直流鉆機大功率可控硅故障淺析

摘要：本人參加工作至今一直在鉆井隊工作。本隊設備為直流鉆機，因此在現場遇到很多可控硅整流的問題。在現場對可控硅工作狀態觀察、測量，并結合查閱可控硅整流方面的資料。本文簡要分析了可控硅的基本結構及其工作特性，通過其在電動鉆機電控系統電路中的應用情況，了解其造成故障可能的原因，闡述了在現場工作為防止整流電路中擊穿SCR而采取的措施。

關鍵詞：可控硅 伏安特性 過電壓 過電流

可控硅又叫晶閘管(又叫SCR)，它是通過整流將交流轉變成直流，而且是連續的、可調的直流電壓。現在鉆井隊的直流電動鉆機正是利用可控硅的這個特性，首先柴油機帶動發電機發出交流電，然后再讓可控硅整流成可控的直流電。從而可以使泵、轉盤及電動絞車等井場主要設備正常運轉，并且可以讓它們在一個連續可調的速度范圍。這一特點大大地改善了鉆井工況?？煽毓枋钦飨到y中的最重要的部件，如果被損壞，直流設備將直接不能運轉，從而有可能導致井下異常，甚至會造成嚴重的井下事故，經濟損失是不可估量的。所以比較透徹的理解其結構、性能，熟悉它工作異常的原因，給予正確的保護方案，正確使用和維護可控硅，從而確保鉆井工作順利進行。我以我們隊的直流電動鉆機中所用的可控硅系統進行簡單闡明。

1 可控硅的基本結構及特性

不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結構。見圖1。它有三個PN結。從P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極極G，所以它是一種四層三端的半導體器件。

由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化，此條件見表一

可控硅的伏安特性曲線如圖2所示：陽極電流I、陽極電壓U及控制極電流IG等決定了可控硅的導通和截止，而這幾個量又是互相聯系的。

第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性。

IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流過，隨著正向電壓慢慢增大，超過正向轉折電壓Ubo，漏電流將會迅速增長，可控硅導通。正向轉折電壓隨著門極電流幅值的增大而降低?？煽毓枳陨淼膲航岛艽蟾旁?V左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至IH以下，這時可控硅又回到正向阻斷狀態。IH叫做可控硅的維持電流。

在可控硅上加反向電壓時，可控硅處于反向阻斷狀態?？煽毓璧拈T極觸發電流從門極流入可控硅，從陰極流出。陰極是可控硅主電路與控制電路的公共端。門極觸發電流也往往是通過觸發電路在門極和陰極之間施加觸發電壓而產生的。可控硅的門極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發，觸發電路所提供的觸發電壓、電流和功率應限制在可靠觸發區。

2 直流鉆機可控硅擊穿原因分析

2.1 過電壓 鉆井系統產生過電壓一般有幾點情況：一是鉆井系統中大的直流電機的突然起動或停止，會產生比較高的電壓，二是井隊的大功率電機比較多，容易引起電網波動，造成多次或者高次諧波而產生的過電壓。三是雷擊有可能造成過電壓。①井隊電機大多是電感性負載，在突然加重負荷或釋放負荷時會產生過電壓。大功率電機的在起動的瞬間，回路中的電流會很大，這是因為電機起動電流比較大的原因。舉例說明，設某一相的等效電感為L，相電流為i，那么在起動時，瞬時相電壓的峰值為u= L×di/dt。從此公式可以看出，電路中的電感越大，瞬時電壓越大；起動電流越大，電壓上升率越大，瞬時電壓也越大。如果突然加載或卸載會產生非常大的瞬時電壓，從而有可能擊穿可控硅。②諧振過電壓。一種是因為電網波動比較大，二是在整流過程中會產生多次諧波或高次諧波的電流，當某次諧波恰好和電路的當時的自振頻率相同而產生諧振，就很有可能產生過電壓，損壞可控硅。

2.2 過電流 如系統在長期運行在重負荷情況下，電流一般都比較大，這時可控硅會產生大量的熱，經過長時間的積攢，會最終燒毀可控硅。

另外，整理過程中出現某個管子誤觸發，這種情況現場時有發生。如圖3所示，整流橋的負載實質是逆變橋，如果一個管子誤觸發，就可能使其中兩相直接短路，就相當于整流橋負載短路。產生很大的電流燒毀可控硅?？煽毓璧馁|量越好，出現這種故障的概率就越小。另外，如整流變壓器中心點接地，當逆變負載回路接觸大地時，也會發生整流橋相對地短路。

3 直流鉆井系統應保護可控硅

3.1 并聯壓敏電阻吸收過電壓 壓敏電阻的最大特點是當加在它上面的電低于它的臨界電壓時，流過它的電流極小，相當于一只關死的閥門，電路處于斷路。當電壓超過臨界電壓時，流過它的電流激增，相當于閥門打開。利用這一原理，在母線之間加上壓敏電阻，可以把峰值電壓產生的能量消耗掉，從而抑制電路中經常出現的異常過電壓，保護可控硅免受過電壓的損害。

3.2 采用RC回路吸收高頻過電壓 如圖3所示，為了限制電路電壓上升率過大，確?？煽毓璋踩\行，常在可控硅兩端并聯RC阻容吸收回路，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。電容器可以使通過可控硅放電電流變小，從而保護可控硅不被燒壞。

3.3 串聯快速熔斷器進行過電流保護 直流鉆井系統中每個可控硅串聯了快速熔斷器，有效地防止由于過電流而燒毀。

4 現在所用系統的不足

雖然壓敏電阻可以保護可控硅，如果交流母線在短時間能重復出現較高的瞬時電壓，必然引起比較大的瞬時電流，就有可能把與壓敏電阻相連的熔斷器(圖3中的FU7，FU8，FU9)中的幾個或全部熔斷。當下一個瞬時電壓很高時，可控硅有可能就被擊穿。而阻容吸收回路只能對于那些電壓波動不大，時間短的過電壓的吸收作用比較明顯，而對于那些長時間、波動很大的瞬時電壓幾乎不起作用，在現場中這種現象屢見不鮮。因此，每周都要檢查壓敏電阻熔斷器是否正常，損壞時要及時更換，確?？煽毓璨槐粺龤А？煽毓璩蹰_通時電流在靠近門極表面較小的區域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/s的擴展速度將電流擴張到整個陰極表面，若開通時的電流上升率很大，會導致可控硅擊穿。因此，必須限制電流上升率在合適的范圍。比較有效的辦法實在可控硅的陽極回路串聯入電感。

5 鉆井工作盡量避免過電壓、過電流

對于現場作業來說，大功率的電機一般采取降壓起動或星形接法起動，使電機起動電流減小;在降載時，操作盡量緩慢，采取逐漸卸載法，避免對電網的沖擊，造成過電壓。對于整流系統，應避免過載及加強可控硅的散熱和通風，并調節電控房的室溫使得可控硅散熱良好，達到保持或提高可控硅的正向轉折電壓和反向轉折電壓，提高其工作性能，保證整個系統的正常運轉。

參考文獻：

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