气象水电解制氢设备整流电源控制系统常见故障分析及应急预案

扎堆 尼玛白珍

（西藏拉萨市气象局，西藏 拉萨 850000）

青藏高原平均海拔在4000米以上，空气稀薄，气候干燥，紫外线辐射强，昼夜温差大。电器设备随着环境因素的变化容易造成短路、元器件性能降低和损毁等现象。根据GB50053-1994的规定，海拔高度每增加1000米裸带电部分至接地和不同相的裸带电部分之间，需要增加1%进行修正。而在高原地区使用的电器设备普遍是在内地低海拔气候环境下研发和投入运行的，所以在高原地区运行得电气设备应使用增容型的，使用普通型或者超负载使用时，设备故障率就会大大增加，使用寿命缩短。现就对高原地区制氢设备的电源控制系统常见故障进行简述和分析，并对故障排除方法加以介绍。希望对我区高空气象台站的QDQ2-1型水电解制氢用户有所帮助。

1 氢气与制氢设备

氢气是高空气象观测站获取高空气象资料必不可缺且每天都需使用的材料。水电解制氢是我国目前常规高空气象观测所需氢气的主要来源。QDQ2-1型水电解制氢装置是我国气象部门专用制氢设备，也是我国气象高空观测业务系统的重要组成部分。该装置主要由制氢主机、整流控制器、加水系统、储氢系统、充球系统和辅助配套系统等组成。

1.1 举实例说明故障所造成的影响

那曲气象局制氢设备为QDQ2-1型，使用年限已达9年之久，设备额定工作电流为161A，额定工作电压范围为57-63V。2017年1月初制氢设备整流控制系统发生故障，导致无法正常制氢作业。故障造成变压系统烧毁，晶闸管击穿，整流控制板和控制元件损坏。虽然整流系统和控制系统可以及时通过维修或更换尽快恢复，但变压系统却无法修复，目前我区也没有配备变压器备用件。该型号制氢设备的变压器均是专门设计的，不可随意代用。变压器体积较大，重量约200公斤左右，此类备件目前无法空运，从厂家发货到拉萨最快也要15天左右才能收到，这样每天两次例行的高空测风业务用氢就没有了来源，高空测风业务面临缺测的危险。2017年1月底拉萨站的制氢设备变压器也出现了类似的故障，该设备是QDQ3型，设备额定工作电流为320A，额定工作电压46-52V。由于使用环境因素造成内部绕组绝缘失效，变压器线圈短路烧毁。拉萨本站的应急备用氢气瓶已被那曲站使用，不得不使用上世纪已弃用的化学制氢供氢模式，使用老式化学制氢既存在着安全生产隐患又面临着无处购买原材料的困境。如果像这种故障发生在我区其他站点，那必将对正常探测业务带来无法弥补的损失。

1.2 水电解制氢设备整流控制系统

QDQ2-1型和QDQ3型水电解制氢设备整流电源集成化程度高，具有脉冲对称，温度稳定等特点。稳压，稳流双电位器给定，可手动调节电流和电压。

1.3 中心控制板工作原理

整流控制系统由同步变压器、电压及电流调节器、模拟—数字触发器、脉冲变压器、过流及过压保护、相序自锁定、软启动、上电封锁等部分组成［1］（图1）。

图1 中心控制板工作原理

1.4 电压电流调节器

电压及电流调节器为并接，以实现限流调压或限压调流功能，当负载发生变化时，可自动转换限流和限压之间的工作方式，适应性强，稳定性高（图2）。

图2 制氢设备的系统框图

1.4.1 模拟—数字触发器。触发器的触发脉冲电路采用锁相控制的模拟—数字触发器。触发器具有开环控制和闭环控制两种工作方式。开环工作时，根据用户的需要可以手动进行控制，而闭环工作时，电路实行反馈检测数据，跟踪设定的目标达到自动控制的功能。最小控制角〆min可通过可控硅控制器面板上的小旋钮进行调节。

1.4.2 保护电路。当整流控制系统发生短路、过载或过压等情况时，保护电路会自动封锁触发脉冲，使输出电压和输出电流归零，此时报警灯亮，蜂鸣器响，发出报警信号，防止设备损坏并及时提醒工作人员对发现问题进行故障排除。过载故障（包括主机超压、储氢超压、温度超限、电流和电压失控等）排除后重新通电按下“复位”按钮设备即可恢复正常运行。

1.4.3 相序自锁定环节。系统设有相序自动判别电路，自动判别电路会根据进线的相序自动调整触发顺序，免去接线式确定相序和确定同步的封琐，方便使用。

1.4.4 上电封锁和软启动环节。整流控制系统刚通电时会自动缓慢开放脉冲，防止上电冲击，造成元器件损坏。可控硅控制面板上设有“电源”、“失控”、“过流”、“过压”四个指示灯［2］，如有故障相应的指示灯会亮。在中心集成控制板上方有六个脉冲输出指示灯，如哪一路触发脉冲有故障与之相对应的指示灯不会亮，用万用表测量该电路也没有输出电压，这种情况应取下此路晶闸管用万用表置RX10挡位测量其阻值，阳极接黑表笔，阴极接红表笔时，万用表指针发生偏转，即可控硅不导通，则说明该可控硅的触发特性不好或已击穿损坏。

1.5 整流电源控制系统的问题与解决方案

1.5.1 调最小控制角电位器时，如何兼顾失控状态。

解决方法：调节最小控制角电位器时缓慢向一个方向转动，如果失控指示灯亮说明输出电压过大，将最小控制角电位器朝相反方向缓慢调节待失控指示灯熄灭后继续调整一小段范围即可［1］。

1.5.2 开环调节时输出电压有跳变。解决方法：检查电位器是否失控，检查晶闸管与触发器连接线是否处于正确（水电解制氢时一般采用闭环控制工作方式）。

1.5.3 给定信号回零，输出不回零，逐渐加大给定后，输出能连续调节。解决方法：一般性负载对高频脉冲调制信号阻抗太大，产生虚电压，此电压是输出电压表上产生的假象。

1.5.4 判断是否变压器损坏的方法。用耳朵听变压器的工作声音，有略微低沉而平稳的嗡声，不应有刺耳的啸叫声。观察变压器的外观，没有变色，没有焦糊的味道。用万用表测量输出侧的电压值，交流电压值在60伏左右，三相平衡。用万用表测量输入侧的电压值，交流电压值在380伏左右，三相平衡。

2 现将针对我区制氢站点实际情况提出几种应急方案

2.1 增设氢气压缩系统

台站增设氢气压缩系统，并对制氢业务人员进行现场操作培训，合格上岗。平时制氢时可以利用压缩系统压缩储备一定量的氢气，以备特殊情况时应急使用。

2.2 增设整流控制器

根据台站使用制氢设备的型号购置一套相应的电源整流控制系统，利用电源转关开关做到一用一备或者轮流替换使用。这样既减小了整流控制器的使用负荷，又增加了设备的安全系数。

2.3 储备关键部件

比如，购置统一规格的变压器安置于适宜位置，备份整流控制板（可控硅控制器）、可控硅（晶闸管）、快速熔断器、保险管等关键部件或易损配件。

2.4 安装双备份制氢系统

对于偏远的高空台站或者用氢量比较大的重要台站，可安装两套制氢设备。即使设备发生故障时，另一套设备可以正常工作，不影响正常的业务开展。

2.5 定期开展培训并加强日常维护

相关业务主管单位可以定期邀请厂家技术专家并集中全区业务人员进行相关知识的培训。只有工作人员对设备的工作原理、结构布置、常见故障及排除方法了解掌握之后才能进行更好地对设备进行维护，从而保证设备顺利正常工作。

3 小结

制氢设备电源控制系统属于气象用水电解制氢设备的关键组成部分。特别是变压器、整流控制板、晶闸管等出现故障损坏时，如果现场没有备件更换，造成制氢设备无法正常运行，就会对我区高空气象探测业务的顺利开展造成不利影响。为了预防设备故障发生，或者当设备发生故障时能够及时解决，使设备故障不对正常的气象高空探测业务造成影响，我们应及早做好应急预案。