直流鉆機大功率可控硅故障淺析

摘要：本人參加工作至今一直在鉆井隊工作。本隊設(shè)備為直流鉆機，因此在現(xiàn)場遇到很多可控硅整流的問題。在現(xiàn)場對可控硅工作狀態(tài)觀察、測量，并結(jié)合查閱可控硅整流方面的資料。本文簡要分析了可控硅的基本結(jié)構(gòu)及其工作特性，通過其在電動鉆機電控系統(tǒng)電路中的應(yīng)用情況，了解其造成故障可能的原因，闡述了在現(xiàn)場工作為防止整流電路中擊穿SCR而采取的措施。

關(guān)鍵詞：可控硅 伏安特性 過電壓 過電流

可控硅又叫晶閘管(又叫SCR)，它是通過整流將交流轉(zhuǎn)變成直流，而且是連續(xù)的、可調(diào)的直流電壓?，F(xiàn)在鉆井隊的直流電動鉆機正是利用可控硅的這個特性，首先柴油機帶動發(fā)電機發(fā)出交流電，然后再讓可控硅整流成可控的直流電。從而可以使泵、轉(zhuǎn)盤及電動絞車等井場主要設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，并且可以讓它們在一個連續(xù)可調(diào)的速度范圍。這一特點大大地改善了鉆井工況。可控硅是整流系統(tǒng)中的最重要的部件，如果被損壞，直流設(shè)備將直接不能運轉(zhuǎn)，從而有可能導(dǎo)致井下異常，甚至?xí)斐蓢?yán)重的井下事故，經(jīng)濟損失是不可估量的。所以比較透徹的理解其結(jié)構(gòu)、性能，熟悉它工作異常的原因，給予正確的保護方案，正確使用和維護可控硅，從而確保鉆井工作順利進行。我以我們隊的直流電動鉆機中所用的可控硅系統(tǒng)進行簡單闡明。

1 可控硅的基本結(jié)構(gòu)及特性

不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu)。見圖1。它有三個PN結(jié)。從P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極極G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表一

可控硅的伏安特性曲線如圖2所示：陽極電流I、陽極電壓U及控制極電流IG等決定了可控硅的導(dǎo)通和截止，而這幾個量又是互相聯(lián)系的。

第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性。

IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，隨著正向電壓慢慢增大，超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，漏電流將會迅速增長，可控硅導(dǎo)通。正向轉(zhuǎn)折電壓隨著門極電流幅值的增大而降低?？煽毓枳陨淼膲航岛艽蟾旁?V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至IH以下，這時可控硅又回到正向阻斷狀態(tài)。IH叫做可控硅的維持電流。

在可控硅上加反向電壓時，可控硅處于反向阻斷狀態(tài)?？煽毓璧拈T極觸發(fā)電流從門極流入可控硅，從陰極流出。陰極是可控硅主電路與控制電路的公共端。門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的?？煽毓璧拈T極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。

2 直流鉆機可控硅擊穿原因分析

2.1 過電壓 鉆井系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓一般有幾點情況：一是鉆井系統(tǒng)中大的直流電機的突然起動或停止，會產(chǎn)生比較高的電壓，二是井隊的大功率電機比較多，容易引起電網(wǎng)波動，造成多次或者高次諧波而產(chǎn)生的過電壓。三是雷擊有可能造成過電壓。①井隊電機大多是電感性負(fù)載，在突然加重負(fù)荷或釋放負(fù)荷時會產(chǎn)生過電壓。大功率電機的在起動的瞬間，回路中的電流會很大，這是因為電機起動電流比較大的原因。舉例說明，設(shè)某一相的等效電感為L，相電流為i，那么在起動時，瞬時相電壓的峰值為u= L×di/dt。從此公式可以看出，電路中的電感越大，瞬時電壓越大；起動電流越大，電壓上升率越大，瞬時電壓也越大。如果突然加載或卸載會產(chǎn)生非常大的瞬時電壓，從而有可能擊穿可控硅。②諧振過電壓。一種是因為電網(wǎng)波動比較大，二是在整流過程中會產(chǎn)生多次諧波或高次諧波的電流，當(dāng)某次諧波恰好和電路的當(dāng)時的自振頻率相同而產(chǎn)生諧振，就很有可能產(chǎn)生過電壓，損壞可控硅。

2.2 過電流 如系統(tǒng)在長期運行在重負(fù)荷情況下，電流一般都比較大，這時可控硅會產(chǎn)生大量的熱，經(jīng)過長時間的積攢，會最終燒毀可控硅。

另外，整理過程中出現(xiàn)某個管子誤觸發(fā)，這種情況現(xiàn)場時有發(fā)生。如圖3所示，整流橋的負(fù)載實質(zhì)是逆變橋，如果一個管子誤觸發(fā)，就可能使其中兩相直接短路，就相當(dāng)于整流橋負(fù)載短路。產(chǎn)生很大的電流燒毀可控硅?？煽毓璧馁|(zhì)量越好，出現(xiàn)這種故障的概率就越小。另外，如整流變壓器中心點接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。

3 直流鉆井系統(tǒng)應(yīng)保護可控硅

3.1 并聯(lián)壓敏電阻吸收過電壓 壓敏電阻的最大特點是當(dāng)加在它上面的電低于它的臨界電壓時，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，電路處于斷路。當(dāng)電壓超過臨界電壓時，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一原理，在母線之間加上壓敏電阻，可以把峰值電壓產(chǎn)生的能量消耗掉，從而抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護可控硅免受過電壓的損害。

3.2 采用RC回路吸收高頻過電壓 如圖3所示，為了限制電路電壓上升率過大，確?？煽毓璋踩\行，常在可控硅兩端并聯(lián)RC阻容吸收回路，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。電容器可以使通過可控硅放電電流變小，從而保護可控硅不被燒壞。

3.3 串聯(lián)快速熔斷器進行過電流保護 直流鉆井系統(tǒng)中每個可控硅串聯(lián)了快速熔斷器，有效地防止由于過電流而燒毀。

4 現(xiàn)在所用系統(tǒng)的不足

雖然壓敏電阻可以保護可控硅，如果交流母線在短時間能重復(fù)出現(xiàn)較高的瞬時電壓，必然引起比較大的瞬時電流，就有可能把與壓敏電阻相連的熔斷器(圖3中的FU7，F(xiàn)U8，F(xiàn)U9)中的幾個或全部熔斷。當(dāng)下一個瞬時電壓很高時，可控硅有可能就被擊穿。而阻容吸收回路只能對于那些電壓波動不大，時間短的過電壓的吸收作用比較明顯，而對于那些長時間、波動很大的瞬時電壓幾乎不起作用，在現(xiàn)場中這種現(xiàn)象屢見不鮮。因此，每周都要檢查壓敏電阻熔斷器是否正常，損壞時要及時更換，確?？煽毓璨槐粺龤А？煽毓璩蹰_通時電流在靠近門極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/s的擴展速度將電流擴張到整個陰極表面，若開通時的電流上升率很大，會導(dǎo)致可控硅擊穿。因此，必須限制電流上升率在合適的范圍。比較有效的辦法實在可控硅的陽極回路串聯(lián)入電感。

5 鉆井工作盡量避免過電壓、過電流

對于現(xiàn)場作業(yè)來說，大功率的電機一般采取降壓起動或星形接法起動，使電機起動電流減小;在降載時，操作盡量緩慢，采取逐漸卸載法，避免對電網(wǎng)的沖擊，造成過電壓。對于整流系統(tǒng)，應(yīng)避免過載及加強可控硅的散熱和通風(fēng)，并調(diào)節(jié)電控房的室溫使得可控硅散熱良好，達(dá)到保持或提高可控硅的正向轉(zhuǎn)折電壓和反向轉(zhuǎn)折電壓，提高其工作性能，保證整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

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