淺談36對棒多晶硅還原爐電源系統(tǒng)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(chǎn)技術(shù)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(shù)的成熟性、產(chǎn)量的規(guī)?；仍颍匀皇菄鴥?nèi)最主流的生產(chǎn)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，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(xué)方程式為：SiHcl3+H2→Si+Hcl，這里，硅芯既是發(fā)熱體，又是載體；硅棒一般生長到直徑在150～200mm時(shí)，即可達(dá)到成品要求。因硅棒在生長過程中對電壓、電流的調(diào)節(jié)范圍較大，因此對電氣設(shè)備的要求較高。

1 36對棒還原爐電源設(shè)備的主要組成情況

目前，國內(nèi)較大多晶硅企業(yè)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(tǒng)，36對棒還原爐的電源系統(tǒng)主要由多檔位的變壓器、高壓啟動開關(guān)柜、交流調(diào)壓器、調(diào)功柜電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

2 多檔位變壓器

生產(chǎn)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(tǒng)

高壓啟動系統(tǒng)主要是由高壓開關(guān)柜、交流調(diào)壓器構(gòu)成，該部分設(shè)備主要是為了使硅芯導(dǎo)電發(fā)熱從而達(dá)到產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的目的；36對硅芯被分為9組，每組由4對硅芯串聯(lián)組成純電阻電路，因?yàn)楣柙诔叵率遣粚?dǎo)電的，只有在高壓、高溫的情況下才會導(dǎo)電，交流調(diào)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(gè)檔位的開通與斷開均是由晶閘管控制，當(dāng)其中一個(gè)檔位的晶閘管導(dǎo)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(shí)開通所產(chǎn)生短路環(huán)流的情形；一般在6.3KV的電壓下，硅芯會被擊穿導(dǎo)電，然后在這個(gè)電壓等級下，閉合高壓斷路器使每一組硅芯導(dǎo)電，然后隨著硅芯的發(fā)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(dǎo)電過程比較長一些，當(dāng)?shù)谝唤M硅芯導(dǎo)電后，它會成為一組發(fā)熱體，使?fàn)t體內(nèi)部溫度升高，這樣，后續(xù)的硅芯就越來越容易被擊穿導(dǎo)電，最終使所有的硅芯全部導(dǎo)電，達(dá)到產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的工藝要求。

圖

4 調(diào)功柜電氣系統(tǒng)

硅芯被全部導(dǎo)電后，隨著爐體內(nèi)的氫氣和三氯氫硅流量的增加，熱量也會被大量帶走，這時(shí)要保證密閉容器中始終保持在1050℃～1080℃溫度范圍內(nèi)，原來的高壓啟動系統(tǒng)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(diào)功柜電氣系統(tǒng)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(diào)功柜系統(tǒng)來供電，當(dāng)全部切換完畢后，高壓啟動系統(tǒng)則被退出使用，調(diào)功柜系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，調(diào)功柜的每一檔位的電壓等級輸出仍然是靠晶閘管的導(dǎo)通與閉合來實(shí)現(xiàn)，調(diào)功柜的主回路是由兩只晶閘管反并聯(lián)的交流調(diào)壓結(jié)構(gòu)，晶閘管起到開關(guān)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(yīng)也會越來越劇烈，它所使用的電流也越來越大，根據(jù)硅棒的電阻阻值的變化，系統(tǒng)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(shí)，純電阻電路會隨之而來產(chǎn)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(shè)備容易發(fā)熱并且損壞，在解決該問題時(shí)，調(diào)功柜系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用兩檔疊層技術(shù)，也就是兩檔不同電壓等級的電源都在導(dǎo)通使用，電源波形互相抵消互補(bǔ)的原理進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償，利用自身的控制性能來提高功率因數(shù)。

5 常見故障分析

5.1 多檔位變壓器鐵芯多點(diǎn)接地

產(chǎn)生該故障的主要原因?yàn)椋?）變壓器在運(yùn)輸搬運(yùn)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(dāng)中而未被發(fā)現(xiàn)，出廠檢驗(yàn)時(shí)是合格的，到了現(xiàn)場檢測時(shí)就產(chǎn)生了多點(diǎn)接地現(xiàn)象；3.易導(dǎo)電的灰塵較大，使鐵芯與外殼框架產(chǎn)生表面放電現(xiàn)象；

解決方法：針對故障1現(xiàn)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(xiàn)象，解決措施是反復(fù)仔細(xì)檢查，并吹掃灰塵，在用搖表測絕緣時(shí)，應(yīng)仔細(xì)聽聲音，當(dāng)轉(zhuǎn)動搖表時(shí)會產(chǎn)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(chǎn)生該故障的主要原因?yàn)椋捍朔N故障常發(fā)生在低壓側(cè)線圈繞組，因?yàn)榈蛪簜?cè)電流較大，發(fā)熱量大，造成線圈溫度偏高，尤其是夏季，局部可達(dá)到80℃以上的溫度，絕緣層如果太厚的話就會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，我公司曾經(jīng)發(fā)生過該故障現(xiàn)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(shí)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(cè)線圈繞組吊出，將開裂的絕緣側(cè)剝離掉，此時(shí)要小心拆除，盡量不要將銅皮漏出，以免增加后續(xù)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(jìn)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(jìn)行均勻涂抹，晾干后進(jìn)行安裝，安裝硅鋼片時(shí)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(diào)功柜輸出端接地故障

主要表現(xiàn)在單相或多相負(fù)載接地，多數(shù)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(dǎo)致漏電，先報(bào)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(diào)功柜晶閘管擊穿

晶閘管被擊穿損壞主要因?yàn)椋?.晶閘管與散熱水包接觸面沒有壓緊，或是與母排緊固時(shí)受力不均勻，導(dǎo)致晶閘管接觸不好，不導(dǎo)通，這樣，大電流全部加到同一側(cè)另外的晶閘管上，造成別的晶閘管過電流燒穿；2.調(diào)功柜通風(fēng)散熱不好，空氣不對流，柜內(nèi)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(hù)作用。

6 結(jié)束語

由于國外對我國多晶硅行業(yè)一直處于技術(shù)封鎖，因此，這就需要我國多晶硅行業(yè)的研究人員繼續(xù)努力研究，早日打破國外的技術(shù)封鎖，研發(fā)出更加適用、節(jié)能、先進(jìn)的還原爐電源系統(tǒng)來。

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