电镀整流电源的晶闸管击穿故障及其处理

霍大勇

（喀什大学，新疆 喀什 844006）

电镀加工常用的直流电源中，晶闸管整流电源占主要地位。晶闸管是整流电源的核心器件。笔者针对镀铬生产中使用的KDS-5000/±40 整流电源，选取典型的晶闸管过热击穿故障实例，说明在使用晶闸管整流电源中分析处理晶闸管故障的方法，供同行参考。

KDS-5000/±40 整流电源可以用作双向电镀电源、阳极氧化电源、电解电源。其主回路电路如图1 所示。在镀铬生产中，当主回路中有晶闸管击穿时，会造成直流电源的纹波系数增大，当纹波系数大于5%时，镀铬质量就会发生变化，表现为镀铬层发花、发雾[1]。晶闸管的击穿有3 种形式：额定载流量下的过热击穿，过流击穿，以及过压击穿。晶闸管整流电源通常采用风冷和水冷的方式对晶闸管进行散热。KDS-5000/±40 电源为水冷方式，冷却装置安装如图2 所示。

图1 KDS-5000/±40 整流电源的主回路原理图Figure 1 Circuit diagram of the major loop of KDS-5000/±40 rectifier

图2 晶闸管水冷散热器安装图Figure 2 Schematic diagram showing the installation of water cooler for thyristor

1 晶闸管在额定电流下的过热击穿

额定载流量下的过热击穿是指晶闸管在额定工作电流工况下发生的过热击穿。发生这种击穿的原因在于辅助散热装置工作不良，导致晶闸管芯片温度过高。

1.1 故障举例

1.1.1 冷却水的进水温度过高

1.1.1.1 现象

中原地区某镀铬生产线，自前一年10 月份投产，运行正常，但至次年8 月份出现镀层发花发雾故障。检查发现KDS-5000/±40 电源晶闸管击穿1 个。

1.1.1.2 现场分析及处理

晶闸管正常使用时壳温一般要求低于80 °C，此时晶闸管芯片的温度低于100 °C；晶闸管正常工作的温度为-40 ~ 100 °C[2]。水冷式晶闸管的有效使用时间超过6 个月时，其散热器的散热性能会明显下降。考虑到有可能是散热器性能下降导致晶闸管过热，于是用万用表测温头测量晶闸管管芯陶瓷外壳的温度，在90 °C 以上。对散热器进行除垢，保证冷却水压力和流量正常，运行30 min 后重复测量晶闸管管芯陶瓷外壳的温度，仍大于90 °C。接轻负载(即外接小负荷电阻)试运行，故障仍存在。这就确定了故障出现在晶闸管本身及散热系统，然而更换了同型号的成套晶闸管(含散热装置)后仍不能排除故障。检查发现冷却水的进水温度为50 °C。参照西安西普电力电子有限公司编写的《KDF(S)晶闸管电镀电源使用说明书》，设备要求的冷却进水温度不高于35 °C。该工厂的设备冷却水采用了循环水装置，所处地区正值夏季，室外气温高，冷却塔降温措施不好，于是造成该故障。改进了循环水装置，对整流电源所在的控制室采取室内降温措施，并保证冷却水进水口的温度在35 °C 以下，总出水口的温度低于50 °C，故障排除。

1.1.2 冷却水套的水腔堵塞

1.1.2.1 现象

1.1 中的生产线运行中又出现与1.1.1 相同的故障，此次有3 个晶闸管同时出现过热，烧毁1 只。

1.1.2.2 现场分析及处理

检查发现，组装该设备时水冷装置采用了3 只晶闸管串联，设备中的12 只晶闸管分为4 组串联在冷却水路中。过热的为其中一组。

由于其他3 组晶闸管工作正常，排除过电流引起的故障。重点检查冷却水路，发现该水路在烧毁的晶闸管处堵塞。堵塞是因为冷却水杂质所致。更换该晶闸管及其冷却装置，故障排除。

为避免此类问题发生，在晶闸管冷却水总进水口加装了过滤装置，没有再发生类似故障。

1.1.3 冷却水套的水腔水垢严重

1.1.3.1 现象

生产线出现1.1.2 的故障后8 个月，正常水压下出现冷却水出水口流量明显变小，晶闸管过热。

1.1.3.2 现场分析及处理检查发现晶闸管水套内腔有大量水垢，属水质问题。清理水腔，保证冷却水出水量≥3 m3/h，故障排除。另外，冷却水采用软水的手段也可以有效预防此类故障。

1.1.4 冷却水水压过低

1.1.4.1 现象

1.1.3 中同一设备，正常运行中突然烧毁2 个晶闸管，检查发现晶闸管普遍过热，影响生产。

1.1.4.2 现场分析及处理

现场查看生产记录，发现该故障前期已经出现一次，烧毁一只晶闸管。现场人员当时认为是晶闸管老化所致，但更换后仍出现了相同的问题。现场检查冷却水的水压、水量均正常；如1.1.1 测量晶闸管温度也正常，而此时的镀铬生产工况并没有变化。嘱当班人员继续生产并观察设备运行状况，一个班次后故障再现。现场检查，发现冷却水水压过低，造成冷却水量不足。继续排查，发现相邻工房前期从该设备的冷却进水管路搭接了一条引水管路，其同时用水时造成水压降低。恢复原冷却水水路配置，保证工作中冷却水的流量≥3 m3/h，水压≥0.15 MPa后故障排除。

1.1.5 冷却水水压过高

1.1.5.1 现象

1.1.4 中同一设备，正常运行中夜间突然烧毁1 个晶闸管，检查发现晶闸管有一处水套漏水。

1.1.5.2 现场分析及处理

因冷却水塔故障，该设备临时采用自来水水源冷却。该车间夜间水压大于0.8 MPa，导致一处水套漏水，影响串联在其后面的晶闸管冷却，于是出现故障。

当冷却水源的压力过高时，在晶闸管的冷却进水口加装减压阀，保证进水压力低于0.6 MPa，即可避免此类故障。

1.1.6 散热器安装不平整，有灰尘夹入

1.1.6.1 现象

整流设备大修，更换散热器后试运行，出现2 个晶闸管过热，不能正常工作。

1.1.6.2 现场分析及处理对故障的晶闸管及其冷却装置解体检查，发现其中1 个晶闸管散热器与晶闸管芯片接触处没有彻底清洁，造成冷却接触不良。重新处理(见1.2 的要点7)该晶闸管芯片及其散热器，故障排除。另一个晶闸管的3 个螺母其中一处“张口”松弛，造成散热不良。重新组装该晶闸管及其散热器，故障排除。

1.1.7 散热器接触面变形

1.1.7.1 现象

1.1.6 中的同一整流设备更换故障晶闸管芯片后试运行，出现合格的芯片过热，不能正常工作。

1.1.7.2 现场分析及处理对该晶闸管及其冷却装置解体检查，发现散热器与晶闸管芯片接触面变形，造成冷却接触不良。更换新的散热器，故障排除。这是多次更换芯片后，散热器因重复使用而产生接触面变形所致。

1.2 技术要点

【要点1】可以用测量管芯陶瓷外壳温度的方法来判定散热器的散热效果。壳温一般要求低于80 °C 才可以保证晶闸管正常工作。

【要点2】测量温度宜采用红外温度测试仪或带测温功能的万用表。

【要点3】及时更换达不到散热效果的散热器，可以有效地提高晶闸管的工作电流。

【要点4】采用水冷方式工作的晶闸管，进水温度5 ~ 35 °C，水流量≥3 m3/h，水压0.15 ~ 0.60 MPa，水电阻率≥20 kΩ·cm。

【要点5】出水温度应低于50 °C，可以采用测量出水温度的方法来判断晶闸管的工作温度。

【要点6】散热器使用过程中应注意防漏水、防堵塞、防凝露，出现问题时应及时处理或更换散热器。

【要点7】更换晶闸管芯片时，芯片与散热器之间的接触面要保证良好的接触，接触面平整，不能有划痕或凹凸，也不能有灰尘夹入，要保证有足够的接触面且受力均匀。散热器台面粗糙度≤1.6 μm，平整度≤30 μm。

【要点8】组装水冷晶闸管的散热器时，3 个螺栓的拉力一定要均匀。建议采用专门的组装器进行组装。人工组装时要使用扭矩扳手，对3 个螺母交替用力。

【要点9】要经常检查和清理水垢，水垢太多会影响散热效果而导致晶闸管过热击穿。

【要点10】多次更换芯片也会导致散热器的接触面变形而影响散热效果。如果整流器中的某只晶闸管经常击穿，应该考虑在更换晶闸管时连同散热器一同更换。

2 晶闸管的过流击穿

晶闸管的过流击穿本质也是过热击穿。电流通过晶闸管芯片时在芯片内部会产生热效应，使得晶闸管的芯片温度升高；当温度达到175 °C 时，芯片就会不可逆地失效。在正常的使用条件下，工作电流不超过晶闸管额定电流，不会发生过热击穿。过流击穿的根本原因在于温度升高，所以几百毫秒到几秒的短时间过流不会造成晶闸管击穿。

2.1 故障举例──晶闸管更换的芯片电流等级错误

2.1.1 现象

KDS-5000/±40 整流电源的一个芯片老化，更换该晶闸管芯片后，连续烧毁3 个芯片，其他未更换的芯片工作正常。现场维修人员根据1.1.7 的经验，同时更换了该晶闸管的散热器，故障依旧。

2.1.2 现场分析及处理

现场检查发现，原晶闸管的额定电流为1 200 A，由于库存没有同型号的器件，现场人员认为六相双反星形电路其中一个器件只承受1/6 的工作电流，就采用800 A 的晶闸管代换，这样晶闸管的电流余量不足；同时，晶闸管散热器的型号也不配套，造成该故障。采用原型号晶闸管组件后，故障排除。

2.2 技术要点

【要点11】严格按照设备的晶闸管型号进行维护替换，当没有相同参数的晶闸管可供替代时，应选用高一级型号。

【要点12】晶闸管必须与配套的散热器配合使用，否则会影响散热效果。

3 晶闸管的过压击穿

过压击穿是晶闸管击穿的主要原因，晶闸管对过压的承受能力没有时限；几毫秒的短时间过压就会击穿晶闸管。实际应用中，晶闸管并联接入RC 吸收回路以避免瞬间过压[3]。

3.1 故障举例──RC 吸收回路器件损坏

3.1.1 现象

现场人员报告，VT11 晶闸管一季度出现多次烧毁故障，故障时间无规律，故障发生前没有出现过热。

3.1.2 现场分析及处理

停机，检查VT11 晶闸管的冷却装置，均正常。继续检查保护环节，发现吸收回路的电阻烧毁。RC 吸收回路不能起到过压保护作用，当外部交流电压发生变化(如交流电压突变)，就会造成晶闸管过压击穿。修复RC吸收回路，设备恢复正常运行。

3.2 技术要点

【要点13】晶闸管两端一定要接入RC 吸收回路，以避免各种无规则的干扰脉冲所引起的瞬间过压。

【要点14】万用表只能定性判断晶闸管的好坏，不能对器件耐压作定量判断。若要对耐压和触发特性进行测试，需要使用专门的测试仪。

【要点15】严禁使用兆欧表检查晶闸管。如需检查整机装置的耐压能力，应先将晶闸管的各电极短路。

4 结语

从冷却、选型、安装、维护、交流电源环境等5 个方面区分处理过热、过流、过压导致的晶闸管烧毁故障，按照技术要点进行预防，可以有效保障晶闸管整流电源的运行。

[1] 王萍, 杨旭, 霍大勇.交流供电系统对镀铬质量的影响[J].电镀与精饰, 2014, 36 (6): 22-24, 28.

[2] 孙克军.电工手册[M].2 版.北京: 化学工业出版社, 2012: 498-499.

[3] 李源生.实用电工学[M].北京: 机械工业出版社, 2005: 244-245.