加熱器功率調(diào)節(jié)器可控硅擊穿故障分析

張中杰（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司大修中心，廣東深圳，518124）

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加熱器功率調(diào)節(jié)器可控硅擊穿故障分析

張中杰
（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司大修中心，廣東深圳，518124）

摘要：核電廠穩(wěn)壓器加熱器功率調(diào)節(jié)器通過(guò)調(diào)節(jié)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器功率的調(diào)節(jié)。由于可控硅擊穿故障，造成功率調(diào)節(jié)器工作異常。通過(guò)對(duì)功率調(diào)節(jié)器運(yùn)行狀況及故障可控硅的解剖分析，最終確定造成可控硅擊穿故障的原因是器件內(nèi)部存在絕緣薄弱點(diǎn)，并通過(guò)更換質(zhì)量可靠的可控硅后，恢復(fù)了設(shè)備的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：功率調(diào)節(jié)器；可控硅；擊穿；原因分析

0 引言

穩(wěn)壓器在核電廠中是對(duì)一回路壓力進(jìn)行控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備，調(diào)節(jié)其加熱器的功率可以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器中水的溫度，從而參與對(duì)一回路壓力的控制。某核電廠穩(wěn)壓器加熱器功率調(diào)節(jié)器曾發(fā)生可控硅擊穿故障，故障除造成加熱器功率控制異常外，還造成加熱器上游供電變壓器出現(xiàn)異常噪音和溫升。為提高穩(wěn)壓器加熱器功率調(diào)節(jié)器的運(yùn)行可靠性，須對(duì)造成對(duì)可控硅擊穿缺陷進(jìn)行分析，找到造成可控硅發(fā)生擊穿的根本原因。

1 穩(wěn)壓器加熱器功率調(diào)節(jié)器介紹

1.1 功率調(diào)節(jié)器的電路組成

功率調(diào)節(jié)器主要由功率控制電路、可控硅控制電路、故障監(jiān)測(cè)電路組成。其中功率控制電路由兩個(gè)可控硅同向并聯(lián)再與一個(gè)二極管反向并聯(lián)組成，三相電路完全對(duì)稱。其單相電路簡(jiǎn)圖如圖一。

該功率調(diào)節(jié)器供電電源線電壓為380V；下游為純電阻型加熱器，三相成三角形連接，總功率為216KW，線電流為328A.

可控硅為螺栓型，其銘牌標(biāo)示額定電壓1000V，額定電流為315A。

圖一 比例調(diào)節(jié)器電路組成

1.2 功率調(diào)節(jié)器工作原理

穩(wěn)壓器實(shí)際壓力測(cè)量值與整定值之差經(jīng)運(yùn)算后輸出一個(gè)補(bǔ)償壓差信號(hào)，該補(bǔ)償壓差信號(hào)經(jīng)函數(shù)發(fā)生器調(diào)制成4～20mA的功率控制信號(hào)。功率控制信號(hào)輸入至功率調(diào)節(jié)器后，經(jīng)可控硅控制電路調(diào)制成可控硅導(dǎo)通的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖在周期800ms內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，使加熱器通、斷電，從而控制加熱器的功率，通過(guò)加熱器功率的變化參與調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器的壓力。加熱器的通斷電時(shí)間與功率控制信號(hào)成比例函數(shù)關(guān)系，其中當(dāng)輸入控制信號(hào)為4mA時(shí)可控硅截止無(wú)輸出電流；當(dāng)輸入信號(hào)為20mA時(shí)功率調(diào)節(jié)器輸出回路處于全導(dǎo)通狀態(tài)，加熱器輸出功率最大。若對(duì)應(yīng)14mA輸入控制信號(hào)，在800ms周期內(nèi)，加熱器通電500ms，斷電300ms，加熱器輸出62.5%的功率。

2 故障現(xiàn)象

故障首先從功率調(diào)節(jié)器上游供電變壓器出現(xiàn)異常運(yùn)行噪音發(fā)現(xiàn)的。現(xiàn)場(chǎng)檢查變壓器，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行時(shí)噪音高達(dá)82db，超過(guò)57db的正常值；且A相繞組溫度較其它兩相高約為20℃。逐一檢查該變壓器下游負(fù)荷，除功率調(diào)節(jié)器電流出現(xiàn)異常波形外，余下均正常。

在功率調(diào)節(jié)器外部輸入控制信號(hào)為4mA時(shí)，可控硅因無(wú)觸發(fā)脈沖，其功率調(diào)節(jié)電路應(yīng)處于關(guān)斷狀態(tài)，無(wú)輸出電流，實(shí)際錄取功率調(diào)節(jié)器三相電流波形顯示調(diào)節(jié)器仍有輸出電流，且電流發(fā)生了明顯的畸變。

斷開(kāi)該功率調(diào)節(jié)器的供電開(kāi)關(guān)后，其上游供電變壓器異常噪音立即消失。由此確認(rèn)造成變壓器異常噪音的根本原因?yàn)楣β收{(diào)節(jié)器輸出電流異常。

進(jìn)一步檢查功率調(diào)節(jié)器，發(fā)現(xiàn)其各元器件外觀無(wú)明顯異常。拆下A相可控硅，并使用可控硅測(cè)試儀測(cè)量其性能參數(shù)。常溫下，測(cè)得兩個(gè)并聯(lián)可控硅中一個(gè)其VDRM/IDRM（斷態(tài)重復(fù)峰值電壓/電流）為0.1KV/2300mA；VRRM/IRRM（反向重復(fù)峰值電壓/電流）為0.1KV/2300mA。測(cè)量顯示其陰極與陽(yáng)極間失去阻斷能力，該可控硅發(fā)生了擊穿故障。

3 可控硅擊穿原因分析

一般可控硅擊穿的原因主要有兩大類，一類是因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常而造成可控硅的損壞擊穿；另一類是因?yàn)槠骷旧泶嬖谄焚|(zhì)缺陷，在正常運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生擊穿故障。

3.1 設(shè)備運(yùn)行狀況分析

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)參數(shù)異常是造成器件損壞的常見(jiàn)原因。對(duì)可控硅而言，設(shè)備運(yùn)行中以下幾種失效模式均會(huì)造成可控硅發(fā)生擊穿故障。

（1）di/dt（電流上升率）過(guò)高

過(guò)高的di/dt會(huì)造成可控硅在導(dǎo)通時(shí)電流和功率的密集，在器件上出現(xiàn)危險(xiǎn)的熱點(diǎn)而使器件損壞。為了將di/dt控制在可接受的范圍內(nèi)，該功率調(diào)節(jié)器在每相輸入端均設(shè)計(jì)安裝有電感線圈，通過(guò)電感的扼流效應(yīng)抑制電流上升率。

故障發(fā)生后，對(duì)功率調(diào)節(jié)器的扼流電感進(jìn)行了檢查，測(cè)量其電感量、電阻以及絕緣均無(wú)異常，顯示故障發(fā)生時(shí)其滿足設(shè)備限制浪涌電流功能要求。

（2）過(guò)電壓

若設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)異常電壓，且超過(guò)可控硅設(shè)計(jì)運(yùn)行電壓會(huì)造成器件的擊穿。該功率調(diào)節(jié)器負(fù)載為純阻性，線間電壓為380V，其最大可能承受的峰值電壓為537V。該可控硅設(shè)計(jì)額定電壓為1000V，大于其運(yùn)行運(yùn)行最大電壓峰值。同時(shí)三相間三角形連接有RC回路，防止外部過(guò)電壓，對(duì)該電壓保護(hù)回路進(jìn)行檢查，其功能正常。

（3）dv/dt（電壓上升率）過(guò)高

如果在可控硅的陽(yáng)極與陰極間加上一個(gè)前沿很陡的電壓或瞬態(tài)電壓，電流會(huì)流過(guò)極間電容和正向偏置結(jié)，該電流象控制極電流一樣，會(huì)造成可控硅導(dǎo)通。由于該導(dǎo)通非由控制極信號(hào)觸發(fā)的，會(huì)造成電路運(yùn)行不受控制，進(jìn)而使可控硅受到很大的電流沖擊，引起損壞。

為了抑制可控硅陽(yáng)極和陰極間過(guò)高的dv/dt，該功率調(diào)節(jié)器在每相可控硅兩端均并接有RC保護(hù)回路。經(jīng)對(duì)該RC回路進(jìn)行檢查，其吸收浪涌電壓功能正常。

（4）熱電擊穿分析

圖二 可控硅內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在使用功率半導(dǎo)體器件時(shí)，不能超過(guò)其額度節(jié)溫，否則器件器件中的溫度將會(huì)越來(lái)越高，最終使器件造成損壞?？煽毓柚挟a(chǎn)生的功率主要是由于正向?qū)娏?、以及阻斷時(shí)的漏電產(chǎn)生的。

正向?qū)顟B(tài)下所產(chǎn)生的功率對(duì)溫度的影響主要取決于所使用的正向電流的大小。該功率調(diào)節(jié)器其最大運(yùn)行功率電流為328A，通過(guò)兩只同型號(hào)可控硅并聯(lián)分流，每只可控硅上通過(guò)電流為164A，小于器件的315A額定電流。

故障發(fā)生后，對(duì)功率調(diào)節(jié)器下游加熱器負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量，其直流電阻及對(duì)地絕緣均正常；檢查回路中用于保護(hù)電子器件過(guò)流的熔斷器也未發(fā)生熔斷。由此排除可控硅在運(yùn)行中承受超過(guò)其額定正向?qū)娏鞯目赡堋?/p>

由于器件需阻斷高電壓，在阻斷電壓下所流過(guò)的漏電流就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的功率損耗，且該損耗隨漏電流的增加呈指數(shù)關(guān)系升高。對(duì)同型號(hào)正?？煽毓柽M(jìn)行參數(shù)測(cè)定，其反向泄露電流為0.1mA（測(cè)試電壓1000V）。考慮三相電路中每相電路中均裝有功率電子器件，在反向阻斷狀態(tài)下，相當(dāng)于兩只可控硅串聯(lián)分壓，其實(shí)際承受電壓小于線路的線電壓，其反向泄露電流將更低，由反向泄露電流產(chǎn)生的功率損耗不足以造成可控硅發(fā)生熱擊穿。

為運(yùn)行中可控硅有效散熱，可控硅安裝在散熱器上，并緊固良好。根據(jù)巡檢記錄，該設(shè)備故障前實(shí)測(cè)器件最高溫度為35℃，小于70℃的正常運(yùn)行限值，可排除熱電擊穿的可能。

通過(guò)對(duì)以上對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的失效模式分析，并結(jié)合實(shí)際設(shè)備檢查情況，可排除可控硅外部電路故障造成其擊穿的可能。

3.2 故障可控硅的解剖分析

為進(jìn)一步分析可控硅故障的真實(shí)原因，對(duì)該損壞的可控硅由外向內(nèi)逐層切削解剖，對(duì)其零部件進(jìn)行分解觀察。

解剖后，可見(jiàn)可控硅內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖四。螺栓體為陽(yáng)極，其中腔內(nèi)裝有可控硅管芯；陰極導(dǎo)電銅柱穿過(guò)彈簧墊片和云母片中孔穿入腔內(nèi)，在尾端焊有壓板并與管芯陰極相接觸；正常時(shí)，彈簧墊片與螺栓體相接觸，與陽(yáng)極同電位；陰極銅柱從彈簧墊片中孔穿過(guò)，且與彈簧墊片內(nèi)環(huán)有一定絕緣間隙；彈簧墊片與陰極板間通過(guò)云母進(jìn)行絕緣。陰極導(dǎo)電銅柱與陽(yáng)極螺栓體間用陶瓷封裝并絕緣；門極導(dǎo)線從中空的陰極導(dǎo)電銅柱內(nèi)穿入腔體與管芯觸發(fā)極相連，陰極導(dǎo)電銅柱與門極導(dǎo)線間填充有絕緣材料。

圖三 可控硅內(nèi)部損傷情況

解剖后能觀察到其內(nèi)部損壞情況，如圖三：

（1）可控硅內(nèi)空腔呈電熱灼傷發(fā)黑狀態(tài)；

（2）陰極銅電極柱及陰極連接金屬板，可見(jiàn)有金屬熔融疤點(diǎn)及灼傷黑跡；

（3）云母絕緣片內(nèi)圓孔邊緣有一處外延狀燒痕；

（4）彈簧墊圈在內(nèi)圓孔邊緣和云母絕緣片相同位置處同樣有燒融痕跡；

（5）可控硅管芯陰極面和陽(yáng)極面均未見(jiàn)有電熱灼傷痕跡。

通過(guò)以上現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，可控硅管芯無(wú)過(guò)熱、擊穿等明顯的異常，進(jìn)一步驗(yàn)證之前分析，可控硅外部電路不存在造成其擊穿的過(guò)電流、過(guò)電壓異常。該可控硅的擊穿發(fā)生在陰極銅柱與彈簧墊片內(nèi)環(huán)間，正常情況下，這兩部分間絕緣是通過(guò)陰極銅柱與彈簧墊片間的安裝間隙和絕緣云母片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在額度工作電壓之下，其應(yīng)保持良好的絕緣性能，該處存在絕緣薄弱點(diǎn)是造成本次可控硅擊穿的根本原因。由于器件內(nèi)部存在絕緣耐壓薄弱處，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電擊打火，惡性循環(huán)破壞點(diǎn)擴(kuò)大直至引發(fā)擊穿故障。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析研究，確定造成穩(wěn)壓器加熱器功率功率調(diào)節(jié)器可控硅故障的根本原因是該器件本身存在制造缺陷，消除了對(duì)穩(wěn)壓器加熱器溫度功率調(diào)節(jié)器運(yùn)行可靠性的擔(dān)憂。根據(jù)原因分析，更換質(zhì)量可靠的可控硅后，恢復(fù)了設(shè)備正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

北京椿樹(shù)整流器廠.可控硅設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

Analysis for Thyristor Breakdown of Heating Power Regulator

Zhang Zhongjie
（Outage center ， China Nuclear Power Operations Co. ， Ltd.，Shenzhen Guangdong，518124）

Abstract：The power of pressurizer heat in nuclear power plant can be controlled by adjusting the circuit turn-on and turn-off time. Due to the thyristor breakdown， the power regulator worked abnormal.Through analysis of the equipment running status and anatomy of the failure thyrisor，the root cause of the thyristor breakdown was found.It is that there was an insulation weak point in the thyristor.By replacing with new thyristor， the device was restored to normal operation.

Keywords：Power Regulator；Thyristor；Breakdown；Root cause

作者簡(jiǎn)介

張中杰，男，漢，湖北，1977年3月22日，大學(xué)本科，學(xué)士，工程師，研究方向：低壓電氣設(shè)備維修。