加热器功率调节器可控硅击穿故障分析

张中杰（中广核核电运营有限公司大修中心，广东深圳，518124）



加热器功率调节器可控硅击穿故障分析

张中杰
（中广核核电运营有限公司大修中心，广东深圳，518124）

摘要：核电厂稳压器加热器功率调节器通过调节电路的导通和关断时间实现对加热器功率的调节。由于可控硅击穿故障，造成功率调节器工作异常。通过对功率调节器运行状况及故障可控硅的解剖分析，最终确定造成可控硅击穿故障的原因是器件内部存在绝缘薄弱点，并通过更换质量可靠的可控硅后，恢复了设备的正常运行。

关键词：功率调节器；可控硅；击穿；原因分析

0 引言

稳压器在核电厂中是对一回路压力进行控制和超压保护的重要设备，调节其加热器的功率可以调节稳压器中水的温度，从而参与对一回路压力的控制。某核电厂稳压器加热器功率调节器曾发生可控硅击穿故障，故障除造成加热器功率控制异常外，还造成加热器上游供电变压器出现异常噪音和温升。为提高稳压器加热器功率调节器的运行可靠性，须对造成对可控硅击穿缺陷进行分析，找到造成可控硅发生击穿的根本原因。

1 稳压器加热器功率调节器介绍

1.1 功率调节器的电路组成

功率调节器主要由功率控制电路、可控硅控制电路、故障监测电路组成。其中功率控制电路由两个可控硅同向并联再与一个二极管反向并联组成，三相电路完全对称。其单相电路简图如图一。

该功率调节器供电电源线电压为380V；下游为纯电阻型加热器，三相成三角形连接，总功率为216KW，线电流为328A.

可控硅为螺栓型，其铭牌标示额定电压1000V，额定电流为315A。

图一 比例调节器电路组成

1.2 功率调节器工作原理

稳压器实际压力测量值与整定值之差经运算后输出一个补偿压差信号，该补偿压差信号经函数发生器调制成4～20mA的功率控制信号。功率控制信号输入至功率调节器后，经可控硅控制电路调制成可控硅导通的触发脉冲。触发脉冲在周期800ms内控制可控硅的导通与关断，使加热器通、断电，从而控制加热器的功率，通过加热器功率的变化参与调节稳压器的压力。加热器的通断电时间与功率控制信号成比例函数关系，其中当输入控制信号为4mA时可控硅截止无输出电流；当输入信号为20mA时功率调节器输出回路处于全导通状态，加热器输出功率最大。若对应14mA输入控制信号，在800ms周期内，加热器通电500ms，断电300ms，加热器输出62.5%的功率。

2 故障现象

故障首先从功率调节器上游供电变压器出现异常运行噪音发现的。现场检查变压器，发现其运行时噪音高达82db，超过57db的正常值；且A相绕组温度较其它两相高约为20℃。逐一检查该变压器下游负荷，除功率调节器电流出现异常波形外，余下均正常。

在功率调节器外部输入控制信号为4mA时，可控硅因无触发脉冲，其功率调节电路应处于关断状态，无输出电流，实际录取功率调节器三相电流波形显示调节器仍有输出电流，且电流发生了明显的畸变。

断开该功率调节器的供电开关后，其上游供电变压器异常噪音立即消失。由此确认造成变压器异常噪音的根本原因为功率调节器输出电流异常。

进一步检查功率调节器，发现其各元器件外观无明显异常。拆下A相可控硅，并使用可控硅测试仪测量其性能参数。常温下，测得两个并联可控硅中一个其VDRM/IDRM（断态重复峰值电压/电流）为0.1KV/2300mA；VRRM/IRRM（反向重复峰值电压/电流）为0.1KV/2300mA。测量显示其阴极与阳极间失去阻断能力，该可控硅发生了击穿故障。

3 可控硅击穿原因分析

一般可控硅击穿的原因主要有两大类，一类是因为设备运行状态异常而造成可控硅的损坏击穿；另一类是因为器件本身存在品质缺陷，在正常运行状态下发生击穿故障。

3.1 设备运行状况分析

设备运行过程中出现参数异常是造成器件损坏的常见原因。对可控硅而言，设备运行中以下几种失效模式均会造成可控硅发生击穿故障。

（1）di/dt（电流上升率）过高

过高的di/dt会造成可控硅在导通时电流和功率的密集，在器件上出现危险的热点而使器件损坏。为了将di/dt控制在可接受的范围内，该功率调节器在每相输入端均设计安装有电感线圈，通过电感的扼流效应抑制电流上升率。

故障发生后，对功率调节器的扼流电感进行了检查，测量其电感量、电阻以及绝缘均无异常，显示故障发生时其满足设备限制浪涌电流功能要求。

（2）过电压

若设备运行中出现异常电压，且超过可控硅设计运行电压会造成器件的击穿。该功率调节器负载为纯阻性，线间电压为380V，其最大可能承受的峰值电压为537V。该可控硅设计额定电压为1000V，大于其运行运行最大电压峰值。同时三相间三角形连接有RC回路，防止外部过电压，对该电压保护回路进行检查，其功能正常。

（3）dv/dt（电压上升率）过高

如果在可控硅的阳极与阴极间加上一个前沿很陡的电压或瞬态电压，电流会流过极间电容和正向偏置结，该电流象控制极电流一样，会造成可控硅导通。由于该导通非由控制极信号触发的，会造成电路运行不受控制，进而使可控硅受到很大的电流冲击，引起损坏。

为了抑制可控硅阳极和阴极间过高的dv/dt，该功率调节器在每相可控硅两端均并接有RC保护回路。经对该RC回路进行检查，其吸收浪涌电压功能正常。

（4）热电击穿分析

图二 可控硅内部结构

在使用功率半导体器件时，不能超过其额度节温，否则器件器件中的温度将会越来越高，最终使器件造成损坏。可控硅中产生的功率主要是由于正向导通电流、以及阻断时的漏电产生的。

正向导通状态下所产生的功率对温度的影响主要取决于所使用的正向电流的大小。该功率调节器其最大运行功率电流为328A，通过两只同型号可控硅并联分流，每只可控硅上通过电流为164A，小于器件的315A额定电流。

故障发生后，对功率调节器下游加热器负荷进行测量，其直流电阻及对地绝缘均正常；检查回路中用于保护电子器件过流的熔断器也未发生熔断。由此排除可控硅在运行中承受超过其额定正向导通电流的可能。

由于器件需阻断高电压，在阻断电压下所流过的漏电流就会产生相当大的功率损耗，且该损耗随漏电流的增加呈指数关系升高。对同型号正常可控硅进行参数测定，其反向泄露电流为0.1mA（测试电压1000V）。考虑三相电路中每相电路中均装有功率电子器件，在反向阻断状态下，相当于两只可控硅串联分压，其实际承受电压小于线路的线电压，其反向泄露电流将更低，由反向泄露电流产生的功率损耗不足以造成可控硅发生热击穿。

为运行中可控硅有效散热，可控硅安装在散热器上，并紧固良好。根据巡检记录，该设备故障前实测器件最高温度为35℃，小于70℃的正常运行限值，可排除热电击穿的可能。

通过对以上对设备运行中的失效模式分析，并结合实际设备检查情况，可排除可控硅外部电路故障造成其击穿的可能。

3.2 故障可控硅的解剖分析

为进一步分析可控硅故障的真实原因，对该损坏的可控硅由外向内逐层切削解剖，对其零部件进行分解观察。

解剖后，可见可控硅内部结构如图四。螺栓体为阳极，其中腔内装有可控硅管芯；阴极导电铜柱穿过弹簧垫片和云母片中孔穿入腔内，在尾端焊有压板并与管芯阴极相接触；正常时，弹簧垫片与螺栓体相接触，与阳极同电位；阴极铜柱从弹簧垫片中孔穿过，且与弹簧垫片内环有一定绝缘间隙；弹簧垫片与阴极板间通过云母进行绝缘。阴极导电铜柱与阳极螺栓体间用陶瓷封装并绝缘；门极导线从中空的阴极导电铜柱内穿入腔体与管芯触发极相连，阴极导电铜柱与门极导线间填充有绝缘材料。

图三 可控硅内部损伤情况

解剖后能观察到其内部损坏情况，如图三：

（1）可控硅内空腔呈电热灼伤发黑状态；

（2）阴极铜电极柱及阴极连接金属板，可见有金属熔融疤点及灼伤黑迹；

（3）云母绝缘片内圆孔边缘有一处外延状烧痕；

（4）弹簧垫圈在内圆孔边缘和云母绝缘片相同位置处同样有烧融痕迹；

（5）可控硅管芯阴极面和阳极面均未见有电热灼伤痕迹。

通过以上现象可以发现，可控硅管芯无过热、击穿等明显的异常，进一步验证之前分析，可控硅外部电路不存在造成其击穿的过电流、过电压异常。该可控硅的击穿发生在阴极铜柱与弹簧垫片内环间，正常情况下，这两部分间绝缘是通过阴极铜柱与弹簧垫片间的安装间隙和绝缘云母片来实现的，在额度工作电压之下，其应保持良好的绝缘性能，该处存在绝缘薄弱点是造成本次可控硅击穿的根本原因。由于器件内部存在绝缘耐压薄弱处，导致运行时产生电击打火，恶性循环破坏点扩大直至引发击穿故障。

4 结论

通过上述分析研究，确定造成稳压器加热器功率功率调节器可控硅故障的根本原因是该器件本身存在制造缺陷，消除了对稳压器加热器温度功率调节器运行可靠性的担忧。根据原因分析，更换质量可靠的可控硅后，恢复了设备正常运行。

参考文献

北京椿树整流器厂.可控硅设计手册［M］.北京：机械工业出版社，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

作者简介

张中杰，男，汉，湖北，1977年3月22日，大学本科，学士，工程师，研究方向：低压电气设备维修。