李 枫
(中海炼化惠州炼化分公司,广东 惠州516086)
石化行业的污水处理车间尤其是臭氧发生间,始终处于一种易氧化、高酸高碱的环境中,所以臭氧发生器一次回路和二次回路极易老化并发生故障。臭氧发生器一旦发生电气故障,将影响其正常工作,所以第一时间查找出故障原因并及时排除故障尤为重要。臭氧发生器按臭氧产生的原理可划分为3种:高压放电式、紫外线照射式、电解式。由于后两者的一次回路涉及电气部分较少,故不做探讨,本文主要针对高压放电式臭氧发生器来进行分析介绍。
图1 臭氧发生器一次接线图
图2 臭氧放电室内部结构图
虽然有若干机理可能同电晕内臭氧的形成有关,但式(1)的特殊反应途径被认为是主要的。
利用高速电子轰击氧气,其分解成氧原子。高速电子具有足够的动能(6~7eV),紧接着通过三体碰撞反应形成臭氧。
式中,M为气体中任何其他气体分子。
为了创造节能高效的放电环境,通常采取在介电材料的两极加以高频高压交流电、放电产生电晕的方法促使氧气反应。发生器的一次进线通常为380V、50Hz三相交流电,为了得到达到要求的高频高压电,通常将三相交流电通过整流回路,再经过逆变回路,转换成中频或高频的单相交流电,再通过变压器将380V低电压转换成高电压,从而实现升压升频。臭氧发生器的工作原理与变频器甚为相似,它能通过调节频率达到控制臭氧产生量的目的。
臭氧发生器的一次回路如图1所示,其中,TAA、TCC分别为A、C相电流互感器,LS为进线电抗器,TA为霍尔电流传感器,ZLS为直流电抗器,TH为高压变压器。
臭氧放电室是承受中高频高压电源放电产生臭氧的容器,放电室筒体由不锈钢焊接制造,筒体材质有304、316L等,鞍座材质一般为304或碳钢。臭氧放电室由筒体、蜂窝端板、外电极管、折流板、封头、封头法兰、吊杆等部分组成,上面有进出气口、进出水口、排污口、高压端子接口等,如图2所示。
工作时,干燥、洁净的含氧气源由进气口进入放电室内部,经过放电体和外电极管内壁之间的间隙进行介质阻挡放电,产生臭氧,然后由出气口输出。
放电室工作时由于放电产生臭氧的过程会产生大量的热量,而温度越高对臭氧产量、浓度的不良影响越大,故需对放电室内的电极进行持续冷却,主要采用水冷却外电极的方式,在进水口注入符合臭氧发生器运行要求的冷却水,经内部折流板,流经所有外电极管外壁,最后在出水口输出,进行持续冷却。
臭氧发生器进水一般有两个原因:(1)臭氧发生器在炼化厂主要应用于净化污水,所以臭氧发生器的臭氧排放管插在污水池底,一旦雨季来临或是进出水阀异常,将导致蓄水池水位上涨,从而产生倒灌,臭氧发生器将会进水;(2)由于电极放电会释放热量,而温度越高臭氧越不稳定,会影响臭氧产生的效率,故一般臭氧发生器会有一套冷却系统,用以降低电极放电所产生的温升,通常会以热交换器的形式实现,而热交换器出现漏点会致使冷却水流入放电室,继而导致进水故障的发生。
该故障产生的后果很严重,高压下电极遇水后将短路形成大电流,击穿电极。目前常规的预防措施通常是在臭氧的输出管道上添加止逆阀,防止倒灌的发生。
产生电极击穿的原因也是多方面的:比如搪瓷线棒或玻璃线棒有破裂,导致出现绝缘薄弱点;电位分布不均,薄弱部位形成高电压,产生大电流,最终导致击穿。
对电极摇测绝缘,通过绝缘值便可判断电极是否击穿,如果摇测绝缘数值不够明显,可以用耐压试验进行排查,观察在加压过程中电流的变化,对于绝缘完好的电极来说,当电压加到10kV左右时,电流近似于0。
整流桥损坏的原因主要如下:器件本身质量不好;进线电压太高,导致过电压浪涌;发生器与变压器之间的电抗器短路,中间的线路阻抗很小,使整流桥处于电容滤波的高幅度、尖脉冲电流的冲击状态下,致使整流桥过早损坏;输入缺相,使整流桥负担加重而损坏;压敏电阻本来是用于进线侧吸收进线过电压的保护器件,但当进线侧电压持续较高,压敏电阻性能有变化时,有可能使压敏电阻爆炸烧毁,同样有可能殃及周围器件和导线绝缘。
判断是否为整流桥故障,用万用表欧姆档逐一测量整流桥组成元件便可。
造成故障的原因如下:器件本身质量不好;外部负载有严重过电流、不平衡;用户电网电压太高,或有较强的瞬间过电压,造成过电压损坏;滤波电容因日久老化,容量减小或内部电感变大,对母线的过压吸收能力下降,造成母线上过电压太高而损坏晶闸管;前级整流桥损坏,由于主电源前级进入了交流电,造成晶闸管损坏。
判断逆变功率模块故障时,可以直接检查晶闸管外观是否已炸开,端子与相连印制板是否有烧蚀痕迹;还可以用万用表查C-E、G-C、G-E是否已通,以此判断是哪一功率器件损坏。
另外,逆变回路发生故障时,常伴随过流的产生,分析如下:(1)如果QA1、QA2短路或者击穿,逆变模块工作在前半周期时,QB1、QB2和 QD1、QD2同时导通,QA1、QA2和QC1、QC2同时关断,QA1、QA2将短接QD1、QD2和负载,逆变回路的电流走向如图3所示,霍尔电流传感器将会流过幅值较大的电流脉冲,继而反馈给主控板,发出过流报警信号。同理可推,当其余晶闸管短路或者击穿时,也会出现同样的现象。(2)如果QA1、QA2始终没有触发信号,时刻保持关断状态,主控板也会报过流信号。当逆变模块工作在前半周期时,QB1、QB2和 QD1、QD2同时导通,QA1、QA2和 QC1、QC2同时关断,逆变回路没有受到影响,电路将输出正电压的正弦波。此回路利用的是负载换流方式,当进行换流时,如果QA1、QA2没有触发信号,仍继续保持关断状态,则QD1、QD2将不会得到反向电压,也就不会被关断,换流之后,QB1、QB2、QC1、QC2、QD1、QD2同时保持导通状态,在此状态下电流将流过QC1、QC2和QD1、QD2,与上一级电路构成回路,逆变回路的电流走向如图4所示,霍尔电流传感器也将会流过幅值较大的电流脉冲。同理可推,当其余晶闸管没有触发脉冲时,也会出现同样的现象。
图3 逆变回路的电流走向1
图4 逆变回路的电流走向2
随着国家对环保及食品安全的重视,臭氧发生器越来越广泛地被应用于化工、制造、食品等行业。对于一个逐渐普及的产品,只有真正了解它的原理,才能对发生的故障进行准确的判断。对于臭氧发生器发生的故障,笔者总结了如下两点预防措施:(1)在高氧化环境下,电子元件长时间不使用会被氧化腐蚀,发生故障。所以,对于长期不使用的臭氧发生器,要定期开启。(2)要制定完善的巡视制度,组织维保单位专人负责,按规定周期进行巡视,通过发生器视窗观察电极是否存在异常。
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2000
[2]青岛国林实业股份有限公司.臭氧发生器使用说明书