高壓放電式臭氧發生器的電氣故障分析

李 楓

（中海煉化惠州煉化分公司，廣東 惠州516086）

0 引言

石化行業的污水處理車間尤其是臭氧發生間，始終處于一種易氧化、高酸高堿的環境中，所以臭氧發生器一次回路和二次回路極易老化并發生故障。臭氧發生器一旦發生電氣故障，將影響其正常工作，所以第一時間查找出故障原因并及時排除故障尤為重要。臭氧發生器按臭氧產生的原理可劃分為3種：高壓放電式、紫外線照射式、電解式。由于后兩者的一次回路涉及電氣部分較少，故不做探討，本文主要針對高壓放電式臭氧發生器來進行分析介紹。

圖1 臭氧發生器一次接線圖

圖2 臭氧放電室內部結構圖

1 高壓放電式臭氧發生器的工作原理

雖然有若干機理可能同電暈內臭氧的形成有關，但式（1）的特殊反應途徑被認為是主要的。

利用高速電子轟擊氧氣，其分解成氧原子。高速電子具有足夠的動能（6～7eV），緊接著通過三體碰撞反應形成臭氧。

式中，M為氣體中任何其他氣體分子。

為了創造節能高效的放電環境，通常采取在介電材料的兩極加以高頻高壓交流電、放電產生電暈的方法促使氧氣反應。發生器的一次進線通常為380V、50Hz三相交流電，為了得到達到要求的高頻高壓電，通常將三相交流電通過整流回路，再經過逆變回路，轉換成中頻或高頻的單相交流電，再通過變壓器將380V低電壓轉換成高電壓，從而實現升壓升頻。臭氧發生器的工作原理與變頻器甚為相似，它能通過調節頻率達到控制臭氧產生量的目的。

臭氧發生器的一次回路如圖1所示，其中，TAA、TCC分別為A、C相電流互感器，LS為進線電抗器，TA為霍爾電流傳感器，ZLS為直流電抗器，TH為高壓變壓器。

臭氧放電室是承受中高頻高壓電源放電產生臭氧的容器，放電室筒體由不銹鋼焊接制造，筒體材質有304、316L等，鞍座材質一般為304或碳鋼。臭氧放電室由筒體、蜂窩端板、外電極管、折流板、封頭、封頭法蘭、吊桿等部分組成，上面有進出氣口、進出水口、排污口、高壓端子接口等，如圖2所示。

工作時，干燥、潔凈的含氧氣源由進氣口進入放電室內部，經過放電體和外電極管內壁之間的間隙進行介質阻擋放電，產生臭氧，然后由出氣口輸出。

放電室工作時由于放電產生臭氧的過程會產生大量的熱量，而溫度越高對臭氧產量、濃度的不良影響越大，故需對放電室內的電極進行持續冷卻，主要采用水冷卻外電極的方式，在進水口注入符合臭氧發生器運行要求的冷卻水，經內部折流板，流經所有外電極管外壁，最后在出水口輸出，進行持續冷卻。

2 高壓放電式臭氧發生器的常見故障

2.1 臭氧發生器進水

臭氧發生器進水一般有兩個原因：（1）臭氧發生器在煉化廠主要應用于凈化污水，所以臭氧發生器的臭氧排放管插在污水池底，一旦雨季來臨或是進出水閥異常，將導致蓄水池水位上漲，從而產生倒灌，臭氧發生器將會進水；（2）由于電極放電會釋放熱量，而溫度越高臭氧越不穩定，會影響臭氧產生的效率，故一般臭氧發生器會有一套冷卻系統，用以降低電極放電所產生的溫升，通常會以熱交換器的形式實現，而熱交換器出現漏點會致使冷卻水流入放電室，繼而導致進水故障的發生。

該故障產生的后果很嚴重，高壓下電極遇水后將短路形成大電流，擊穿電極。目前常規的預防措施通常是在臭氧的輸出管道上添加止逆閥，防止倒灌的發生。

2.2 電極擊穿

產生電極擊穿的原因也是多方面的：比如搪瓷線棒或玻璃線棒有破裂，導致出現絕緣薄弱點；電位分布不均，薄弱部位形成高電壓，產生大電流，最終導致擊穿。

對電極搖測絕緣，通過絕緣值便可判斷電極是否擊穿，如果搖測絕緣數值不夠明顯，可以用耐壓試驗進行排查，觀察在加壓過程中電流的變化，對于絕緣完好的電極來說，當電壓加到10kV左右時，電流近似于0。

2.3 整流橋故障

整流橋損壞的原因主要如下：器件本身質量不好；進線電壓太高，導致過電壓浪涌；發生器與變壓器之間的電抗器短路，中間的線路阻抗很小，使整流橋處于電容濾波的高幅度、尖脈沖電流的沖擊狀態下，致使整流橋過早損壞；輸入缺相，使整流橋負擔加重而損壞；壓敏電阻本來是用于進線側吸收進線過電壓的保護器件，但當進線側電壓持續較高，壓敏電阻性能有變化時，有可能使壓敏電阻爆炸燒毀，同樣有可能殃及周圍器件和導線絕緣。

判斷是否為整流橋故障，用萬用表歐姆檔逐一測量整流橋組成元件便可。

2.4 逆變回路故障

造成故障的原因如下：器件本身質量不好；外部負載有嚴重過電流、不平衡；用戶電網電壓太高，或有較強的瞬間過電壓，造成過電壓損壞；濾波電容因日久老化，容量減小或內部電感變大，對母線的過壓吸收能力下降，造成母線上過電壓太高而損壞晶閘管；前級整流橋損壞，由于主電源前級進入了交流電，造成晶閘管損壞。

判斷逆變功率模塊故障時，可以直接檢查晶閘管外觀是否已炸開，端子與相連印制板是否有燒蝕痕跡；還可以用萬用表查C－E、G－C、G－E是否已通，以此判斷是哪一功率器件損壞。

另外，逆變回路發生故障時，常伴隨過流的產生，分析如下：（1）如果QA1、QA2短路或者擊穿，逆變模塊工作在前半周期時，QB1、QB2和 QD1、QD2同時導通，QA1、QA2和QC1、QC2同時關斷，QA1、QA2將短接QD1、QD2和負載，逆變回路的電流走向如圖3所示，霍爾電流傳感器將會流過幅值較大的電流脈沖，繼而反饋給主控板，發出過流報警信號。同理可推，當其余晶閘管短路或者擊穿時，也會出現同樣的現象。（2）如果QA1、QA2始終沒有觸發信號，時刻保持關斷狀態，主控板也會報過流信號。當逆變模塊工作在前半周期時，QB1、QB2和 QD1、QD2同時導通，QA1、QA2和 QC1、QC2同時關斷，逆變回路沒有受到影響，電路將輸出正電壓的正弦波。此回路利用的是負載換流方式，當進行換流時，如果QA1、QA2沒有觸發信號，仍繼續保持關斷狀態，則QD1、QD2將不會得到反向電壓，也就不會被關斷，換流之后，QB1、QB2、QC1、QC2、QD1、QD2同時保持導通狀態，在此狀態下電流將流過QC1、QC2和QD1、QD2，與上一級電路構成回路，逆變回路的電流走向如圖4所示，霍爾電流傳感器也將會流過幅值較大的電流脈沖。同理可推，當其余晶閘管沒有觸發脈沖時，也會出現同樣的現象。

圖3 逆變回路的電流走向1

圖4 逆變回路的電流走向2

3 結論及建議

隨著國家對環保及食品安全的重視，臭氧發生器越來越廣泛地被應用于化工、制造、食品等行業。對于一個逐漸普及的產品，只有真正了解它的原理，才能對發生的故障進行準確的判斷。對于臭氧發生器發生的故障，筆者總結了如下兩點預防措施：（1）在高氧化環境下，電子元件長時間不使用會被氧化腐蝕，發生故障。所以，對于長期不使用的臭氧發生器，要定期開啟。（2）要制定完善的巡視制度，組織維保單位專人負責，按規定周期進行巡視，通過發生器視窗觀察電極是否存在異常。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術.北京：機械工業出版社，2000

［2］青島國林實業股份有限公司.臭氧發生器使用說明書