淺談36對棒多晶硅還原爐電源系統及常見故障分析

（新疆大全新能源有限公司，石河子市，832000） 程智勇

目前，多晶硅的生產技術主要有改良西門子法、硫化床法和硅烷法，其中改良西門子法以其技術的成熟性、產量的規模化等原因，仍然是國內最主流的生產工藝方法，改良西門子法是利用高純度的氫氣和三氯氫硅在1050℃左右的高溫下進行化學反應，使還原出的高純度硅沉積在硅芯上，漸漸長粗形成硅棒的過程，其主要化學方程式為：SiHcl3+H2→Si+Hcl，這里，硅芯既是發熱體，又是載體；硅棒一般生長到直徑在150～200mm時，即可達到成品要求。因硅棒在生長過程中對電壓、電流的調節范圍較大，因此對電氣設備的要求較高。

1 36對棒還原爐電源設備的主要組成情況

目前，國內較大多晶硅企業的還原爐主要有24對棒、36對棒和48對棒，我公司主要有24對棒和36對棒兩種還原爐，這里主要介紹一下36對棒還原爐的電源系統，36對棒還原爐的電源系統主要由多檔位的變壓器、高壓啟動開關柜、交流調壓器、調功柜電源系統和控制系統組成。

2 多檔位變壓器

生產中使用的多檔位變壓器額定容量為9900KVA的干式變壓器，能夠輸出5種電壓等級，分別為2500V、1400V、650V、400V、320V。

3 高壓啟動系統

高壓啟動系統主要是由高壓開關柜、交流調壓器構成，該部分設備主要是為了使硅芯導電發熱從而達到產生化學反應的目的；36對硅芯被分為9組，每組由4對硅芯串聯組成純電阻電路，因為硅在常溫下是不導電的，只有在高壓、高溫的情況下才會導電，交流調壓器主要是由一臺升壓變壓器組成，輸入電壓為交流380V，輸出一般有10KV、8KV、6.3KV、2KV等電壓等級（見圖），每個檔位的開通與斷開均是由晶閘管控制，當其中一個檔位的晶閘管導通后，其它檔位的晶閘管必定是斷開的，因此在正常情況下，是不會存在兩種電壓同時開通所產生短路環流的情形；一般在6.3KV的電壓下，硅芯會被擊穿導電，然后在這個電壓等級下，閉合高壓斷路器使每一組硅芯導電，然后隨著硅芯的發熱，電阻阻值會漸漸下降，電壓也會隨之下降，通常情況下第一組硅芯被擊穿導電過程比較長一些，當第一組硅芯導電后，它會成為一組發熱體，使爐體內部溫度升高，這樣，后續的硅芯就越來越容易被擊穿導電，最終使所有的硅芯全部導電，達到產生化學反應的工藝要求。

圖

4 調功柜電氣系統

硅芯被全部導電后，隨著爐體內的氫氣和三氯氫硅流量的增加，熱量也會被大量帶走，這時要保證密閉容器中始終保持在1050℃～1080℃溫度范圍內，原來的高壓啟動系統只能提供較小的電流，已不能夠滿足工藝使用要求，因此必須切換到能提供大電流的調功柜電氣系統中，由多檔位變壓器提供電源，因此，每一回路的硅芯將被切換至調功柜系統來供電，當全部切換完畢后，高壓啟動系統則被退出使用，調功柜系統進入工作狀態，調功柜的每一檔位的電壓等級輸出仍然是靠晶閘管的導通與閉合來實現，調功柜的主回路是由兩只晶閘管反并聯的交流調壓結構，晶閘管起到開關的作用，隨著硅棒的生長變粗，硅棒表面積也來越大，還原反應也會越來越劇烈，它所使用的電流也越來越大，根據硅棒的電阻阻值的變化，系統會逐步切換到較低的電壓等級，以便得到更大的電流；在使用大電流的同時，純電阻電路會隨之而來產生大量電源諧波，干擾成分加大，這樣會造成變壓器使用效率降低，設備容易發熱并且損壞，在解決該問題時，調功柜系統在設計上進行優化設計，采用兩檔疊層技術，也就是兩檔不同電壓等級的電源都在導通使用，電源波形互相抵消互補的原理進行諧波治理和無功補償，利用自身的控制性能來提高功率因數。

5 常見故障分析

5.1 多檔位變壓器鐵芯多點接地

產生該故障的主要原因為：1）變壓器在運輸搬運過程中，造成鐵芯夾具的穿芯螺桿與絕緣套管磨損破裂，使穿芯螺桿與鐵芯直接接觸；2）在變壓器組裝過程中，由于工作人員的疏忽，將一些螺絲、墊片、甚至小工具掉入夾縫當中而未被發現，出廠檢驗時是合格的，到了現場檢測時就產生了多點接地現象；3.易導電的灰塵較大，使鐵芯與外殼框架產生表面放電現象；

解決方法：針對故障1現象，解決措施是將穿芯螺桿拆除，更換絕緣套管；針對故障2現象，解決措施是反復仔細檢查，并吹掃灰塵，在用搖表測絕緣時，應仔細聽聲音，當轉動搖表時會產生輕微的放電聲，找到放電位置后，清除里面的異物，可消除故障。

5.2 多檔位變壓器繞組線圈絕緣層開裂

產生該故障的主要原因為：此種故障常發生在低壓側線圈繞組，因為低壓側電流較大，發熱量大，造成線圈溫度偏高，尤其是夏季，局部可達到80℃以上的溫度，絕緣層如果太厚的話就會產生開裂現象，我公司曾經發生過該故障現象，具體維修方法是將變壓器上方銅母排拆除，鐵芯上軛夾具拆除，卸去穿芯螺桿，這時就可以將鐵芯上軛拆除，硅鋼片要幾片一組一起拔出，然后碼放整齊，切勿落入灰塵，拆完硅鋼片后，將低壓側線圈繞組吊出，將開裂的絕緣側剝離掉，此時要小心拆除，盡量不要將銅皮漏出，以免增加后續處理絕緣的難度，拆除完后將繞組端面用銼和砂紙修平整，不要有尖銳的棱角，然后將F級絕緣紙整體纏繞5～6層，再用玻璃絲帶進行重疊壓層纏繞一層，捆扎牢固，再用絕緣樹脂將繞組端面進行均勻涂抹，晾干后進行安裝，安裝硅鋼片時要一片一片的安裝，切勿將硅鋼片受力扭曲變形，影響使用效果。

5.3 調功柜輸出端接地故障

主要表現在單相或多相負載接地，多數原因是由于硅芯通電后斷裂碰壁，或者石墨底座處聚四氟乙烯套管絕緣能力下降導致漏電，先報警后停爐，解決措施是停爐重新安裝硅芯或更換聚四氟乙烯絕緣套管。

5.4 調功柜晶閘管擊穿

晶閘管被擊穿損壞主要因為：1.晶閘管與散熱水包接觸面沒有壓緊，或是與母排緊固時受力不均勻，導致晶閘管接觸不好，不導通，這樣，大電流全部加到同一側另外的晶閘管上，造成別的晶閘管過電流燒穿；2.調功柜通風散熱不好，空氣不對流，柜內空間溫度高，二次回路故障或誤動作，無法對主回路中的元器件起到保護作用。

6 結束語

由于國外對我國多晶硅行業一直處于技術封鎖，因此，這就需要我國多晶硅行業的研究人員繼續努力研究，早日打破國外的技術封鎖，研發出更加適用、節能、先進的還原爐電源系統來。

[1]毛濤濤等，淺談大功率多晶硅電源系統[J],有色節能，文章編號1008-5122（2010）06-0500-04