氣象水電解制氫設(shè)備整流電源控制系統(tǒng)常見故障分析及應(yīng)急預(yù)案

扎堆 尼瑪白珍

（西藏拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000）

青藏高原平均海拔在4000米以上，空氣稀薄，氣候干燥，紫外線輻射強(qiáng)，晝夜溫差大。電器設(shè)備隨著環(huán)境因素的變化容易造成短路、元器件性能降低和損毀等現(xiàn)象。根據(jù)GB50053-1994的規(guī)定，海拔高度每增加1000米裸帶電部分至接地和不同相的裸帶電部分之間，需要增加1%進(jìn)行修正。而在高原地區(qū)使用的電器設(shè)備普遍是在內(nèi)地低海拔氣候環(huán)境下研發(fā)和投入運(yùn)行的，所以在高原地區(qū)運(yùn)行得電氣設(shè)備應(yīng)使用增容型的，使用普通型或者超負(fù)載使用時(shí)，設(shè)備故障率就會(huì)大大增加，使用壽命縮短?，F(xiàn)就對(duì)高原地區(qū)制氫設(shè)備的電源控制系統(tǒng)常見故障進(jìn)行簡述和分析，并對(duì)故障排除方法加以介紹。希望對(duì)我區(qū)高空氣象臺(tái)站的QDQ2-1型水電解制氫用戶有所幫助。

1 氫氣與制氫設(shè)備

氫氣是高空氣象觀測站獲取高空氣象資料必不可缺且每天都需使用的材料。水電解制氫是我國目前常規(guī)高空氣象觀測所需氫氣的主要來源。QDQ2-1型水電解制氫裝置是我國氣象部門專用制氫設(shè)備，也是我國氣象高空觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分。該裝置主要由制氫主機(jī)、整流控制器、加水系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、充球系統(tǒng)和輔助配套系統(tǒng)等組成。

1.1 舉實(shí)例說明故障所造成的影響

那曲氣象局制氫設(shè)備為QDQ2-1型，使用年限已達(dá)9年之久，設(shè)備額定工作電流為161A，額定工作電壓范圍為57-63V。2017年1月初制氫設(shè)備整流控制系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致無法正常制氫作業(yè)。故障造成變壓系統(tǒng)燒毀，晶閘管擊穿，整流控制板和控制元件損壞。雖然整流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以及時(shí)通過維修或更換盡快恢復(fù)，但變壓系統(tǒng)卻無法修復(fù)，目前我區(qū)也沒有配備變壓器備用件。該型號(hào)制氫設(shè)備的變壓器均是專門設(shè)計(jì)的，不可隨意代用。變壓器體積較大，重量約200公斤左右，此類備件目前無法空運(yùn)，從廠家發(fā)貨到拉薩最快也要15天左右才能收到，這樣每天兩次例行的高空測風(fēng)業(yè)務(wù)用氫就沒有了來源，高空測風(fēng)業(yè)務(wù)面臨缺測的危險(xiǎn)。2017年1月底拉薩站的制氫設(shè)備變壓器也出現(xiàn)了類似的故障，該設(shè)備是QDQ3型，設(shè)備額定工作電流為320A，額定工作電壓46-52V。由于使用環(huán)境因素造成內(nèi)部繞組絕緣失效，變壓器線圈短路燒毀。拉薩本站的應(yīng)急備用氫氣瓶已被那曲站使用，不得不使用上世紀(jì)已棄用的化學(xué)制氫供氫模式，使用老式化學(xué)制氫既存在著安全生產(chǎn)隱患又面臨著無處購買原材料的困境。如果像這種故障發(fā)生在我區(qū)其他站點(diǎn)，那必將對(duì)正常探測業(yè)務(wù)帶來無法彌補(bǔ)的損失。

1.2 水電解制氫設(shè)備整流控制系統(tǒng)

QDQ2-1型和QDQ3型水電解制氫設(shè)備整流電源集成化程度高，具有脈沖對(duì)稱，溫度穩(wěn)定等特點(diǎn)。穩(wěn)壓，穩(wěn)流雙電位器給定，可手動(dòng)調(diào)節(jié)電流和電壓。

1.3 中心控制板工作原理

整流控制系統(tǒng)由同步變壓器、電壓及電流調(diào)節(jié)器、模擬—數(shù)字觸發(fā)器、脈沖變壓器、過流及過壓保護(hù)、相序自鎖定、軟啟動(dòng)、上電封鎖等部分組成［1］（圖1）。

圖1 中心控制板工作原理

1.4 電壓電流調(diào)節(jié)器

電壓及電流調(diào)節(jié)器為并接，以實(shí)現(xiàn)限流調(diào)壓或限壓調(diào)流功能，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換限流和限壓之間的工作方式，適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性高（圖2）。

圖2 制氫設(shè)備的系統(tǒng)框圖

1.4.1 模擬—數(shù)字觸發(fā)器。觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖電路采用鎖相控制的模擬—數(shù)字觸發(fā)器。觸發(fā)器具有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種工作方式。開環(huán)工作時(shí)，根據(jù)用戶的需要可以手動(dòng)進(jìn)行控制，而閉環(huán)工作時(shí)，電路實(shí)行反饋檢測數(shù)據(jù)，跟蹤設(shè)定的目標(biāo)達(dá)到自動(dòng)控制的功能。最小控制角〆min可通過可控硅控制器面板上的小旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4.2 保護(hù)電路。當(dāng)整流控制系統(tǒng)發(fā)生短路、過載或過壓等情況時(shí)，保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)封鎖觸發(fā)脈沖，使輸出電壓和輸出電流歸零，此時(shí)報(bào)警燈亮，蜂鳴器響，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，防止設(shè)備損壞并及時(shí)提醒工作人員對(duì)發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行故障排除。過載故障（包括主機(jī)超壓、儲(chǔ)氫超壓、溫度超限、電流和電壓失控等）排除后重新通電按下“復(fù)位”按鈕設(shè)備即可恢復(fù)正常運(yùn)行。

1.4.3 相序自鎖定環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)有相序自動(dòng)判別電路，自動(dòng)判別電路會(huì)根據(jù)進(jìn)線的相序自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)順序，免去接線式確定相序和確定同步的封瑣，方便使用。

1.4.4 上電封鎖和軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)。整流控制系統(tǒng)剛通電時(shí)會(huì)自動(dòng)緩慢開放脈沖，防止上電沖擊，造成元器件損壞。可控硅控制面板上設(shè)有“電源”、“失控”、“過流”、“過壓”四個(gè)指示燈［2］，如有故障相應(yīng)的指示燈會(huì)亮。在中心集成控制板上方有六個(gè)脈沖輸出指示燈，如哪一路觸發(fā)脈沖有故障與之相對(duì)應(yīng)的指示燈不會(huì)亮，用萬用表測量該電路也沒有輸出電壓，這種情況應(yīng)取下此路晶閘管用萬用表置RX10擋位測量其阻值，陽極接黑表筆，陰極接紅表筆時(shí)，萬用表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即可控硅不導(dǎo)通，則說明該可控硅的觸發(fā)特性不好或已擊穿損壞。

1.5 整流電源控制系統(tǒng)的問題與解決方案

1.5.1 調(diào)最小控制角電位器時(shí)，如何兼顧失控狀態(tài)。

解決方法：調(diào)節(jié)最小控制角電位器時(shí)緩慢向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如果失控指示燈亮說明輸出電壓過大，將最小控制角電位器朝相反方向緩慢調(diào)節(jié)待失控指示燈熄滅后繼續(xù)調(diào)整一小段范圍即可［1］。

1.5.2 開環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓有跳變。解決方法：檢查電位器是否失控，檢查晶閘管與觸發(fā)器連接線是否處于正確（水電解制氫時(shí)一般采用閉環(huán)控制工作方式）。

1.5.3 給定信號(hào)回零，輸出不回零，逐漸加大給定后，輸出能連續(xù)調(diào)節(jié)。解決方法：一般性負(fù)載對(duì)高頻脈沖調(diào)制信號(hào)阻抗太大，產(chǎn)生虛電壓，此電壓是輸出電壓表上產(chǎn)生的假象。

1.5.4 判斷是否變壓器損壞的方法。用耳朵聽變壓器的工作聲音，有略微低沉而平穩(wěn)的嗡聲，不應(yīng)有刺耳的嘯叫聲。觀察變壓器的外觀，沒有變色，沒有焦糊的味道。用萬用表測量輸出側(cè)的電壓值，交流電壓值在60伏左右，三相平衡。用萬用表測量輸入側(cè)的電壓值，交流電壓值在380伏左右，三相平衡。

2 現(xiàn)將針對(duì)我區(qū)制氫站點(diǎn)實(shí)際情況提出幾種應(yīng)急方案

2.1 增設(shè)氫氣壓縮系統(tǒng)

臺(tái)站增設(shè)氫氣壓縮系統(tǒng)，并對(duì)制氫業(yè)務(wù)人員進(jìn)行現(xiàn)場操作培訓(xùn)，合格上崗。平時(shí)制氫時(shí)可以利用壓縮系統(tǒng)壓縮儲(chǔ)備一定量的氫氣，以備特殊情況時(shí)應(yīng)急使用。

2.2 增設(shè)整流控制器

根據(jù)臺(tái)站使用制氫設(shè)備的型號(hào)購置一套相應(yīng)的電源整流控制系統(tǒng)，利用電源轉(zhuǎn)關(guān)開關(guān)做到一用一備或者輪流替換使用。這樣既減小了整流控制器的使用負(fù)荷，又增加了設(shè)備的安全系數(shù)。

2.3 儲(chǔ)備關(guān)鍵部件

比如，購置統(tǒng)一規(guī)格的變壓器安置于適宜位置，備份整流控制板（可控硅控制器）、可控硅（晶閘管）、快速熔斷器、保險(xiǎn)管等關(guān)鍵部件或易損配件。

2.4 安裝雙備份制氫系統(tǒng)

對(duì)于偏遠(yuǎn)的高空臺(tái)站或者用氫量比較大的重要臺(tái)站，可安裝兩套制氫設(shè)備。即使設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，另一套設(shè)備可以正常工作，不影響正常的業(yè)務(wù)開展。

2.5 定期開展培訓(xùn)并加強(qiáng)日常維護(hù)

相關(guān)業(yè)務(wù)主管單位可以定期邀請(qǐng)廠家技術(shù)專家并集中全區(qū)業(yè)務(wù)人員進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)。只有工作人員對(duì)設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)布置、常見故障及排除方法了解掌握之后才能進(jìn)行更好地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，從而保證設(shè)備順利正常工作。

3 小結(jié)

制氫設(shè)備電源控制系統(tǒng)屬于氣象用水電解制氫設(shè)備的關(guān)鍵組成部分。特別是變壓器、整流控制板、晶閘管等出現(xiàn)故障損壞時(shí)，如果現(xiàn)場沒有備件更換，造成制氫設(shè)備無法正常運(yùn)行，就會(huì)對(duì)我區(qū)高空氣象探測業(yè)務(wù)的順利開展造成不利影響。為了預(yù)防設(shè)備故障發(fā)生，或者當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)解決，使設(shè)備故障不對(duì)正常的氣象高空探測業(yè)務(wù)造成影響，我們應(yīng)及早做好應(yīng)急預(yù)案。