某光伏行業(yè)多晶硅還原爐變壓器燒毀實(shí)例分析

芶大斌，嚴(yán)曜暉

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南 曲靖 655000）

0 引 言

伴隨著國(guó)際上節(jié)約能源、減排二氧化碳的潮流，近年來受市場(chǎng)行情及歐美雙反影響，我國(guó)光伏行業(yè)正處于嚴(yán)寒冬季的整合階段。眾所周知，目前國(guó)際上采用改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅約占全球總產(chǎn)量的85%。主要是在溫度為l 050℃～1 150℃時(shí)，在還原爐內(nèi)主要發(fā)生下列反應(yīng):SiHCI3+H2=Si+3HCI（氫化還原反應(yīng)）［1］。而多晶硅還原爐是多晶硅生產(chǎn)過程中非常關(guān)鍵的設(shè)備，在其爐內(nèi)完成從SiHCl3到多晶硅的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，控制好爐內(nèi)溫度，直接關(guān)系到其內(nèi)硅芯的還原純度和最終多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，因而為還原爐提供加熱電源的還原爐變壓器設(shè)備就擔(dān)負(fù)著非常重要的作用［2］。

研究者一致對(duì)還原爐變壓器局部發(fā)熱問題進(jìn)行分析改進(jìn)，還原爐變壓器工作時(shí)，三相繞組電流工作不平衡嚴(yán)重，超過20%，達(dá)到50%以上，但高低壓負(fù)載功率基本平衡，在7%～15%以內(nèi)。在調(diào)功柜可控硅切換變壓器抽頭工作時(shí)，也容易產(chǎn)生高次諧波含量，這樣對(duì)變壓器的絕緣要求和抗諧波能力就非常高。

本研究通過對(duì)一起多晶硅還原爐變壓器的燒毀事故研究分析，采取改變通風(fēng)散熱能力、繞組結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)工藝調(diào)整等措施，以增加其抗諧波及耐熱能力。

1 某還原爐變壓器結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象

首先，多晶硅還原爐設(shè)備（包括一體化電源設(shè)備）原理是對(duì)硅芯擊穿后，通過逐步提供硅芯的大電流產(chǎn)生爐子溫度，通過爐子內(nèi)氣體的物料置換，在硅芯上生長(zhǎng)出高純度的多晶硅。還原爐的一體化電源設(shè)備中，其中變壓器就是提供給調(diào)功柜設(shè)備的電源設(shè)備，繞組一般是高壓繞組三相角形連接，低壓側(cè)分相單獨(dú)工作，各帶對(duì)棒硅芯進(jìn)行工作。運(yùn)行時(shí)根據(jù)工況受各對(duì)棒硅芯生長(zhǎng)影響，電流不平衡因素大，但負(fù)載容量基本平衡，對(duì)應(yīng)到高壓側(cè)三相繞組電流基本平衡，但變壓器內(nèi)部電磁轉(zhuǎn)換對(duì)鐵芯及繞組的影響較大，工藝及抗諧波、不平衡能力必須特別強(qiáng)［3］。

某光伏行業(yè)多晶硅企業(yè)購(gòu)買的還原爐變壓器為德國(guó)某廠家生產(chǎn)的12對(duì)棒式變壓器，主要性能參數(shù)如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出，高壓側(cè)繞組容量比低壓側(cè)負(fù)載容量大，為角形連接，低壓側(cè)帶4個(gè)抽頭、1個(gè)公共抽頭的接線方式。其中二次繞組2A（B、C）1抽頭為公共繞組，2A（B、C）2→5→4→3抽頭依此分別由高電壓向低電壓、小電流向大電流、小容量向大容量逐步調(diào)檔變化。在提供負(fù)載電源時(shí)，本研究由負(fù)載的調(diào)功柜設(shè)備，通過可控硅導(dǎo)通/截止的調(diào)功，切換變壓器檔位，實(shí)現(xiàn)還原爐硅芯的供電，確保還原爐根據(jù)負(fù)荷的變化供給對(duì)應(yīng)的電力。

該多晶硅企業(yè)在2011年10月份投入還原爐進(jìn)行生產(chǎn)，2012年6月份在一次投入12對(duì)棒的還原爐運(yùn)行中，爐內(nèi)硅芯剛擊穿，加熱器退出運(yùn)行，物料開始置換，電源設(shè)備變壓器帶調(diào)功柜運(yùn)行正常。20 min后，10 kV還原爐變壓器綜合保護(hù)器“速斷保護(hù)動(dòng)作”、“過負(fù)荷報(bào)警”，開關(guān)跳閘，220 kV主變故障錄波“故障錄波啟動(dòng)”記錄故障波形，過負(fù)荷后備保護(hù)啟動(dòng)未跳閘，調(diào)功柜負(fù)載端發(fā)“可控硅故障”信號(hào)至DCS系統(tǒng)報(bào)警。

圖1 銘牌參數(shù)

圖2 電氣繞組接線

故障現(xiàn)象外觀顯示如圖3、圖4所示。

圖3 A相和B相間故障上部外觀

圖4 B相故障繞組上部外觀

如圖4所示，外部顏色已變黑，具體位置造成變壓器A相高壓側(cè)繞組靠多個(gè)抽頭處剝裂，冷卻風(fēng)孔已堵塞；低壓側(cè)2A2抽頭根部有帶根熔斷現(xiàn)象，但還沒有全部熔斷，各抽頭連接排與母排連接板上有點(diǎn)狀銅熔現(xiàn)象，2A2端子排與2A5端子排間可見明顯短路銅熔點(diǎn)，靠鐵芯處及線圈已部分發(fā)黑，地上有黑狀粉末；B相低壓側(cè)2B2抽頭根部有帶根熔斷現(xiàn)象，但還沒有全部熔斷，各抽頭連接排上有點(diǎn)狀銅熔現(xiàn)象，靠鐵芯處及線圈已部分發(fā)黑；另外車間高溫夾套水泵跳閘。

2 變壓器燒毀原因分析

2.1 燒毀情況診斷

本研究事后對(duì)220 kV主變故障錄波檢查，所記錄的10 kV系統(tǒng)故障前后參數(shù)如表1所示。

表1 10 kV故障前后運(yùn)行參數(shù)比較

本研究對(duì)還原爐干式變壓器檢查，測(cè)量變壓器繞組絕緣對(duì)地合格，直流電阻與出廠數(shù)據(jù)比較如表2所示。

表2 故障后變壓器直流電阻與出廠比較（單位:mΩ）

通過以上數(shù)據(jù)分析可知，保護(hù)動(dòng)作可靠［4］，記錄正確，未出現(xiàn)越級(jí)跳閘，變壓器故障時(shí)A相絕緣擊穿短路，逐步形成AB相間放電接地短路擴(kuò)大至其他線圈故障，造成A相高壓側(cè)開路燒斷；A相低壓側(cè)3檔、4檔匝間短路燒壞；B、C相低壓側(cè)有匝間短路情況，具體需要工作人員排除測(cè)試時(shí)接觸電阻原因拆開檢查。

2.2 原因分析

原因主要分析如下:

①該干式變壓器沒有冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，出現(xiàn)局部過熱熱量不能及時(shí)帶走；②設(shè)備二次繞組大電流檔排列在鐵芯內(nèi)側(cè)，小電流檔繞組排列在外側(cè)，靠近鐵芯部位的發(fā)熱情況更加嚴(yán)重，排列出現(xiàn)問題（依此從外到內(nèi)是抽頭2→5→4→3）；③外部高壓繞組上、下繞組沒有分開，中間漏磁少，局部發(fā)熱嚴(yán)重；④外部絕緣真空澆注工藝不到位，已出現(xiàn)局部龜裂現(xiàn)象，防潮、塵效果下降；⑤現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境濕度太大，墻面和地上均有水汽覆蓋在表面上；⑥工藝調(diào)整不穩(wěn)定；⑦DCS系統(tǒng)檢測(cè)到電源消失發(fā)“可控硅故障為正?，F(xiàn)象；⑧瞬間的電壓波動(dòng)，造成相鄰低壓系統(tǒng)水泵的跳閘等。

基于以上原因造成了變壓器的燒毀，企業(yè)對(duì)原有的變壓器采取了以下改進(jìn)措施，避免變壓器的再次燒毀:①對(duì)所有變壓器加裝強(qiáng)迫風(fēng)冷裝置，在70℃就啟動(dòng)運(yùn)行；②對(duì)變壓器本身結(jié)構(gòu)工藝能進(jìn)行修補(bǔ)處理的加以改進(jìn)；③加裝空調(diào)設(shè)備，改善環(huán)境情況；④改進(jìn)工藝調(diào)整，使變壓器工作盡量平衡；⑤排查變壓器與調(diào)功柜之間諧波產(chǎn)生源問題的處理；⑥對(duì)后期采購(gòu)的干式變壓器抗諧波及不平衡能力嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)定，特別是在結(jié)構(gòu)排列及工藝材料上把關(guān)，杜絕不合格設(shè)備的引進(jìn)等。

3 多晶硅還原爐變壓器繞組結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上故障及原因分析研究可知，變壓器一般鐵芯構(gòu)造與正常使用的變壓器無異，只是工藝要求更高，繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮以下因素。

3.1 低壓繞組布局

低壓側(cè)繞組隨抽頭檔位的不同依次由鐵芯往外，小電流的線圈靠鐵芯在最內(nèi)側(cè)，最大的電流（如二次繞組第5檔）在外側(cè)，最外側(cè)再套上高壓繞組。這樣在靠近鐵芯最近處由于鐵芯磁電裝換，損耗的問題，運(yùn)行中鐵芯最熱，靠近鐵芯的繞組電流是最小的，疊加起來的熱量就不會(huì)太大；如果大電流靠近鐵芯分布，離鐵芯越遠(yuǎn)的小電流繞組分布，則靠近鐵芯的溫度隨大電流和鐵芯熱量的疊加，溫度會(huì)越高，靠外的小電流繞組溫度會(huì)很低，則相互之間的溫差更會(huì)很大，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部的特別高，離鐵芯遠(yuǎn)的繞組不會(huì)升得太高，引起繞組的變形及局部過熱［5］。

3.2 層間絕緣材質(zhì)

本研究中的一、二次繞組同為箔式結(jié)構(gòu)，層間絕緣材料采用聚酯薄膜，以高韌性添加硅微粉環(huán)氧樹脂體系，在嚴(yán)格的真空條件下澆注，并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的固化和應(yīng)力消除處理，使得變壓器的安匝平衡更容易保證，產(chǎn)生的短路力遠(yuǎn)小于電磁線繞組，既減少了因橫向漏磁引起的繞組附加損耗、又提供了更好的導(dǎo)熱性能，繞組內(nèi)部熱點(diǎn)分布更加均勻。

3.3 高壓繞組結(jié)構(gòu)

由于箔式結(jié)構(gòu)具有層間電壓低、端部電場(chǎng)畸變小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中研究者可以選取合適的縱絕緣和主絕緣，使箔式高壓繞組獲得優(yōu)異的抗雷電沖擊性能。同時(shí)對(duì)于外部高壓繞組，為了降低中間局部的繞組發(fā)熱集中問題，研究者一般將高壓繞組做成上、下兩個(gè)繞組，中間部分分開一定距離，增加漏磁。

3.4 高次諧波含量

多晶硅還原爐用干式變壓器在工作中負(fù)載（調(diào)功設(shè)備在硅芯上進(jìn)行電源控制）對(duì)電壓電流有特殊的技術(shù)要求，研究者在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到波形畸變引起的3、5、7、9、11、13次等諧波的影響，其中，一般3次諧波含量最大值42%，5次諧波含量最大值18%，7次諧波含量最大值15%，9次諧波含量最大值9%，11次諧波含量最大值7%，13次諧波含量最大值6%［6］；同時(shí)還要考慮到電流有效值一定但是電流峰值較大的情況，電流波形占空比最壞情況為50%，這樣在制造時(shí)考慮進(jìn)口材料作為首選材料。鐵芯選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)冷軋高導(dǎo)磁晶粒取向硅鋼片（日本），采取5步以上進(jìn)疊方式，表面涂專用高強(qiáng)度聚酯帶經(jīng)高溫固化，使鐵芯成為一整體。

3.5 絕緣等級(jí)

系統(tǒng)在運(yùn)行中很容易出現(xiàn)溫度過高的的問題，所以絕緣等級(jí)考慮在H級(jí)上［7］，部分達(dá)到C級(jí)以上，在溫度較高時(shí)系統(tǒng)通過溫控裝置啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，確保熱量帶走，控制溫升，增加繞組的絕緣能力。

4 結(jié)束語

多晶硅還原爐變壓器是多晶硅還原爐在生產(chǎn)過程中非常關(guān)鍵的設(shè)備，根據(jù)工作要求，該種變壓器既需要滿足調(diào)壓要求，又需要為調(diào)功電路提供精確的電抗值。具體要求如下:在使用過程中要求變壓器具有良好的抗短路能力和抗系統(tǒng)電源諧波能力；在還原爐工作初期，硅芯直徑細(xì)，阻值大，需施加較高電壓，變壓器電感要求大；隨著硅的沉積，硅芯直徑逐漸變大，阻值變小，需要較低電壓，變壓器電感要求低［8］。在整個(gè)工作過程中，變壓器需要輸出的電流從100多安增到幾千安；電壓從1 000多伏降低到幾百伏。

因此，對(duì)于還原爐變壓器的制造工藝及應(yīng)用有一個(gè)很高的技術(shù)要求，制造時(shí)必須考慮高次諧波問題、溫升問題、不平衡問題、澆注工藝及材料等［9］。技術(shù)上生產(chǎn)廠家都有不同的方法及工藝來進(jìn)行處理，在實(shí)際生產(chǎn)中同時(shí)要多方面考慮還原爐與調(diào)功柜的匹配設(shè)計(jì)能力，不要讓部分二次繞組過載或輕載，要控制局部溫升，盡量減少高次諧波的沖擊，增強(qiáng)變壓器濾波能力，加裝浪涌保護(hù)器，改善環(huán)境溫度等［10］，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況制定正確的工藝參數(shù)，使還原爐系統(tǒng)電氣設(shè)備在允許范圍內(nèi)正常工作，產(chǎn)出純度極高的多晶硅。

（References）:

［1］龍桂花，吳 彬，韓 松，等.太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2008，18（z1）:386-392.

［2］凌 猛，賴喜德，劉東旗，等.多晶硅還原爐爐膛內(nèi)的輻射傳熱模型研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（4）:125-127.

［3］黎文安.特種變壓器:電氣設(shè)備手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.

［4］方暉洋.電力系統(tǒng)變壓器微機(jī)保護(hù)的研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，2009.

［5］丁明軍.一種實(shí)用的變壓器繞組制作方法［J］.機(jī)電工程，2001，18（4）:72-74.

［6］馬文雅，王丙奇.變壓器高次諧波及其對(duì)單相接地電流的影響［J］.電工技術(shù)，2004（11）:63-64.

［7］保明會(huì).變壓器負(fù)載分配異常分析［J］.變壓器，2012，49（5）:77-79.

［8］毛濤濤，李超林，毋克力，等.淺談大功率多晶硅還原爐電源系統(tǒng)［J］.有色冶金節(jié)能，2010，26（6）:50-53.

［9］王建華.變壓器:電氣工程師手冊(cè)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［10］郭云才，韋良文，張海燕，等.某油井雷擊災(zāi)害調(diào)查分析及防護(hù)措施探討［J］.高壓電器，2012，48（1）:114-117，121.