某光伏行業多晶硅還原爐變壓器燒毀實例分析

芶大斌，嚴曜暉

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南 曲靖 655000）

0 引 言

伴隨著國際上節約能源、減排二氧化碳的潮流，近年來受市場行情及歐美雙反影響，我國光伏行業正處于嚴寒冬季的整合階段。眾所周知，目前國際上采用改良西門子法生產的多晶硅約占全球總產量的85%。主要是在溫度為l 050℃～1 150℃時，在還原爐內主要發生下列反應:SiHCI3+H2=Si+3HCI（氫化還原反應）［1］。而多晶硅還原爐是多晶硅生產過程中非常關鍵的設備，在其爐內完成從SiHCl3到多晶硅的生產工藝環節，控制好爐內溫度，直接關系到其內硅芯的還原純度和最終多晶硅產品質量的優劣，因而為還原爐提供加熱電源的還原爐變壓器設備就擔負著非常重要的作用［2］。

研究者一致對還原爐變壓器局部發熱問題進行分析改進，還原爐變壓器工作時，三相繞組電流工作不平衡嚴重，超過20%，達到50%以上，但高低壓負載功率基本平衡，在7%～15%以內。在調功柜可控硅切換變壓器抽頭工作時，也容易產生高次諧波含量，這樣對變壓器的絕緣要求和抗諧波能力就非常高。

本研究通過對一起多晶硅還原爐變壓器的燒毀事故研究分析，采取改變通風散熱能力、繞組結構、加強工藝調整等措施，以增加其抗諧波及耐熱能力。

1 某還原爐變壓器結構及故障現象

首先，多晶硅還原爐設備（包括一體化電源設備）原理是對硅芯擊穿后，通過逐步提供硅芯的大電流產生爐子溫度，通過爐子內氣體的物料置換，在硅芯上生長出高純度的多晶硅。還原爐的一體化電源設備中，其中變壓器就是提供給調功柜設備的電源設備，繞組一般是高壓繞組三相角形連接，低壓側分相單獨工作，各帶對棒硅芯進行工作。運行時根據工況受各對棒硅芯生長影響，電流不平衡因素大，但負載容量基本平衡，對應到高壓側三相繞組電流基本平衡，但變壓器內部電磁轉換對鐵芯及繞組的影響較大，工藝及抗諧波、不平衡能力必須特別強［3］。

某光伏行業多晶硅企業購買的還原爐變壓器為德國某廠家生產的12對棒式變壓器，主要性能參數如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出，高壓側繞組容量比低壓側負載容量大，為角形連接，低壓側帶4個抽頭、1個公共抽頭的接線方式。其中二次繞組2A（B、C）1抽頭為公共繞組，2A（B、C）2→5→4→3抽頭依此分別由高電壓向低電壓、小電流向大電流、小容量向大容量逐步調檔變化。在提供負載電源時，本研究由負載的調功柜設備，通過可控硅導通/截止的調功，切換變壓器檔位，實現還原爐硅芯的供電，確保還原爐根據負荷的變化供給對應的電力。

該多晶硅企業在2011年10月份投入還原爐進行生產，2012年6月份在一次投入12對棒的還原爐運行中，爐內硅芯剛擊穿，加熱器退出運行，物料開始置換，電源設備變壓器帶調功柜運行正常。20 min后，10 kV還原爐變壓器綜合保護器“速斷保護動作”、“過負荷報警”，開關跳閘，220 kV主變故障錄波“故障錄波啟動”記錄故障波形，過負荷后備保護啟動未跳閘，調功柜負載端發“可控硅故障”信號至DCS系統報警。

圖1 銘牌參數

圖2 電氣繞組接線

故障現象外觀顯示如圖3、圖4所示。

圖3 A相和B相間故障上部外觀

圖4 B相故障繞組上部外觀

如圖4所示，外部顏色已變黑，具體位置造成變壓器A相高壓側繞組靠多個抽頭處剝裂，冷卻風孔已堵塞；低壓側2A2抽頭根部有帶根熔斷現象，但還沒有全部熔斷，各抽頭連接排與母排連接板上有點狀銅熔現象，2A2端子排與2A5端子排間可見明顯短路銅熔點，靠鐵芯處及線圈已部分發黑，地上有黑狀粉末；B相低壓側2B2抽頭根部有帶根熔斷現象，但還沒有全部熔斷，各抽頭連接排上有點狀銅熔現象，靠鐵芯處及線圈已部分發黑；另外車間高溫夾套水泵跳閘。

2 變壓器燒毀原因分析

2.1 燒毀情況診斷

本研究事后對220 kV主變故障錄波檢查，所記錄的10 kV系統故障前后參數如表1所示。

表1 10 kV故障前后運行參數比較

本研究對還原爐干式變壓器檢查，測量變壓器繞組絕緣對地合格，直流電阻與出廠數據比較如表2所示。

表2 故障后變壓器直流電阻與出廠比較（單位:mΩ）

通過以上數據分析可知，保護動作可靠［4］，記錄正確，未出現越級跳閘，變壓器故障時A相絕緣擊穿短路，逐步形成AB相間放電接地短路擴大至其他線圈故障，造成A相高壓側開路燒斷；A相低壓側3檔、4檔匝間短路燒壞；B、C相低壓側有匝間短路情況，具體需要工作人員排除測試時接觸電阻原因拆開檢查。

2.2 原因分析

原因主要分析如下:

①該干式變壓器沒有冷卻風機進行強迫風冷，出現局部過熱熱量不能及時帶走；②設備二次繞組大電流檔排列在鐵芯內側，小電流檔繞組排列在外側，靠近鐵芯部位的發熱情況更加嚴重，排列出現問題（依此從外到內是抽頭2→5→4→3）；③外部高壓繞組上、下繞組沒有分開，中間漏磁少，局部發熱嚴重；④外部絕緣真空澆注工藝不到位，已出現局部龜裂現象，防潮、塵效果下降；⑤現場環境濕度太大，墻面和地上均有水汽覆蓋在表面上；⑥工藝調整不穩定；⑦DCS系統檢測到電源消失發“可控硅故障為正?，F象；⑧瞬間的電壓波動，造成相鄰低壓系統水泵的跳閘等。

基于以上原因造成了變壓器的燒毀，企業對原有的變壓器采取了以下改進措施，避免變壓器的再次燒毀:①對所有變壓器加裝強迫風冷裝置，在70℃就啟動運行；②對變壓器本身結構工藝能進行修補處理的加以改進；③加裝空調設備，改善環境情況；④改進工藝調整，使變壓器工作盡量平衡；⑤排查變壓器與調功柜之間諧波產生源問題的處理；⑥對后期采購的干式變壓器抗諧波及不平衡能力嚴格執行技術規定，特別是在結構排列及工藝材料上把關，杜絕不合格設備的引進等。

3 多晶硅還原爐變壓器繞組結構

根據以上故障及原因分析研究可知，變壓器一般鐵芯構造與正常使用的變壓器無異，只是工藝要求更高，繞組結構應考慮以下因素。

3.1 低壓繞組布局

低壓側繞組隨抽頭檔位的不同依次由鐵芯往外，小電流的線圈靠鐵芯在最內側，最大的電流（如二次繞組第5檔）在外側，最外側再套上高壓繞組。這樣在靠近鐵芯最近處由于鐵芯磁電裝換，損耗的問題，運行中鐵芯最熱，靠近鐵芯的繞組電流是最小的，疊加起來的熱量就不會太大；如果大電流靠近鐵芯分布，離鐵芯越遠的小電流繞組分布，則靠近鐵芯的溫度隨大電流和鐵芯熱量的疊加，溫度會越高，靠外的小電流繞組溫度會很低，則相互之間的溫差更會很大，就會出現內部的特別高，離鐵芯遠的繞組不會升得太高，引起繞組的變形及局部過熱［5］。

3.2 層間絕緣材質

本研究中的一、二次繞組同為箔式結構，層間絕緣材料采用聚酯薄膜，以高韌性添加硅微粉環氧樹脂體系，在嚴格的真空條件下澆注，并進行長時間的固化和應力消除處理，使得變壓器的安匝平衡更容易保證，產生的短路力遠小于電磁線繞組，既減少了因橫向漏磁引起的繞組附加損耗、又提供了更好的導熱性能，繞組內部熱點分布更加均勻。

3.3 高壓繞組結構

由于箔式結構具有層間電壓低、端部電場畸變小的特點，設計中研究者可以選取合適的縱絕緣和主絕緣，使箔式高壓繞組獲得優異的抗雷電沖擊性能。同時對于外部高壓繞組，為了降低中間局部的繞組發熱集中問題，研究者一般將高壓繞組做成上、下兩個繞組，中間部分分開一定距離，增加漏磁。

3.4 高次諧波含量

多晶硅還原爐用干式變壓器在工作中負載（調功設備在硅芯上進行電源控制）對電壓電流有特殊的技術要求，研究者在設計時需要考慮到波形畸變引起的3、5、7、9、11、13次等諧波的影響，其中，一般3次諧波含量最大值42%，5次諧波含量最大值18%，7次諧波含量最大值15%，9次諧波含量最大值9%，11次諧波含量最大值7%，13次諧波含量最大值6%［6］；同時還要考慮到電流有效值一定但是電流峰值較大的情況，電流波形占空比最壞情況為50%，這樣在制造時考慮進口材料作為首選材料。鐵芯選用進口優質冷軋高導磁晶粒取向硅鋼片（日本），采取5步以上進疊方式，表面涂專用高強度聚酯帶經高溫固化，使鐵芯成為一整體。

3.5 絕緣等級

系統在運行中很容易出現溫度過高的的問題，所以絕緣等級考慮在H級上［7］，部分達到C級以上，在溫度較高時系統通過溫控裝置啟動冷卻風機進行強迫風冷，確保熱量帶走，控制溫升，增加繞組的絕緣能力。

4 結束語

多晶硅還原爐變壓器是多晶硅還原爐在生產過程中非常關鍵的設備，根據工作要求，該種變壓器既需要滿足調壓要求，又需要為調功電路提供精確的電抗值。具體要求如下:在使用過程中要求變壓器具有良好的抗短路能力和抗系統電源諧波能力；在還原爐工作初期，硅芯直徑細，阻值大，需施加較高電壓，變壓器電感要求大；隨著硅的沉積，硅芯直徑逐漸變大，阻值變小，需要較低電壓，變壓器電感要求低［8］。在整個工作過程中，變壓器需要輸出的電流從100多安增到幾千安；電壓從1 000多伏降低到幾百伏。

因此，對于還原爐變壓器的制造工藝及應用有一個很高的技術要求，制造時必須考慮高次諧波問題、溫升問題、不平衡問題、澆注工藝及材料等［9］。技術上生產廠家都有不同的方法及工藝來進行處理，在實際生產中同時要多方面考慮還原爐與調功柜的匹配設計能力，不要讓部分二次繞組過載或輕載，要控制局部溫升，盡量減少高次諧波的沖擊，增強變壓器濾波能力，加裝浪涌保護器，改善環境溫度等［10］，同時根據實際情況制定正確的工藝參數，使還原爐系統電氣設備在允許范圍內正常工作，產出純度極高的多晶硅。

（References）:

［1］龍桂花，吳 彬，韓 松，等.太陽能級多晶硅生產技術發展現狀及展望［J］.中國有色金屬學報，2008，18（z1）:386-392.

［2］凌 猛，賴喜德，劉東旗，等.多晶硅還原爐爐膛內的輻射傳熱模型研究［J］.機械設計與制造，2009（4）:125-127.

［3］黎文安.特種變壓器:電氣設備手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［4］方暉洋.電力系統變壓器微機保護的研究［D］.長沙:湖南大學電氣與信息工程學院，2009.

［5］丁明軍.一種實用的變壓器繞組制作方法［J］.機電工程，2001，18（4）:72-74.

［6］馬文雅，王丙奇.變壓器高次諧波及其對單相接地電流的影響［J］.電工技術，2004（11）:63-64.

［7］保明會.變壓器負載分配異常分析［J］.變壓器，2012，49（5）:77-79.

［8］毛濤濤，李超林，毋克力，等.淺談大功率多晶硅還原爐電源系統［J］.有色冶金節能，2010，26（6）:50-53.

［9］王建華.變壓器:電氣工程師手冊［M］.3版.北京:機械工業出版社，2006.

［10］郭云才，韋良文，張海燕，等.某油井雷擊災害調查分析及防護措施探討［J］.高壓電器，2012，48（1）:114-117，121.