霍大勇

（喀什大學，新疆 喀什 844006）

電鍍加工常用的直流電源中，晶閘管整流電源占主要地位。晶閘管是整流電源的核心器件。筆者針對鍍鉻生產中使用的KDS-5000/±40 整流電源，選取典型的晶閘管過熱擊穿故障實例，說明在使用晶閘管整流電源中分析處理晶閘管故障的方法，供同行參考。

KDS-5000/±40 整流電源可以用作雙向電鍍電源、陽極氧化電源、電解電源。其主回路電路如圖1 所示。在鍍鉻生產中，當主回路中有晶閘管擊穿時，會造成直流電源的紋波系數增大，當紋波系數大于5%時，鍍鉻質量就會發(fā)生變化，表現為鍍鉻層發(fā)花、發(fā)霧[1]。晶閘管的擊穿有3 種形式：額定載流量下的過熱擊穿，過流擊穿，以及過壓擊穿。晶閘管整流電源通常采用風冷和水冷的方式對晶閘管進行散熱。KDS-5000/±40 電源為水冷方式，冷卻裝置安裝如圖2 所示。

圖1 KDS-5000/±40 整流電源的主回路原理圖Figure 1 Circuit diagram of the major loop of KDS-5000/±40 rectifier

圖2 晶閘管水冷散熱器安裝圖Figure 2 Schematic diagram showing the installation of water cooler for thyristor

1 晶閘管在額定電流下的過熱擊穿

額定載流量下的過熱擊穿是指晶閘管在額定工作電流工況下發(fā)生的過熱擊穿。發(fā)生這種擊穿的原因在于輔助散熱裝置工作不良，導致晶閘管芯片溫度過高。

1.1 故障舉例

1.1.1 冷卻水的進水溫度過高

1.1.1.1 現象

中原地區(qū)某鍍鉻生產線，自前一年10 月份投產，運行正常，但至次年8 月份出現鍍層發(fā)花發(fā)霧故障。檢查發(fā)現KDS-5000/±40 電源晶閘管擊穿1 個。

1.1.1.2 現場分析及處理

晶閘管正常使用時殼溫一般要求低于80 °C，此時晶閘管芯片的溫度低于100 °C；晶閘管正常工作的溫度為-40 ~ 100 °C[2]。水冷式晶閘管的有效使用時間超過6 個月時，其散熱器的散熱性能會明顯下降?？紤]到有可能是散熱器性能下降導致晶閘管過熱，于是用萬用表測溫頭測量晶閘管管芯陶瓷外殼的溫度，在90 °C 以上。對散熱器進行除垢，保證冷卻水壓力和流量正常，運行30 min 后重復測量晶閘管管芯陶瓷外殼的溫度，仍大于90 °C。接輕負載(即外接小負荷電阻)試運行，故障仍存在。這就確定了故障出現在晶閘管本身及散熱系統，然而更換了同型號的成套晶閘管(含散熱裝置)后仍不能排除故障。檢查發(fā)現冷卻水的進水溫度為50 °C。參照西安西普電力電子有限公司編寫的《KDF(S)晶閘管電鍍電源使用說明書》，設備要求的冷卻進水溫度不高于35 °C。該工廠的設備冷卻水采用了循環(huán)水裝置，所處地區(qū)正值夏季，室外氣溫高，冷卻塔降溫措施不好，于是造成該故障。改進了循環(huán)水裝置，對整流電源所在的控制室采取室內降溫措施，并保證冷卻水進水口的溫度在35 °C 以下，總出水口的溫度低于50 °C，故障排除。

1.1.2 冷卻水套的水腔堵塞

1.1.2.1 現象

1.1 中的生產線運行中又出現與1.1.1 相同的故障，此次有3 個晶閘管同時出現過熱，燒毀1 只。

1.1.2.2 現場分析及處理

檢查發(fā)現，組裝該設備時水冷裝置采用了3 只晶閘管串聯，設備中的12 只晶閘管分為4 組串聯在冷卻水路中。過熱的為其中一組。

由于其他3 組晶閘管工作正常，排除過電流引起的故障。重點檢查冷卻水路，發(fā)現該水路在燒毀的晶閘管處堵塞。堵塞是因為冷卻水雜質所致。更換該晶閘管及其冷卻裝置，故障排除。

為避免此類問題發(fā)生，在晶閘管冷卻水總進水口加裝了過濾裝置，沒有再發(fā)生類似故障。

1.1.3 冷卻水套的水腔水垢嚴重

1.1.3.1 現象

生產線出現1.1.2 的故障后8 個月，正常水壓下出現冷卻水出水口流量明顯變小，晶閘管過熱。

1.1.3.2 現場分析及處理檢查發(fā)現晶閘管水套內腔有大量水垢，屬水質問題。清理水腔，保證冷卻水出水量≥3 m3/h，故障排除。另外，冷卻水采用軟水的手段也可以有效預防此類故障。

1.1.4 冷卻水水壓過低

1.1.4.1 現象

1.1.3 中同一設備，正常運行中突然燒毀2 個晶閘管，檢查發(fā)現晶閘管普遍過熱，影響生產。

1.1.4.2 現場分析及處理

現場查看生產記錄，發(fā)現該故障前期已經出現一次，燒毀一只晶閘管?，F場人員當時認為是晶閘管老化所致，但更換后仍出現了相同的問題?，F場檢查冷卻水的水壓、水量均正常；如1.1.1 測量晶閘管溫度也正常，而此時的鍍鉻生產工況并沒有變化。囑當班人員繼續(xù)生產并觀察設備運行狀況，一個班次后故障再現。現場檢查，發(fā)現冷卻水水壓過低，造成冷卻水量不足。繼續(xù)排查，發(fā)現相鄰工房前期從該設備的冷卻進水管路搭接了一條引水管路，其同時用水時造成水壓降低?；謴驮鋮s水水路配置，保證工作中冷卻水的流量≥3 m3/h，水壓≥0.15 MPa后故障排除。

1.1.5 冷卻水水壓過高

1.1.5.1 現象

1.1.4 中同一設備，正常運行中夜間突然燒毀1 個晶閘管，檢查發(fā)現晶閘管有一處水套漏水。

1.1.5.2 現場分析及處理

因冷卻水塔故障，該設備臨時采用自來水水源冷卻。該車間夜間水壓大于0.8 MPa，導致一處水套漏水，影響串聯在其后面的晶閘管冷卻，于是出現故障。

當冷卻水源的壓力過高時，在晶閘管的冷卻進水口加裝減壓閥，保證進水壓力低于0.6 MPa，即可避免此類故障。

1.1.6 散熱器安裝不平整，有灰塵夾入

1.1.6.1 現象

整流設備大修，更換散熱器后試運行，出現2 個晶閘管過熱，不能正常工作。

1.1.6.2 現場分析及處理對故障的晶閘管及其冷卻裝置解體檢查，發(fā)現其中1 個晶閘管散熱器與晶閘管芯片接觸處沒有徹底清潔，造成冷卻接觸不良。重新處理(見1.2 的要點7)該晶閘管芯片及其散熱器，故障排除。另一個晶閘管的3 個螺母其中一處“張口”松弛，造成散熱不良。重新組裝該晶閘管及其散熱器，故障排除。

1.1.7 散熱器接觸面變形

1.1.7.1 現象

1.1.6 中的同一整流設備更換故障晶閘管芯片后試運行，出現合格的芯片過熱，不能正常工作。

1.1.7.2 現場分析及處理對該晶閘管及其冷卻裝置解體檢查，發(fā)現散熱器與晶閘管芯片接觸面變形，造成冷卻接觸不良。更換新的散熱器，故障排除。這是多次更換芯片后，散熱器因重復使用而產生接觸面變形所致。

1.2 技術要點

【要點1】可以用測量管芯陶瓷外殼溫度的方法來判定散熱器的散熱效果。殼溫一般要求低于80 °C 才可以保證晶閘管正常工作。

【要點2】測量溫度宜采用紅外溫度測試儀或帶測溫功能的萬用表。

【要點3】及時更換達不到散熱效果的散熱器，可以有效地提高晶閘管的工作電流。

【要點4】采用水冷方式工作的晶閘管，進水溫度5 ~ 35 °C，水流量≥3 m3/h，水壓0.15 ~ 0.60 MPa，水電阻率≥20 kΩ·cm。

【要點5】出水溫度應低于50 °C，可以采用測量出水溫度的方法來判斷晶閘管的工作溫度。

【要點6】散熱器使用過程中應注意防漏水、防堵塞、防凝露，出現問題時應及時處理或更換散熱器。

【要點7】更換晶閘管芯片時，芯片與散熱器之間的接觸面要保證良好的接觸，接觸面平整，不能有劃痕或凹凸，也不能有灰塵夾入，要保證有足夠的接觸面且受力均勻。散熱器臺面粗糙度≤1.6 μm，平整度≤30 μm。

【要點8】組裝水冷晶閘管的散熱器時，3 個螺栓的拉力一定要均勻。建議采用專門的組裝器進行組裝。人工組裝時要使用扭矩扳手，對3 個螺母交替用力。

【要點9】要經常檢查和清理水垢，水垢太多會影響散熱效果而導致晶閘管過熱擊穿。

【要點10】多次更換芯片也會導致散熱器的接觸面變形而影響散熱效果。如果整流器中的某只晶閘管經常擊穿，應該考慮在更換晶閘管時連同散熱器一同更換。

2 晶閘管的過流擊穿

晶閘管的過流擊穿本質也是過熱擊穿。電流通過晶閘管芯片時在芯片內部會產生熱效應，使得晶閘管的芯片溫度升高；當溫度達到175 °C 時，芯片就會不可逆地失效。在正常的使用條件下，工作電流不超過晶閘管額定電流，不會發(fā)生過熱擊穿。過流擊穿的根本原因在于溫度升高，所以幾百毫秒到幾秒的短時間過流不會造成晶閘管擊穿。

2.1 故障舉例──晶閘管更換的芯片電流等級錯誤

2.1.1 現象

KDS-5000/±40 整流電源的一個芯片老化，更換該晶閘管芯片后，連續(xù)燒毀3 個芯片，其他未更換的芯片工作正?！，F場維修人員根據1.1.7 的經驗，同時更換了該晶閘管的散熱器，故障依舊。

2.1.2 現場分析及處理

現場檢查發(fā)現，原晶閘管的額定電流為1 200 A，由于庫存沒有同型號的器件，現場人員認為六相雙反星形電路其中一個器件只承受1/6 的工作電流，就采用800 A 的晶閘管代換，這樣晶閘管的電流余量不足；同時，晶閘管散熱器的型號也不配套，造成該故障。采用原型號晶閘管組件后，故障排除。

2.2 技術要點

【要點11】嚴格按照設備的晶閘管型號進行維護替換，當沒有相同參數的晶閘管可供替代時，應選用高一級型號。

【要點12】晶閘管必須與配套的散熱器配合使用，否則會影響散熱效果。

3 晶閘管的過壓擊穿

過壓擊穿是晶閘管擊穿的主要原因，晶閘管對過壓的承受能力沒有時限；幾毫秒的短時間過壓就會擊穿晶閘管。實際應用中，晶閘管并聯接入RC 吸收回路以避免瞬間過壓[3]。

3.1 故障舉例──RC 吸收回路器件損壞

3.1.1 現象

現場人員報告，VT11 晶閘管一季度出現多次燒毀故障，故障時間無規(guī)律，故障發(fā)生前沒有出現過熱。

3.1.2 現場分析及處理

停機，檢查VT11 晶閘管的冷卻裝置，均正常。繼續(xù)檢查保護環(huán)節(jié)，發(fā)現吸收回路的電阻燒毀。RC 吸收回路不能起到過壓保護作用，當外部交流電壓發(fā)生變化(如交流電壓突變)，就會造成晶閘管過壓擊穿。修復RC吸收回路，設備恢復正常運行。

3.2 技術要點

【要點13】晶閘管兩端一定要接入RC 吸收回路，以避免各種無規(guī)則的干擾脈沖所引起的瞬間過壓。

【要點14】萬用表只能定性判斷晶閘管的好壞，不能對器件耐壓作定量判斷。若要對耐壓和觸發(fā)特性進行測試，需要使用專門的測試儀。

【要點15】嚴禁使用兆歐表檢查晶閘管。如需檢查整機裝置的耐壓能力，應先將晶閘管的各電極短路。

4 結語

從冷卻、選型、安裝、維護、交流電源環(huán)境等5 個方面區(qū)分處理過熱、過流、過壓導致的晶閘管燒毀故障，按照技術要點進行預防，可以有效保障晶閘管整流電源的運行。

[1] 王萍, 楊旭, 霍大勇.交流供電系統對鍍鉻質量的影響[J].電鍍與精飾, 2014, 36 (6): 22-24, 28.

[2] 孫克軍.電工手冊[M].2 版.北京: 化學工業(yè)出版社, 2012: 498-499.

[3] 李源生.實用電工學[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 244-245.