直流钻机大功率可控硅故障任务书

摘要：本人参加工作至今一直在钻井队工作。本队设备为直流钻机，因此在现场遇到很多可控硅整流的问题。在现场对可控硅工作状态观察、测量，并结合查阅可控硅整流方面的资料。本文简要分析了可控硅的基本结构及其工作特性，通过其在电动钻机电控系统电路中的应用情况，了解其造成故障可能的原因，阐述了在现场工作为防止整流电路中击穿SCR而采取的措施。
关键词：可控硅伏安特性过电压过电流
可控硅又叫晶闸管(又叫SCR)，它是通过整流将交流转变成直流，而且是连续的、可调的直流电压。现在钻井队的直流电动钻机正是利用可控硅的这个特性，首先柴油机带动发电机发出交流电，然后再让可控硅整流成可控的直流电。从而可以使泵、转盘及电动绞车等井场主要设备正常运转，并且可以让它们在一个连续可调的速度范围。这一特点大大地改善了钻井工况。可控硅是整流系统中的最重要的部件，如果被损坏，直流设备将直接不能运转，从而有可能导致井下异常，甚至会造成严重的井下事故，经济损失是不可估量的。所以比较透彻的理解其结构、性能，熟悉它工作异常的原因，给予正确的保护方案，正确使用和维护可控硅，从而确保钻井工作顺利进行。我以我们队的直流电动钻机中所用的可控硅系统进行简单阐明。

1 可控硅的基本结构及特性

不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结。从P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极极G，所以它是一种四层三端的半导体器件。
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表一
可控硅的伏安特性曲线如图2所示：阳极电流I、阳极电压U及控制极电流IG等决定了可控硅的导通和截止，而这几个量又是互相联系的。
第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性。
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，随着正向电压慢慢增大，超过正向转折电压Ubo，漏电流将会迅速增长，可控硅导通。正向转折电压随着门极电流幅值的增大而降低。可控硅自身的压降很大概在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至IH以下，这时可控硅又回到

摘自：本科生毕业论文www.udooo.com

正向阻断状态。IH叫做可控硅的维持电流。
在可控硅上加反向电压时，可控硅处于反向阻断状态。可控硅的门极触发电流从门极流入可控硅，从阴极流出。阴极是可控硅主电路与控制电路的公共端。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。可控硅的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。

2 直流钻机可控硅击穿原因分析

2.1 过电压 钻井系统产生过电压一般有几点情况：一是钻井系统中大的直流电机的突然起动或停止，会产生比较高的电压，二是井队的大功率电机比较多，容易引起电网波动，造成多次或者高次谐波而产生的过电压。三是雷击有可能造成过电压。①井队电机大多是电感性负载，在突然加重负荷或释放负荷时会产生过电压。大功率电机的在起动的瞬间，回路中的电流会很大，这是因为电机起动电流比较大的原因。举例说明，设某一相的等效电感为L，相电流为i，那么在起动时，瞬时相电压的峰值为u= L×di/dt。从此公式可以看出，电路中的电感越大，瞬时电压越大；起动电流越大，电压上升率越大，瞬时电压也越大。如果突然加载或卸载会产生非常大的瞬时电压，从而有可能击穿可控硅。②谐振过电压。一种是因为电网波动比较大，二是在整流过程中会产生多次谐波或高次谐波的电流，当某次谐波恰好和电路的当时的自振频率相同而产生谐振，就很有可能产生过电压，损坏可控硅。
2.2 过电流 如系统在长期运行在重负荷情况下，电流一般都比较大，这时可控硅会产生大量的热，经过长时间的积攒，会最终烧毁可控硅。
另外，整理过程中出现某个管子误触发，这种情况现场时有发生。如图3所示，整流桥的负载实质是逆变桥，如果一个管子误触发，就可能使其中两相直接短路，就相当于整流桥负载短路。产生很大的电流烧毁可控硅。可控硅的质量越好，出现这种故障的概率就越小。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。

3 直流钻井系统应保护可控硅

3.1 并联压敏电阻吸收过电压 压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电低于它的临界电压时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，电路处于断路。当电压超过临界电压时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一原理，在母线之间加上压敏电阻，可以把峰值电压产生的能量消耗掉，从而抑制电路中经常出现的异常过电压，保护可控硅免受过电压的损害。
3.2 采用RC回路吸收高频过电压 如图3所示，为了限制电路电压上升率过大，确保可控硅安全运行，常在可控硅两端并联RC阻容吸收回路，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。电容器可以使通过可控硅放电电流变小，从而保护可控硅不被烧坏。
3.3 串联快速熔断器进行过电流保护 直流钻井系统中每个可控硅串联了快速熔断器，有效地防止由于过电流而烧毁。

4 现在所用系统的不足

虽然压敏电阻可以保护可控硅，如果交流母线在短时间能重复出现较高的瞬时电压，必然引起比较大的瞬时电流，就有可能把与压敏电阻相连的熔断器(图3中的FU7,FU8,FU9)中的几个或全部熔断。当下一个瞬时电压很高时，可控硅有可能就被击穿。而阻容吸收回路只能对于那些电压波动不大，时间短的过电压的吸收作用比较明显，而对于那些长时间、波动很大的瞬时电压几乎不起作用，在现场中这种现象屡见不鲜。因此，每周都要检查压敏电阻熔断器是否正常，损坏时要及时更换，确保可控硅不被烧毁。可控硅初开通时电流在靠近门极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/s的扩展速度将电流扩张到整个阴极表面，若开通时的电流上升率很大，会导致可控硅击穿。因此，必须限制电流上升率在合适的范围。比较有效的办法实在可控硅的阳极回路串联入电感。

5 钻井工作尽量避免过电压、过电流

对于现场作业来说，大功率的电机一般采取降压起动或星形接法起动，使电机起动电流减小;在降载时，操作尽量缓慢，采取逐渐卸载法，避免对电网的冲击，造成过电压。对于整流系统，应避免过载及加强可控硅的散热和通风，并调节电控房的室温使得可控硅散热良好，达到保持或提高可控硅的正向转折电压和反向转折电压，提高其工作性能，保证整个系统的正常运转。
参考文献：
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