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

摘要：核電廠穩(wěn)壓器加熱器功率調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)電路的導通和關(guān)斷時間實現(xiàn)對加熱器功率的調(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。通過對功率調(diào)節(jié)器運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，并通過更換質(zhì)量可靠的可控硅后，恢復了設備的正常運行。

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一回路壓力進行控制和超壓保護的重要設備，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)器的運行可靠性，須對造成對可控硅擊穿缺陷進行分析，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)測電路組成。其中功率控制電路由兩個可控硅同向并聯(lián)再與一個二極管反向并聯(lián)組成，三相電路完全對稱。其單相電路簡圖如圖一。

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)壓器實際壓力測量值與整定值之差經(jīng)運算后輸出一個補償壓差信號，該補償壓差信號經(jīng)函數(shù)發(fā)生器調(diào)制成4～20mA的功率控制信號。功率控制信號輸入至功率調(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)控制可控硅的導通與關(guān)斷，使加熱器通、斷電，從而控制加熱器的功率，通過加熱器功率的變化參與調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器的壓力。加熱器的通斷電時間與功率控制信號成比例函數(shù)關(guān)系，其中當輸入控制信號為4mA時可控硅截止無輸出電流；當輸入信號為20mA時功率調(diào)節(jié)器輸出回路處于全導通狀態(tài)，加熱器輸出功率最大。若對應14mA輸入控制信號，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)異常運行噪音發(fā)現(xiàn)的。現(xiàn)場檢查變壓器，發(fā)現(xiàn)其運行時噪音高達82db，超過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為4mA時，可控硅因無觸發(fā)脈沖，其功率調(diào)節(jié)電路應處于關(guān)斷狀態(tài)，無輸出電流，實際錄取功率調(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。

斷開該功率調(diào)節(jié)器的供電開關(guān)后，其上游供電變壓器異常噪音立即消失。由此確認造成變壓器異常噪音的根本原因為功率調(diào)節(jié)器輸出電流異常。

進一步檢查功率調(diào)節(jié)器，發(fā)現(xiàn)其各元器件外觀無明顯異常。拆下A相可控硅，并使用可控硅測試儀測量其性能參數(shù)。常溫下，測得兩個并聯(lián)可控硅中一個其VDRM/IDRM（斷態(tài)重復峰值電壓/電流）為0.1KV/2300mA；VRRM/IRRM（反向重復峰值電壓/電流）為0.1KV/2300mA。測量顯示其陰極與陽極間失去阻斷能力，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，一類是因為設備運行狀態(tài)異常而造成可控硅的損壞擊穿；另一類是因為器件本身存在品質(zhì)缺陷，在正常運行狀態(tài)下發(fā)生擊穿故障。

3.1 設備運行狀況分析

設備運行過程中出現(xiàn)參數(shù)異常是造成器件損壞的常見原因。對可控硅而言，設備運行中以下幾種失效模式均會造成可控硅發(fā)生擊穿故障。

（1）di/dt（電流上升率）過高

過高的di/dt會造成可控硅在導通時電流和功率的密集，在器件上出現(xiàn)危險的熱點而使器件損壞。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計安裝有電感線圈，通過電感的扼流效應抑制電流上升率。

故障發(fā)生后，對功率調(diào)節(jié)器的扼流電感進行了檢查，測量其電感量、電阻以及絕緣均無異常，顯示故障發(fā)生時其滿足設備限制浪涌電流功能要求。

（2）過電壓

若設備運行中出現(xiàn)異常電壓，且超過可控硅設計運行電壓會造成器件的擊穿。該功率調(diào)節(jié)器負載為純阻性，線間電壓為380V，其最大可能承受的峰值電壓為537V。該可控硅設計額定電壓為1000V，大于其運行運行最大電壓峰值。同時三相間三角形連接有RC回路，防止外部過電壓，對該電壓保護回路進行檢查，其功能正常。

（3）dv/dt（電壓上升率）過高

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

為了抑制可控硅陽極和陰極間過高的dv/dt，該功率調(diào)節(jié)器在每相可控硅兩端均并接有RC保護回路。經(jīng)對該RC回路進行檢查，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)

在使用功率半導體器件時，不能超過其額度節(jié)溫，否則器件器件中的溫度將會越來越高，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?、以及阻斷時的漏電產(chǎn)生的。

正向?qū)顟B(tài)下所產(chǎn)生的功率對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)器其最大運行功率電流為328A，通過兩只同型號可控硅并聯(lián)分流，每只可控硅上通過電流為164A，小于器件的315A額定電流。

故障發(fā)生后，對功率調(diào)節(jié)器下游加熱器負荷進行測量，其直流電阻及對地絕緣均正常；檢查回路中用于保護電子器件過流的熔斷器也未發(fā)生熔斷。由此排除可控硅在運行中承受超過其額定正向?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的漏電流就會產(chǎn)生相當大的功率損耗，且該損耗隨漏電流的增加呈指數(shù)關(guān)系升高。對同型號正?？煽毓柽M行參數(shù)測定，其反向泄露電流為0.1mA（測試電壓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，相當于兩只可控硅串聯(lián)分壓，其實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，該設備故障前實測器件最高溫度為35℃，小于70℃的正常運行限值，可排除熱電擊穿的可能。

通過對以上對設備運行中的失效模式分析，并結(jié)合實際設備檢查情況，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

為進一步分析可控硅故障的真實原因，對該損壞的可控硅由外向內(nèi)逐層切削解剖，對其零部件進行分解觀察。

解剖后，可見可控硅內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖四。螺栓體為陽極，其中腔內(nèi)裝有可控硅管芯；陰極導電銅柱穿過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，彈簧墊片與螺栓體相接觸，與陽極同電位；陰極銅柱從彈簧墊片中孔穿過，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云母進行絕緣。陰極導電銅柱與陽極螺栓體間用陶瓷封裝并絕緣；門極導線從中空的陰極導電銅柱內(nèi)穿入腔體與管芯觸發(fā)極相連，陰極導電銅柱與門極導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，可見有金屬熔融疤點及灼傷黑跡；

（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極面均未見有電熱灼傷痕跡。

通過以上現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，可控硅管芯無過熱、擊穿等明顯的異常，進一步驗證之前分析，可控硅外部電路不存在造成其擊穿的過電流、過電壓異常。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陰極銅柱與彈簧墊片間的安裝間隙和絕緣云母片來實現(xiàn)的，在額度工作電壓之下，其應保持良好的絕緣性能，該處存在絕緣薄弱點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，導致運行時產(chǎn)生電擊打火，惡性循環(huán)破壞點擴大直至引發(fā)擊穿故障。

4 結(jié)論

通過上述分析研究，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，消除了對穩(wěn)壓器加熱器溫度功率調(diào)節(jié)器運行可靠性的擔憂。根據(jù)原因分析，更換質(zhì)量可靠的可控硅后，恢復了設備正常運行。

參考文獻

北京椿樹整流器廠.可控硅設計手冊［M］.北京：機械工業(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

作者簡介

張中杰，男，漢，湖北，1977年3月22日，大學本科，學士，工程師，研究方向：低壓電氣設備維修。