次更換芯片也會(huì)導(dǎo)致散熱器的接觸面變形而影響散熱效果。如果整流器中的某只晶閘管經(jīng)常擊穿，應(yīng)該考慮在更換晶閘管時(shí)連同散熱器一同更換。

2 晶閘管的過流擊穿

晶閘管的過流擊穿本質(zhì)也是過熱擊穿。電流通過晶閘管芯片時(shí)在芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，使得晶閘管的芯片溫度升高；當(dāng)溫度達(dá)到175 °C 時(shí)，芯片就會(huì)不可逆地失效。在正常的使用條件下，工作電流不超過晶閘管額定電流，不會(huì)發(fā)生過熱擊穿。過流擊穿的根本原因在于溫度升高，所以幾百毫秒到幾秒的短時(shí)間過流不會(huì)造成晶閘管擊穿。

2.1 故障舉例──晶閘管更換的芯片電流等級(jí)錯(cuò)誤

2.1.1 現(xiàn)象

KDS-5000/±40 整流電源的一個(gè)芯片老化，更換該晶閘管芯片后，連續(xù)燒毀3 個(gè)芯片，其他未更換的芯片工作正?！，F(xiàn)場維修人員根據(jù)1.1.7 的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)更換了該晶閘管的散熱器，故障依舊。

2.1.2 現(xiàn)場分析及處理

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，原晶閘管的額定電流為1 200 A，由于庫存沒有同型號(hào)的器件，現(xiàn)場人員認(rèn)為六相雙反星形電路其中一個(gè)器件只承受1/6 的工作電流，就采用800 A 的晶閘管代換，這樣晶閘管的電流余量不足；同時(shí)，晶閘管散熱器的型號(hào)也不配套，造成該故障。采用原型號(hào)晶閘管組件后，故障排除。

2.2 技術(shù)要點(diǎn)

【要點(diǎn)11】嚴(yán)格按照設(shè)備的晶閘管型號(hào)進(jìn)行維護(hù)替換，當(dāng)沒有相同參數(shù)的晶閘管可供替代時(shí)，應(yīng)選用高一級(jí)型號(hào)。

【要點(diǎn)12】晶閘管必須與配套的散熱器配合使用，否則會(huì)影響散熱效果。

3 晶閘管的過壓擊穿

過壓擊穿是晶閘管擊穿的主要原因，晶閘管對(duì)過壓的承受能力沒有時(shí)限；幾毫秒的短時(shí)間過壓就會(huì)擊穿晶閘管。實(shí)際應(yīng)用中，晶閘管并聯(lián)接入RC 吸收回路以避免瞬間過壓[3]。

3.1 故障舉例──RC 吸收回路器件損壞

3.1.1 現(xiàn)象

現(xiàn)場人員報(bào)告，VT11 晶閘管一季度出現(xiàn)多次燒毀故障，故障時(shí)間無規(guī)律，故障發(fā)生前沒有出現(xiàn)過熱。

3.1.2 現(xiàn)場分析及處理

停機(jī)，檢查VT11 晶閘管的冷卻裝置，均正常。繼續(xù)檢查保護(hù)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)吸收回路的電阻燒毀。RC 吸收回路不能起到過壓保護(hù)作用，當(dāng)外部交流電壓發(fā)生變化(如交流電壓突變)，就會(huì)造成晶閘管過壓擊穿。修復(fù)RC吸收回路，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.2 技術(shù)要點(diǎn)

【要點(diǎn)13】晶閘管兩端一定要接入RC 吸收回路，以避免各種無規(guī)則的干擾脈沖所引起的瞬間過壓。

【要點(diǎn)14】萬用表只能定性判斷晶閘管的好壞，不能對(duì)器件耐壓作定量判斷。若要對(duì)耐壓和觸發(fā)特性進(jìn)行測試，需要使用專門的測試儀。

【要點(diǎn)15】嚴(yán)禁使用兆歐表檢查晶閘管。如需檢查整機(jī)裝置的耐壓能力，應(yīng)先將晶閘管的各電極短路。

4 結(jié)語

從冷卻、選型、安裝、維護(hù)、交流電源環(huán)境等5 個(gè)方面區(qū)分處理過熱、過流、過壓導(dǎo)致的晶閘管燒毀故障，按照技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行預(yù)防，可以有效保障晶閘管整流電源的運(yùn)行。

[1] 王萍, 楊旭, 霍大勇.交流供電系統(tǒng)對(duì)鍍鉻質(zhì)量的影響[J].電鍍與精飾, 2014, 36 (6): 22-24, 28.

[2] 孫克軍.電工手冊(cè)[M].2 版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012: 498-499.

[3] 李源生.實(shí)用電工學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 244-245.