耿怀银

摘要： 本文主要针对多晶硅还原调功电源柜晶闸管阻容吸收电容损坏故障，阐述故障发生的原因，并做出具体分析。通过现场考察、实际测量、理论分析总结主要原因为电容器耐压选型偏低，次要原因为调功电源柜晶闸管长期处于高电压不利运行工况造成。并针对相关问题，采取相应有针对性的解决措施处理。

关键词：晶闸管  阻容保护  过电压

0 引言

多晶硅還原炉交流电源装置作为多晶硅生产环节中最重要的电气设备，对于保证生产的顺利进行和工艺批准要求起到至关重要的作用，本文主要针对还原调功电源柜阻容吸收电容故障进行分析。

还原调功电源柜是将变压器不同等级电压，通过晶闸管无极调压输出为还原炉提供电源的装置。晶闸管作为调功柜的主要元器件不仅单价高昂，而且容易因为过电压或过电流而损坏。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收电路，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。同时为了限制电容器的放电电流，降低晶闸管开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护电路。

在还原装置进口AEG调功电源柜中本应作为晶闸管保护回路的吸收电容却多次出现了鼓裂变形和爆炸损坏的情况，使得故障扩大化，曾发生多次严重损坏电气设备的故障，影响生产安全稳定。究其原因其中存在着保护选型配置不善和运行工况异常的地方，有必要深入探究和根本解决。

1 电路简介和故障情况统计

1.1调功柜的调压电路简介

调功柜的调压电路以4对棒为例，见图1，即多档电压通过晶闸管实现无级切换调节输出电压。因设计冗余量考虑电压等级依次为：2650V、1100V、260V等共6个电压等级;此电压等级是与对应的硅芯负载长度和负载电阻直径生长变化情况相适应的。实际运行时加载在硅芯上的电压为一或二档电压通过晶闸管拼波而形成的合成电压，即调功输出电压，并且随着硅芯生长，阻值降低，电流增加而电压不断降低。

作为晶闸管的阻容吸收回路并接在晶闸管两端，其吸收电容所承受的电压约等于晶闸管两端的电压差，例如2650V档晶闸管承受的电压为U1和调功柜输出电压Us之差，当U1不工作时，因生产中调功柜输出电压不断降低，所以2650V档晶闸管承受的电压不断增加，即吸收电容所承受的电压将在2650V档晶闸管不工作后不断增加。

Uc=U1-Us;

并且在调功柜无输出时，即输出侧S端接地时承受最大电压Uc=U1=2650V。

1.2   故障情况统计

统计所发生的电容鼓裂变形和爆炸着火的情况，共发生和发现电容损坏情况14次，有5次造成了爆炸和设备损坏的情况，其他通过检查中发现9个损坏电容。损坏电容型号均为：MKP5/0.1  4230VAC /0.1uF，即金属化聚丙烯膜电容;所有损坏电容均是接在AEG调功柜2650V电压档晶闸管保护阻容吸收电容C11、C12、C13，见调功电路简图1。而相同型号电容在其他低电压等级晶闸管也使用的未发生损坏的情况。

故障发生的时间节点上可以分为两种情况：

一、发生在还原炉高压启动阶段，共2次;

二、发生在还原炉生产运行后期，均在运行60-70小时以后共3次。

故障发生的炉型上24对、36对、40对棒还原炉调功柜都有发生，但24对棒还原炉次数较多共6次，占多数。

2  电容损坏故障原因分析.

2.1电容选型分析

根据晶闸管和阻容吸收电容的选型原则可以得出2650V档电容耐压选型如下：

晶闸管额定电压UTN选择如下：

UTN>2xU1max==7494.2V;

即：       UTN>7494.2V;

根据经验公式晶闸管阻容吸收电容的耐压应选择为对应晶闸管UTN的1.1-1.5倍，若取最小值即为：

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

现场调功柜2650V档电压等级的晶闸管保护阻容吸收电容参数为型号：MKP5/0.1  4230VAC /0.1uF，即实际峰值电压为：

UN=x4230V= 5981.22V;

由此可知实际现场使用的电容峰值电压5981.22V <8243.6V，即此电容的耐压值小于选型要求Ucmax，所以此阻容吸收电容不能可靠保护晶闸管。并且在长期过电压的情况下会可能出现因其耐压不够而引起的发热和击穿损坏故障。现场的损坏情况也验证了这一点，并且给设备的安全稳定运行带了严重的威胁。

同时现场发现在AEG调功柜2650V档电压等级的晶闸管保护阻容吸收电容中部分存在型号为：MKP 5.64/0.1  5640VAC /0.1uF。两种不同型号的电容却存在相同的订货号（N0：8000033759），而此订货号是与元件型号一一对应的。这说明厂家选型使用中存在不一致。

2.2系统电源电压过高的影响

现场对调功柜供电变压器2650V档输入侧测量实际输出电压高于2650V，这是因考虑10KV侧经济运行，还原变压器10KV侧母线电压经常运行在10.5KV电压水平，而还原变压器10KV分接头位置并未做相应改变，仍接在10KV档位，所以就造成了2650V档实际输出电压高5%，即为：

2650Vx（1+5%）=2782.5V;

而且在现场实际使用示波器测量不同相的对地电压换算为有效值为：2828.8V，均高于额定标称值2650V.

由于现场实际电压高于额定电压再加上所选型电容耐压值小于理论推导的耐压值，两种情况的叠加对现场运行的电容更为不利，并且经过近4年的长期运行，使得部分制作工艺较差的電容出现了爆炸损坏，且此故障的频次在逐渐增加。

3  采取的应对处理措施和替代更换方案

第一、无备件更换之前加强日常巡检，利用停炉间隙，检查调功柜，发现损坏电容立即更换。在保证正常启炉的情况下，建议提高硅芯长度，将硅芯长度提高至2.5-2.6m，提高后期运行电压，改善后期运行电压分布情况。

第二、针对于部分装置24对棒还原炉调功柜电容损坏故障次数较多的情况，通过对还原变压器分接头调整，降低还原变二次侧电压。另因10KV系统电压长期运行在10.5KV高电压档，而原变压器实际接入分接头为10KV位置，这样因实际电压的过高也增加变压器空载损耗，不利于节能降耗。通过调整后可以实现以下两点：

1.在10KV系统电压不变的情况下，通过调整24对棒还原变压器分接档位至最高10.5KV档，使得调功柜输入电源电压降低，进而改善调功柜后期电压分布;

2.通过调整10KV变压器档位至最高档10.5KV，使二次变压器输出降低5%，使阻容吸收电容电压降低133V，降低其因电压过高造成损坏的可能性。

第三、针对此种型号的电容已经不能满足生产的要求，经过重新选型更换电容，选择耐压水平更高的电容。

根据经验公式晶闸管阻容吸收电容的耐压应选择为对应晶闸管UTN的1.1-1.5倍，若取最小值即为：Ucmax= 8243.6V;

则： Uc= ==5846V（AC）;

在考虑一定裕度（取1.1系数）情况下选择额定电压：6430VAC，0.1 uF的无极性金属化聚丙烯薄膜电容作为替代电容;并将所有2650V档晶闸管阻容吸收电容进行全部更换。

4  总结

针对对还原调功柜阻容吸收电路电容损坏故障的调查和分析，明确了电容损坏的原因，并相应的提出解决措施，通过以上改造措施有效杜绝了因此类故障造成的设备损坏，提高还原炉有效运行时间。

参考文献

【1】张康乐. 一种多晶硅还原炉自动调功器硬件系统设计与实现.电子科技大学，2009年5月.17-20页。

【2】南京南瑞电气控制公司，南瑞同步发电机励磁系统培训教材，南京，124-130页。