图析静止励磁系统中晶闸管损坏原因

前言：静止励磁系统中晶闸管损坏是其常见故障之一，但造成晶闸管损坏的原因很多，如何根据一些故障现象找到晶闸管损坏的真正原因除了要具备晶闸管的知识，更需要一些晶闸管的使用经验。以避免相同故障的重复发生，甚至使事故扩大，维修成本增加。本文论述了静止励磁系统晶闸管选型设计时应注意的一些问题，分析了晶闸管损坏的原因，并提出了如何根据损坏后的晶闸管判断其损坏原因。

 

1.      概述

尽管现在电力电子器件自身质量有了很大提高，但由于设计、应用等原因静止励磁系统中的整流晶闸管损坏事故仍有发生。如简单的更换晶闸管，没找到损坏的真正原因难免事故的重复发生。然而晶闸管损坏从表象来看很难判断出故障的真正原因，只有借助于被损坏晶闸管的损坏情况及其损坏时的一些其它故障现象才能准确判断其损坏的真正原因。

2.      设计选型应注意的问题

2.1    影响安全的主要参数

晶闸管是一个大功率的半导体器件，容易导致损坏的几个重要参数是额定电压（通常制造厂将断态重复峰值电压V_DRM和反向重复峰值电压V_RRM中较小值作为额定电压） 、通态平均电流I_T(AV)、晶闸管通态电流临界上升速率di/dt以及断态电压临界上升速率dv/dt。因此，广州晶泰电子科技有限公司提醒用户在选型设计中要注意以下问题。

2.2    晶闸管额定电压

晶闸管的额定电压反应其耐压能力，此参数如选得不合理在使用中容易导致晶闸管过压击穿，通常我们在选型设计时考虑以下因素，一是励磁系统的阳极电压（即励磁变的二次侧电压，计算时按最大值考虑），二是过电压冲击系数，此系数宜按1.5考虑，因为在很多电厂发电机大修后的空载试验要求做到1.5倍额定电压，并且是用本机励磁系统直接做此试验，甚至有些电厂发电机的过压保护定值就是1.5倍。三是电压升高系数通常按1.1倍考虑。四是电压裕度系数，一般取2~3，可根据不同系统来取值，比如串联自复励系统，由于有一串联变，阳极电压波形畸变大，尖峰较高可适当取大一些。综合这些因素，晶闸管额定电压可按（4.7~7.0）倍阳极电压（有效值）。还需注意的一个问题是，晶闸管的断态重复电压V_DRM和反向重复电压V_RRM均是按照50次/秒测定的，即重复频率为50Hz，因此对于过速保护定值较高的一些机组设计选型时电压裕度系数也应该适当取大一些，这一点很多励磁厂家的设计人员最易忽略。大多数水电站过速保护可能在1.4倍，也就是说可以达到70Hz，且此时通常是在甩负荷伴有电压上升，因此选型计算时一定要综合考虑。这也是与电力机车、冶金行业用晶闸管选型设计时的区别所在。

2.3    通态平均电流

晶闸管的额定电流是一个非常重要的指标，标记的是通态平均电流I_T(AV)，是在环境温度为40°C和规定的冷却条件下以及工频50Hz正弦半波电路中，导通角不小于170°测定的，因此我们在选型设计时一定要考虑使用环境，并考虑好冷却条件。制造厂家在进行整流柜设计时一定要参照《半导体器件反向阻断三级晶闸管的测试方法》（GB4024）做好相应冷却设计，如散热器热容，传导系数，规定风速等。

2.4    通态电流临界上升速率

通态电流临界上升速率di/dt同样是一个晶闸管的重要指标，但就目前不管是进口晶闸管还是国产晶闸管这一技术指标是完全能满足励磁系统需要的。但由于安装检修时配线错误也容易导致di/dt超标，从而导致晶闸管损坏，因此当晶闸管损坏后一定要认真分析检查，笔者将在后面案例中详述。

2.5    断态电压临界上升速率

和通态电流临界上升率di/dt相对应一个指标是断态电压临界上升率dv/dt，它是指在额定结温和控制极断路状态下，使管子从截止转入导通的最低电压上升率，如果在系统中产生较陡和较大幅值的尖峰电压，截止状态的晶闸管可能误导通，其后果不堪设想。而发生这种故障后又不好判断，因此在选型设计时尽可能选 dv/dt较大的晶闸管。

3.      晶闸管损坏原因分析与判断

3.1    晶闸管的过压击穿

尽管我们在励磁系统交流侧采取一些抑制过电压的措施（如防浪涌设备），晶闸管的过压击穿还是时有发生，在一些阳极电压较高的串联自复励系统中阳极电压有时产生很高的尖峰过电压，导致晶闸管损坏的事故时有发生。这种故障发生后要从发电机的一些故障记录往往不易判断，因为击穿后马上就是交流短路、过流，很容易判断为励磁系统调节器故障（误强励），但我们可以把损坏的晶闸管元件打开，如果是过压击穿，晶片上往往有明显的击穿点，并且有多处击穿。

3.2    晶闸管的过流损坏

导致晶闸管的过流损坏的原因较多，一是选型设计时I_T(AV)值裕度不够，这种情况应该是很少见，除非是电站技术人员临时应急未按规定更换晶闸管才可能会发生这类事情。一般而言，专业厂家不可能犯这样的错误。二是转子回路短路，加上快熔的一些参数离散原因未能起到保护作用导致晶闸管损。三是误强励，由于误强励多是调节器故障，因此其强励时间往往失控，长时间大电流运行，最终导致晶闸管过流损坏。

 

 

 

3.3    通态电流临界上升率太大di/dt

晶闸管在开通瞬间产生很大的功率损耗，这种损耗由于导通扩展速度有限，总是集中在控制极附近的阴极区域，如果晶闸管的di/dt的耐力不够，就容易引起控制极附近阴极区域局部过热，导致控制极永久性破坏。对大电流的管子，这个问题更为突出。其实，就是由于di/dt过大损坏，晶闸管同样表现为A-K击穿，最后同样为通过它流过较大电流，将晶片较大面积灼伤。因此容易误判为过流损坏。如图所示，但可以看得出由于di/dt过大损坏的晶闸管，控制极附近有明显损坏。

 

 

 

 

 

4.      晶闸管损坏典型案例

   目前大多数励磁系统的晶闸管都有如图所示的阻容吸收回路，某厂由于更换阻容时时将线接错，最后在开机时导致晶闸管损坏（损坏晶闸管如上图所示）。很明显这是由于电容C在晶闸管开通时急速放电导致di/dt过大。需要注意的是，系统小电流试验时由于电压低电流小是不易发现的，因此在更换完后一定要认真检查配线。

 

 

图3   阻容吸收回路接线图

5.      结束语

晶闸管损坏的原因很多，但无论那种原因损坏的晶闸管最终都表现为“击穿”，都会通过较大短路电流，从而使其晶片大面积灼伤，误判为过流损坏，因此当晶闸管损坏后一定要结合各种事故现象和损坏晶闸管仔细分析检查，才能找到晶闸管损坏的真正原因，避免事故重复发生。