一種調(diào)功電源阻容吸收電容損壞故障分析及改造

耿懷銀

摘要： 本文主要針對多晶硅還原調(diào)功電源柜晶閘管阻容吸收電容損壞故障，闡述故障發(fā)生的原因，并做出具體分析。通過現(xiàn)場考察、實際測量、理論分析總結(jié)主要原因為電容器耐壓選型偏低，次要原因為調(diào)功電源柜晶閘管長期處于高電壓不利運行工況造成。并針對相關(guān)問題，采取相應(yīng)有針對性的解決措施處理。

關(guān)鍵詞：晶閘管 ?阻容保護 ?過電壓

0 引言

多晶硅還原爐交流電源裝置作為多晶硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的電氣設(shè)備，對于保證生產(chǎn)的順利進行和工藝批準要求起到至關(guān)重要的作用，本文主要針對還原調(diào)功電源柜阻容吸收電容故障進行分析。

還原調(diào)功電源柜是將變壓器不同等級電壓，通過晶閘管無極調(diào)壓輸出為還原爐提供電源的裝置。晶閘管作為調(diào)功柜的主要元器件不僅單價高昂，而且容易因為過電壓或過電流而損壞。為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。同時為了限制電容器的放電電流，降低晶閘管開通瞬間電容放電電流引起的正向電流上升率，以及避免電容與回路電感產(chǎn)生振蕩，通常在電容回路上串入適當電阻，從而構(gòu)成阻容吸收保護電路。

在還原裝置進口AEG調(diào)功電源柜中本應(yīng)作為晶閘管保護回路的吸收電容卻多次出現(xiàn)了鼓裂變形和爆炸損壞的情況，使得故障擴大化，曾發(fā)生多次嚴重損壞電氣設(shè)備的故障，影響生產(chǎn)安全穩(wěn)定。究其原因其中存在著保護選型配置不善和運行工況異常的地方，有必要深入探究和根本解決。

1 電路簡介和故障情況統(tǒng)計

1.1調(diào)功柜的調(diào)壓電路簡介

調(diào)功柜的調(diào)壓電路以4對棒為例，見圖1，即多檔電壓通過晶閘管實現(xiàn)無級切換調(diào)節(jié)輸出電壓。因設(shè)計冗余量考慮電壓等級依次為：2650V、1100V、260V等共6個電壓等級;此電壓等級是與對應(yīng)的硅芯負載長度和負載電阻直徑生長變化情況相適應(yīng)的。實際運行時加載在硅芯上的電壓為一或二檔電壓通過晶閘管拼波而形成的合成電壓，即調(diào)功輸出電壓，并且隨著硅芯生長，阻值降低，電流增加而電壓不斷降低。

作為晶閘管的阻容吸收回路并接在晶閘管兩端，其吸收電容所承受的電壓約等于晶閘管兩端的電壓差，例如2650V檔晶閘管承受的電壓為U1和調(diào)功柜輸出電壓Us之差，當U1不工作時，因生產(chǎn)中調(diào)功柜輸出電壓不斷降低，所以2650V檔晶閘管承受的電壓不斷增加，即吸收電容所承受的電壓將在2650V檔晶閘管不工作后不斷增加。

Uc=U1-Us;

并且在調(diào)功柜無輸出時，即輸出側(cè)S端接地時承受最大電壓Uc=U1=2650V。

1.2 ? 故障情況統(tǒng)計

統(tǒng)計所發(fā)生的電容鼓裂變形和爆炸著火的情況，共發(fā)生和發(fā)現(xiàn)電容損壞情況14次，有5次造成了爆炸和設(shè)備損壞的情況，其他通過檢查中發(fā)現(xiàn)9個損壞電容。損壞電容型號均為：MKP5/0.1 ?4230VAC /0.1uF，即金屬化聚丙烯膜電容;所有損壞電容均是接在AEG調(diào)功柜2650V電壓檔晶閘管保護阻容吸收電容C11、C12、C13，見調(diào)功電路簡圖1。而相同型號電容在其他低電壓等級晶閘管也使用的未發(fā)生損壞的情況。

故障發(fā)生的時間節(jié)點上可以分為兩種情況：

一、發(fā)生在還原爐高壓啟動階段，共2次;

二、發(fā)生在還原爐生產(chǎn)運行后期，均在運行60-70小時以后共3次。

故障發(fā)生的爐型上24對、36對、40對棒還原爐調(diào)功柜都有發(fā)生，但24對棒還原爐次數(shù)較多共6次，占多數(shù)。

2 ?電容損壞故障原因分析.

2.1電容選型分析

根據(jù)晶閘管和阻容吸收電容的選型原則可以得出2650V檔電容耐壓選型如下：

晶閘管額定電壓UTN選擇如下：

UTN>2xU1max==7494.2V;

即： ? ? ? UTN>7494.2V;

根據(jù)經(jīng)驗公式晶閘管阻容吸收電容的耐壓應(yīng)選擇為對應(yīng)晶閘管UTN的1.1-1.5倍，若取最小值即為：

Ucmax=1.1x UTN=1.1x7494.2= 8243.6V

現(xiàn)場調(diào)功柜2650V檔電壓等級的晶閘管保護阻容吸收電容參數(shù)為型號：MKP5/0.1 ?4230VAC /0.1uF，即實際峰值電壓為：

UN=x4230V= 5981.22V;

由此可知實際現(xiàn)場使用的電容峰值電壓5981.22V <8243.6V，即此電容的耐壓值小于選型要求Ucmax，所以此阻容吸收電容不能可靠保護晶閘管。并且在長期過電壓的情況下會可能出現(xiàn)因其耐壓不夠而引起的發(fā)熱和擊穿損壞故障。現(xiàn)場的損壞情況也驗證了這一點，并且給設(shè)備的安全穩(wěn)定運行帶了嚴重的威脅。

同時現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)在AEG調(diào)功柜2650V檔電壓等級的晶閘管保護阻容吸收電容中部分存在型號為：MKP 5.64/0.1 ?5640VAC /0.1uF。兩種不同型號的電容卻存在相同的訂貨號（N0：8000033759），而此訂貨號是與元件型號一一對應(yīng)的。這說明廠家選型使用中存在不一致。

2.2系統(tǒng)電源電壓過高的影響

現(xiàn)場對調(diào)功柜供電變壓器2650V檔輸入側(cè)測量實際輸出電壓高于2650V，這是因考慮10KV側(cè)經(jīng)濟運行，還原變壓器10KV側(cè)母線電壓經(jīng)常運行在10.5KV電壓水平，而還原變壓器10KV分接頭位置并未做相應(yīng)改變，仍接在10KV檔位，所以就造成了2650V檔實際輸出電壓高5%，即為：

2650Vx（1+5%）=2782.5V;

而且在現(xiàn)場實際使用示波器測量不同相的對地電壓換算為有效值為：2828.8V，均高于額定標稱值2650V.

由于現(xiàn)場實際電壓高于額定電壓再加上所選型電容耐壓值小于理論推導(dǎo)的耐壓值，兩種情況的疊加對現(xiàn)場運行的電容更為不利，并且經(jīng)過近4年的長期運行，使得部分制作工藝較差的電容出現(xiàn)了爆炸損壞，且此故障的頻次在逐漸增加。

3 ?采取的應(yīng)對處理措施和替代更換方案

第一、無備件更換之前加強日常巡檢，利用停爐間隙，檢查調(diào)功柜，發(fā)現(xiàn)損壞電容立即更換。在保證正常啟爐的情況下，建議提高硅芯長度，將硅芯長度提高至2.5-2.6m，提高后期運行電壓，改善后期運行電壓分布情況。

第二、針對于部分裝置24對棒還原爐調(diào)功柜電容損壞故障次數(shù)較多的情況，通過對還原變壓器分接頭調(diào)整，降低還原變二次側(cè)電壓。另因10KV系統(tǒng)電壓長期運行在10.5KV高電壓檔，而原變壓器實際接入分接頭為10KV位置，這樣因?qū)嶋H電壓的過高也增加變壓器空載損耗，不利于節(jié)能降耗。通過調(diào)整后可以實現(xiàn)以下兩點：

1.在10KV系統(tǒng)電壓不變的情況下，通過調(diào)整24對棒還原變壓器分接檔位至最高10.5KV檔，使得調(diào)功柜輸入電源電壓降低，進而改善調(diào)功柜后期電壓分布;

2.通過調(diào)整10KV變壓器檔位至最高檔10.5KV，使二次變壓器輸出降低5%，使阻容吸收電容電壓降低133V，降低其因電壓過高造成損壞的可能性。

第三、針對此種型號的電容已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求，經(jīng)過重新選型更換電容，選擇耐壓水平更高的電容。

根據(jù)經(jīng)驗公式晶閘管阻容吸收電容的耐壓應(yīng)選擇為對應(yīng)晶閘管UTN的1.1-1.5倍，若取最小值即為：Ucmax= 8243.6V;

則： Uc= ==5846V（AC）;

在考慮一定裕度（取1.1系數(shù)）情況下選擇額定電壓：6430VAC，0.1 uF的無極性金屬化聚丙烯薄膜電容作為替代電容;并將所有2650V檔晶閘管阻容吸收電容進行全部更換。

4 ?總結(jié)

針對對還原調(diào)功柜阻容吸收電路電容損壞故障的調(diào)查和分析，明確了電容損壞的原因，并相應(yīng)的提出解決措施，通過以上改造措施有效杜絕了因此類故障造成的設(shè)備損壞，提高還原爐有效運行時間。

參考文獻

【1】張康樂. 一種多晶硅還原爐自動調(diào)功器硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).電子科技大學(xué)，2009年5月.17-20頁。

【2】南京南瑞電氣控制公司，南瑞同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材，南京，124-130頁。