简谈整流水电解制氢整流装置故障理由和处理策略

【摘 要】针对我公司水电解制氢装置在运行中出现的几类故障，经过认真检查、分析和总结，找出解决此类故障的处理方法并提出预防措施。
【关键词】整流装置；电流波动；电流不平衡；反馈；预防措施
引言
在水电解制氢中，在电解槽正极产生氧气，负极产生氢气。如果用交流电作为电源，因为正弦波的周期变使得其形成电场正负极性也发生周期性的变化，这样两极产出的气体既有氧气又有氢气，不但分离成本高，而且极易发生爆炸事故，而用直流电作为水电解制氢电场电源完全解决了这个问题。整流装置则是将整流变压器输出的交流电源转变为直流电源的装置。
氢气是多晶硅生产中的主要原料之一，氢气的纯度直接决定产品的质量。由于水电解制氢具有气体纯度高、杂质少、无污染、产气量大等优点，所以在多晶硅行业应用极为广泛。本文针对我公司使用718所生产的六台整流装置（额定输出电压为180V，额定输出电流为6360A）从2009年运行至今所出现过的重大故障及其形成原因进行分析并提出解决办法和预防措施。
1　整流装置的工作原理
我公司使用的整流装置采用六相双反星形可控整流工作原理，即两组三相半波整流并联连接，同相两绕组相位差180°。
一般来说，晶闸管的导通需要具备两个条件：（1）晶闸管两端承受正向电压；（2）触发电路提供门极电压。触发电路门极电压是由同步变压器输出的同步信号经比较器与输入的直流控制电压比较后，再经脉宽形成电路整形后得到的脉冲电压。
通过门极电压控制晶闸管导通角，可按公式Ud=

1.17Un×cosα得到用户希望的直流电压。

2　故障现象、原因分析及其处理方法

2.1电流波动

2.

1.1故障现象

2#整流装置在正常运行中电流突然由设定值降至零，又由零升至最大值7000A，再回到设定值，如此反复数次。
2.

1.2　原因分析

造成电流波动的原因有很多，但整流装置内部元器件损坏，元器件内部以及控制线接触不良，电流电压反馈信号故障则是整流装置发生问题的主要原因。
当电流由设定值降为零，可能是可控硅瞬间全部关断，或者是可控硅全部坏掉（这种可能性很小），或者是触发板控制电压输出突然消失；当电流降为零时，电流反馈与电流给定值相差很大，　plc内部比较器输出也很大，使得PLC放大器输出给定加大，如果电流仍无输出，PLC给定输出取顶值，这时，如晶闸管正常工作则完全开放，对应输出为最大值，电流突升至最高值，此时PLC比较放大器控制输出减小，自动计算给定至额定，电流值下降至给定值。而输出电压的降低导致晶闸管控制极接触中断，接着出现相同问题。
2.

1.3处理方法

首先，调研变电所电源电压是否有波动现象；其次将手/自动转换开关由自动转至手动，观察电流是否波动，如果电流平稳，则需要检查手/自动转换开关的好坏及电流给定、电流和电压反馈环节。其中电流给定回路检查顺序为：PLC输出、电流给定模块、触发板等，电流反馈回路检查顺序为：分流器、触发板、电流反馈模块、PLC输入等，电压反馈回路检查顺序为：整流柜输出正负两端电压、电压反馈模块、PLC输入以及整流柜内R7两端电压、触发板等。
电流给定模块输入为D-20mA，对应输出为DC0-15V的信号；分流器规格为7.5kA/75mV，即DC100A电流对应DC1mV；电流反馈模块输入为DC0-75mV，对应输出为D-20mA；电压反馈模块输入为DC0-250V，对应输出为D-20mA，因为整流柜两端输出电压为180V，所以引入R8分压电阻，其中R7=0.51kΩ，R8=8.7kΩ，反馈给触发板的电压是DC0-10V。用万用表逐一测量模块输入和输出数值对应的电流、电压数值是否与上位机显示的数值一致来判断模块

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的好坏或者反馈回路中有无接触不良等故障的发生。
进一步试验，发现电流仍有波动，并观察到整流柜内部各元件并观察触发板上各类指示灯的变化异常，即在电流波动的同时，触发板上的指示灯“RUN”闪烁起来，说明试验过程中出现了触发板上控制电压的间断现象。而“RUN”指示灯灭有两种可能，一是触发板坏，二是触发启动信号消失。
检查触发启动信号：按下触发启动按钮SB时，接触器KM吸合，KM7-8常开触点闭合，触发板启动，但是“RUN”指示灯不亮，测量KM7-8触点，发现接触器触点上有大量灰尘，虽然闭合其实并未接通。更换接触器后重新启动，故障消失，再没有出现电流波动。

2.2　整流变压器高压侧三相电流不平衡

2.1　故障现象

正常运行中，高压配电所运行人员检查发现1#整流变压器高压侧三相电流不平衡，其中A相电流比C相电流高20A左右，并且制氢站运行人员发现整流装置声音异常。

2.2　原因分析

引起整流变压器高压侧三相电流不平衡的因素有：
（1）电网三相电压不平衡；
（2）电流互感器有问题；
（3）整流变压器低压侧三相负载不平衡，包括某些晶闸管不导通和触发角不同步等原因。

2.3　处理方法

通过对照后台显示和实际电压，发现电源系统三相电压平衡。
由于设备带电运行，所以暂不检查电流互感器可能存在的误差问题。
用万用表测量整流装置输入六相电压均平衡，再用万用表mV档测量六个快熔上下两端电压进行比较，发现FU2快熔上下两端没有电压，但测量发现FU2下端铜排导线对地有电压，这样就可判定VD2没有导通。根据晶闸管导通条件作进一步检查，测量发现触发板脉冲输出端即五个晶闸管控制极与阴极之间电阻值均在20Ω左右，而只有VD2控制极与阴极之间电阻值为320Ω，较为异常。仔细检查后果然发现触发板至晶闸管的控制极的接线由于虚焊而断开，经过重焊处理后的运行试验观察，一切正常。

2.3　电流升不上去

2.3.1　故障现象

由于用气量增大，将1#整流装置电流由3000A调至4500A时，发现电流调不上去。

2.3.2　原因分析

电流调不上去一般有三方面原因：（1）电解槽中碱液浓度太高或太低；（2）电流给定回路和电流反馈回路中元器件老化或者接触不良等故障；（3）触发板输出控制电压不正常。

2.3.3　处理方法

首先，通过工艺手段排除碱液浓度不合理原因；其次，将手/自动转换按钮转换至手动，用手动调节器调节观察电流的变化。如果电流可以调上去，那么用万用表逐步测量电流给定回路和反馈回路各信号幅值，测量plc输出至给定模块的电流为15.5mA，电流给定模块输出电压为6.4V，但根据线性原理电流给定模块输出电压应为9.6V，由此可以判定电流给定模块发生故障导致输出偏低，使得PLC运算后输出到晶闸管的控制电压也偏低，从而限制了电流的输出。更换模块后，故障消除，调节正常。
3　预防措施
整流装置等电子元器件对环境的要求较高，为此整流装置应选择安装在无过量粉尘、无导电和导磁性尘埃，不含酸、碱、腐蚀性、爆炸性及易电离的微粒和气体的场所；而且应远离辐射等干扰源；整流装置中晶闸管冷却水还要符合如下要求：温度+5～+35℃，PH值6～9，电导率2500Ω·cm。另外，整流柜内必须保持清洁，各处的积尘不能达到引起放电和破坏绝缘的程度，定期清理整流装置内积尘。要求运行人员以及电气仪表维护人员要熟悉工艺流程和控制系统原理，加强设备点巡检，发现问题及时处理，以免事故的发生甚至扩大。
4　结束语
整流装置稳定可靠运行对保证我厂生产连续性至关重要，这就要求员工掌握整流装置工作原理，并通过培训，提高运行和维护水平，以便在发生故障时迅速、准确判断发生故障的原因并冷静及时地处理，保障生产。
参考文献：
郑宝龙.可控硅整流装置故障现象的分析研究.船舶防化.2010（03）.
《水电解制氢设备可控硅变流装置》，中国船舶重工集团公司第七一八研究所.