電解鋁整流裝置晶閘管和快熔損壞的原因分析

［摘 要］電解鋁整流裝置的穩定運行對于提高鋁的生產效率和保證產品質量至關重要。晶閘管和快熔作為該裝置中的重要組件，其故障直接影響到整流系統的安全性和穩定性。文章針對電解鋁整流裝置中晶閘管和快熔頻繁損壞的問題進行了深入探討，并分析了設備故障的主要影響因素，提出了相應的預防措施，旨在提升整流裝置的可靠性，減少停機時間，提高生產效率。

［關鍵詞］電解鋁整流裝置；晶閘管損壞；快熔損壞；故障診斷；故障樹分析

［中圖分類號］TM461 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0087–03

1 電解鋁整流裝置概述

1.1 整流裝置的核心部件及功能

整流裝置是電解鋁生產中不可或缺的部分，主要職責是將交流電轉換成直流電，以滿足電解槽對穩定直流電源的需求。在整流裝置中，晶閘管與快速熔斷器（以下簡稱“快熔”）是核心部件，其健康狀態直接關系到整流設備的穩定運行及電解生產的連續性。

晶閘管是一種半導體器件，基本功能是在電路中控制高功率電流。在整流裝置中晶閘管能夠在接收到觸發信號時導通，在沒有觸發信號時截止，從而控制電流的流向和大小。其導通特性類似于開關，但由于其具有高速開關能力，因此在大功率控制領域得到了廣泛運用。

快熔用于保護電路安全，當電路中的電流超出額定值時，快熔能夠迅速熔斷，切斷電流，避免過大的電流導致設備損壞或發生危險。快熔損壞是一種主動保護措施，其可以有效地防止因電流過載而引起的進一步損壞。在整流裝置中，當晶閘管因故障無法正常截止時，快熔將起到關鍵作用，其可以迅速斷開電路，保護晶閘管和其他電氣設備不受損害。

1.2 晶閘管和快熔的作用與重要性

晶閘管的作用在于其能夠在整流裝置中控制直流電的輸出電壓和電流，保證電解鋁生產過程的穩定性。其工作原理是依靠門極信號來控制其導通和關斷，這樣可以實現對電流的精確調節。在電解鋁生產中，晶閘管的可控性非常重要，因為生產過程需要YYg9YXNpjE4TNfTuce59YA==精確控制電流，以維持鋁的電解過程。

快熔的重要性則體現在其保護作用上。在整流裝置中，由于電解鋁生產過程對電流要求極高，電流的波動可能會導致電路中的過電流現象。快熔能夠在這種情況下快速響應，熔斷電路，避免過電流對晶閘管或其他電氣設備造成損壞。這種快速保護機制對于防止電力系統事故的發生至關重要，有助于維護整個生產裝置的安全穩定運行。

為了確保晶閘管和快熔的正常工作，電解鋁整流裝置通常配備有一系列的監控和保護系統。這些系統能夠實時監控電流、電壓和溫度等關鍵參數，并在異常情況下立即采取措施，如切斷電源或發出報警，以保護晶閘管和快熔不受損壞。

2 晶閘管和快熔損壞原因

2.1 過電壓和過電流現象誘發損壞

過電壓是指電路中的電壓超過了設備的最大承受電壓。在電解鋁生產過程中，過電壓通常由外部電網故障、系統內部故障、操作不當或保護裝置失效引起。例如，當電網發生短路或切換操作時，可能會產生瞬時的電壓尖峰，這種尖峰電壓能在極短的時間內對晶閘管造成損壞。晶閘管對電壓的穩定性要求極高，其標準工作電壓通常有嚴格的規定。一旦發生過電壓現象，超出其耐受極限的電壓會穿透晶閘管的PN 結，造成永久性損壞。過電流現象指電流超出了電路或設備設計的安全電流值。在電解鋁生產中，過電流可能由以下幾種情況引起：①電解槽發生短路，這會導致電流迅速上升到正常值的幾倍，從而超出晶閘管和快熔的承受范圍。②當電解槽的負載突然減少或失去時，如槽內斷線，整流裝置的輸出電流可能會瞬間增加，同樣會造成過電流。③控制系統的失效或誤操作可能導致整流裝置輸出的電流超過設定值，這同樣可能導致過電流損害晶閘管和快熔。

2.2 溫度影響和散熱條件不良

晶閘管在正常工作時會產生熱量，這是由內部載流子在晶體結構中運動所產生的耗散能量所致。晶閘管的結溫（即半導體芯片的溫度）是影響其安全運行的關鍵參數。結溫過高會導致晶閘管的載流能力下降，從而降低其電流承載能力和抗干擾能力。根據半導體物理學，溫度每升高10℃，半導體器件的壽命就會減半。因此，保持晶閘管在合理的溫度范圍內運行是確保其穩定性和延長使用壽命的關鍵。

散熱條件不良是導致晶閘管和快熔溫度過高的直接原因。在電解鋁生產過程中，整流裝置的周圍環境溫度本身就較高，如果散熱系統設計不足或散熱設備運行不良，會難以將晶閘管和快熔產生的熱量有效地傳遞到環境中去。散熱不良會導致晶閘管和快熔的溫度持續升高，進而觸發熱失控現象，這種現象會導致晶閘管的導電區域局部過熱，甚至燒毀，快熔也可能因此失去正常的保護功能。

在散熱設計方面，需要考慮晶閘管和快熔的散熱路徑、散熱介質的選擇及散熱設備的布局等多個因素。例如，對晶閘管而言，常用的散熱方法包括風冷、水冷和油冷等，其中水冷效率最高，但成本和維護要求也較高。快熔的散熱通常依賴于空氣自然對流或強制風冷，其散熱效果直接影響到快熔的熔斷特性。

2.3 控制系統失效導致的損壞

在電解鋁整流裝置中，控制系統是確保晶閘管與快熔正常工作的關鍵部分。控制系統的失效可能源自多種原因，包括軟件錯誤、硬件故障、外部干擾及系統老化等。這些失效會導致整流裝置無法正確響應操作指令，甚至可能造成嚴重的設備損壞。

例如，控制系統的軟件負責生成精確的觸發指令，保證晶閘管在正確的時刻導通。如果軟件中存在編程錯誤，或者系統升級后的兼容性問題，都可能導致控制信號的不準確。如一個未被及時發現的軟件缺陷可能會導致整流裝置在特定條件下失去對晶閘管觸發時序的控制，進而造成晶閘管的過早或過晚導通，從而增加了電解槽的電氣應力，加速了晶閘管和快熔的損壞。

而電解鋁生產環境復雜，存在大量的電磁干擾，這些干擾可能會影響控制系統的穩定性和可靠性。例如，電解車間內頻繁的大電流啟動和停止會在電源線路上產生瞬態電壓波動，這種波動可能會被控制系統的信號線路捕捉到，導致控制指令出錯，最終影響到晶閘管的正常工作。

2.4 選擇性不當與使用環境

在實際操作過程中，如果晶閘管及快熔選擇不當，或者使用環境不符合要求，即使其他條件滿足設計標準，整流裝置的穩定性和可靠性依然會受到嚴重影響。

晶閘管的選擇性不當主要表現在耐壓等級、電流容量、開關頻率及散熱能力等方面。晶閘管的耐壓等級必須高于整流裝置的最高工作電壓，以避免在電壓波動或沖擊下損壞。例如，一個設計工作電壓為1 000 V 的整流裝置，至少需要選用耐壓等級為1 200 V 以上的晶閘管。電流容量的選擇也應考慮到系統的最大負載和可能的過載情況。根據相關經驗，系統正常工作電流的1.5～2 倍是一個安全的選取范圍。

快熔主要起到過流保護作用，其額定電流應略高于整流裝置的最大工作電流，以保證在正常工作條件下不會誤動作。快熔的熔斷速度應與整流裝置的動態響應速度相匹配，以確保在發生短路等緊急情況時能夠迅速切斷電路，保護晶閘管不受損壞。

在使用環境方面，晶閘管和快熔對環境的溫度、濕度、粉塵、振動等有著嚴格的要求。溫度是最關鍵的環境因素，過高或過低的環境溫度都會影響晶閘管的性能和可靠性。晶閘管通常在–40～125℃溫度范圍工作，而且需要良好的散熱設計，以避免因溫度過高而導致熱失控現象。濕度的影響主要體現在導致絕緣性能降低，增加漏電和短路的風險。

選擇合適的晶閘管和快熔，以及提供符合要求的使用環境，對于確保電解鋁整流裝置的穩定性和可靠性至關重要。在設計和運維過程中，應充分考慮這些因素，并采取相應措施，以減少晶閘管和快熔損壞的風險。通過持續的監測和維護，可以及時發現潛在問題并采取預防措施，從而延長整流裝置的使用壽命，保障電解鋁生產的穩定進行。

2.5 電路故障和外部短路沖擊

電路設計的不合理、元件老化、保護電路失效或電源波動都可能導致電流突然增大，超出晶閘管的承受能力。晶閘管的額定電流是有限的，一旦電流超過該值，就會導致內部結溫急劇上升，從而引發熱點效應。長時間的高溫運行會加速器件的老化，降低其耐壓能力，最終導致晶閘管損壞。根據相關研究可知，當電流超過額定值的2 倍時，晶閘管的壽命會大幅減少。一旦晶閘管損壞，不僅會導致整個電解鋁生產線停產，還會給企業帶來較大的經濟損失。

外部短路沖擊是指由于電源系統中其他部位的短路，如母線短路、變壓器短路等，對整流裝置造成沖擊。外部短路會使得電路中的電流迅速上升，形成短路沖擊電流。這種沖擊電流的幅度通常遠大于晶閘管的額定電流，且上升速率極快，會在極短的時間內對晶閘管造成嚴重的熱應力和電應力。在某些極端情況下，短路沖擊電流甚至會直接導致晶閘管的擊穿或炸裂。

通過對電路設計的優化、合理選擇和維護保護元件，以及提高電源系統的穩定性和可靠性，可以有效地減少晶閘管和快熔的損壞事件，保障電解鋁生產的平穩進行。同時，加強對晶閘管和快熔運行狀態的監測，以及時發現潛在的故障風險，也是提高整流裝置穩定性的重要措施。

3 結束語

文章的研究成果不僅為制訂有效的預防措施提供了科學依據，也為電解鋁整流裝置的維護與改進提供了實用的參考。尤其是針對損壞原因所提出的預防策略，可顯著提升裝置的整體穩定性，為電解鋁行業的持續發展和技術進步奠定了基礎。

參考文獻

[1] 朱盛和. 大功率晶閘管整流裝置在電解鋁行業的應用分析[J]. 世界有色金屬，2023（15）：4-6.

[2] MICHAEL BRüNIG，ZISTL M ，GERKE S .Numerical Analysis of Experiments on Damage and Fracture Behavior of Differently Preloaded Aluminum Alloy Specimens[J].Metals，2021，11（3）：381.

[3] 周鑫. 大功率晶閘管整流裝置在電解鋁行業的應用[J]. 世界有色金屬，2019（20）：64-65.

[4] 郭喜鵬，劉峰. 電解鋁晶閘管整流機組典型問題及改進措施[J]. 電工技術，2022（11）：74-75，77.

[5] 丁磊. 電網暫態波動引發晶閘管整流系統甩負荷的分析與處理[J]. 云南冶金，2023，52（2）：189-194.

[6] 郗愷. 電解鋁企業整流所改造中330 kA 晶閘管整流柜的應用[J]. 中國科技縱橫，2021（2）：71-72，150.

[7] 張秀青，傅鵬，高格，等.ITER 極向場變流器溫升試驗方法[J]. 強激光與粒子束，2019，31（3）：58-63.

[8] 黃歡. 電解鋁領域中大功率晶閘管整流裝置的應用研究[J]. 中國金屬通報，2023（8）：10-12.