Каковы последствия короткого замыкания или обрыва диода в энергосистеме?

一, Цепная реакция короткого замыкания диода
1. Механизм короткого замыкания и условия срабатывания.
Короткое замыкание диода обычно вызвано поломкой микросхемы, растрескиванием упаковки или плохой пайкой. В условиях высокой температуры и высокой влажности поглощение влаги и расширение упаковочных материалов может привести к разрушению внутреннего слоя металлизации; В сценариях перенапряжения PN-переходы могут постоянно проводить ток из-за лавинного пробоя. Например, в проекте фотоэлектрического инвертора произошло короткое замыкание в течение 10 мс из-за обратного перенапряжения диода, вызванного ударами молнии.

2. Влияние на уровне системы
(1) Изменение пути передачи энергии
Отказ цепи выпрямителя. В мостовой схеме выпрямителя, если диод закорочен, это вызовет прямую проводимость между сторонами переменного и постоянного тока, что приведет к насыщению трансформатора или катушки индуктивности. Из-за короткого замыкания выпрямительного диода некоего проекта системы накопления энергии входной ток увеличился в три раза по сравнению с номинальным, и трансформатор сгорел за 5 секунд.
Короткое замыкание в цепи обратного хода. В моторных приводах или индуктивных схемах накопления энергии короткое-замыкание в обратном диоде может привести к повреждению пути обратной связи по энергии. Например, в одном проекте инвертора для электромобиля из-за короткого замыкания в обратном диоде обратная электродвижущая сила двигателя была приложена непосредственно к силовому устройству, что привело к взрыву модуля IGBT в течение 100 мкс.
(2) Сбой механизма защиты.
Сбой защиты от реверса. В системах постоянного тока короткое замыкание антиреверсивного диода может привести к прямому повреждению оборудования при изменении полярности питания. Проект ИБП в одном центре обработки данных понес убытки на сумму более 500 000 юаней из-за короткого-замыкания антиреверсивного диода, что привело к перегоранию выпрямительного модуля во время неправильной эксплуатации при обслуживании.
Обход защиты от перенапряжения: короткое замыкание TVS-диода приведет к потере его функции фиксации, и перенапряжение будет напрямую передано на последующую цепь. Из-за короткого замыкания TVS-диода в одном проекте фотоэлектрической батареи выходное напряжение компонентов возросло до 1000 В (номинальное напряжение 600 В), что привело к масштабным-сбоям в работе инвертора.
(3) Риск теплового выхода из-под контроля
Короткое замыкание вызывает изменение пути тока, что приводит к значительному увеличению местной плотности тока. Испытание проекта преобразователя энергии ветра показало, что после короткого замыкания диода температура перехода соседних силовых устройств выросла с 85 градусов до 200 градусов в течение 2 секунд, что привело к тепловому разбегу цепи.

2. Системные опасности неисправностей диодов с разомкнутой цепью.
1. Механизм разомкнутой цепи и типичные сценарии
Разрыв цепи обычно вызван разрушением сварки, поломкой стружки или обрывом провода. В условиях вибрации (например, в электромобилях) частой причиной является усталостное разрушение свинца; В условиях высоких температур несоответствие коэффициентов теплового расширения упаковки и чипа может привести к растрескиванию.

2. Влияние на уровне системы
(1) Прерывание передачи энергии
Потери на выходе выпрямления. В трех-схеме выпрямления, если диод разомкнут, это приведет к увеличению пульсаций выходного напряжения. В одном проекте промышленного электроснабжения пульсации выходного напряжения увеличились с 5% до 30% из-за разомкнутой цепи диода, что привело к неправильной работе нагрузочного оборудования.
Отключенная обратная цепь: в индуктивной схеме накопления энергии открытый обратный диод может привести к тому, что энергия катушки индуктивности никуда не высвободится, что приведет к скачкам высокого напряжения. В одном проекте драйвера светодиодов произошел скачок напряжения на катушке индуктивности до 800 В (номинальное напряжение 400 В) из-за обрыва цепи обратного диода, что привело к выходу из строя МОП-транзистора.
(2) Потеря функции защиты
Сбой защиты от перегрузки по току: если в параллельной группе диодов один из диодов открыт, остальные диоды должны выдерживать больший ток. Определенный проект схемы балансировки аккумуляторной батареи вызвал перегрузку и перегорание других диодов из-за обрыва цепи одного диода, что привело к перезарядке аккумуляторной батареи.
Сбой функции изоляции: при защите на уровне фотоэлектрического модуля обрыв цепи байпасного диода может усугубить эффект горячей точки. Из-за разомкнутой цепи байпасного диода в одном проекте фотоэлектрической электростанции температура определенного компонента поднялась до 150 градусов под теневым препятствием, что привело к разбитию стекла.
(3) Стабильность системы снижается.
Разомкнутая цепь может вызвать изменения в топологии схемы, что может привести к резонансу или колебаниям. В одном проекте модуля зарядки электромобиля произошел разрыв диода, что привело к расстройке резонансного контура LLC и колебанию выходного напряжения более чем на ± 15 %, что вызвало защитное отключение.

3. Последствия неисправностей в типичных энергосистемах.
1. Фотоэлектрическая система производства электроэнергии.
Воздействие на уровне компонента: разомкнутая цепь байпасного диода может привести к тому, что температура теплового пятна компонента превысит предел при частичном закрытии, что ускоряет старение упаковочного материала; Короткое замыкание может привести к возникновению дуги на стороне постоянного тока. Согласно статистике фотоэлектрической электростанции мощностью 5 МВт, отказы диодов составляют 18% отказов компонентов, что приводит к ежегодным потерям более 500 000 кВтч электроэнергии.
Влияние на уровне инвертора: короткое замыкание выпрямительного диода может привести к неконтролируемому напряжению на шине постоянного тока, что приведет к взрыву модуля IGBT; Разомкнутая цепь приводит к прерывистому входному току, вызывающему шум и вибрацию трансформатора.
2. Система хранения энергии.
Влияние на балансировку батареи: разомкнутая цепь диода балансировочной цепи может привести к увеличению нестабильности работы аккумуляторной батареи и сокращению срока службы батареи; Короткое замыкание может привести к перезарядке/переразрядке. Из-за неисправности балансировочного диода в одном проекте накопительной электростанции скорость снижения емкости аккумуляторной батареи увеличилась с 3% в год до 8% в год.
Влияние преобразования постоянного/постоянного тока: Открытая цепь синхронного выпрямительного диода может привести к снижению эффективности более чем на 10%; Короткое замыкание может привести к превышению выходного напряжения.
3. Система зарядки электромобилей.
Влияние модуля зарядки: короткое замыкание диода цепи PFC может привести к тому, что степень искажения входного тока превысит стандарт, что приведет к срабатыванию защиты сети; Разрыв цепи приведет к падению коэффициента мощности ниже 0,7 и приведет к штрафу со стороны электросети.
Воздействие автомобильного зарядного устройства: Разомкнутая цепь выходного выпрямительного диода приведет к прерыванию зарядки; Короткое замыкание может привести к перенапряжению в аккумуляторе. В одном инциденте с отзывом автомобилей более 20 000 автомобилей были отозваны из-за риска короткого замыкания выходного диода.
4. Диагностика неисправностей и стратегия защиты.
1. Технология онлайн-мониторинга
Мониторинг напряжения/тока: мониторинг напряжения и тока на диоде в режиме реального времени с помощью датчиков Холла, срабатывающий сигнал тревоги в случае ненормального колебания, превышающего 10%.
Infrared temperature measurement: Infrared thermal imager is used to monitor the surface temperature of the diode. When the junction temperature exceeds the limit (such as SiC diode>175 градусов), он автоматически выключится.
Анализ спектра импеданса. Путем подачи высокочастотных-сигналов для определения эквивалентного последовательного сопротивления диодов импеданс приближается к бесконечности в разомкнутой цепи и к нулю при коротком замыкании.
2. Резервированная конструкция
Параллельное резервирование: несколько диодов подключены параллельно в критических цепях, и система может продолжать работать даже в случае единичной неисправности. Например, в одном ветроэнергетическом инверторе используются 4 параллельных SiC-диода, и эффективность системы снижается только на 2% после одного разомкнутой цепи.
Резервный путь: установите механический переключатель параллельно диоду в цепи защиты от обратного хода и автоматически переключайтесь на путь переключения при выходе из строя диода.
3. Модернизация материалов и процессов
Влагостойкая упаковка: керамическая или герметичная упаковка используется для проверки надежности посредством двойного испытания 85 (85 градусов/85% относительной влажности/1000 часов).
Пайка с низким напряжением. Используйте-бессвинцовый припой и эластичные выводы, чтобы проверить усталостную прочность посредством испытаний на вибрацию (например, 5–2000 Гц/10 g).
5. Практический пример: неисправность диода в морском преобразователе энергии ветра
Один морской ветроэнергетический проект расположен в зоне, подверженной тайфунам, и в оригинальной конструкции использовались обычные кремниевые-диоды. Через 2 года эксплуатации несколько выводов диодов были разорваны (обрыв цепи) из-за вибрации, а 3 диода закорочены из-за коррозии солевым туманом. Неисправность, вызывающая:

Прерывание передачи энергии: 12 инверторов отключены, что приводит к ежедневным потерям более 50 МВт электроэнергии на каждый инвертор;
Повреждение цепи оборудования: взрыв модуля IGBT из-за короткого замыкания, стоимость ремонта превышает 2 миллиона юаней;
Ухудшение стабильности системы: разомкнутая цепь приводит к прерывистому входному току, а шум трансформатора достигает 85 дБ (расчетное значение).<65dB).
План улучшения включает в себя:

Модернизация устройства: замена диодов SiC и керамической упаковки;
Усиление конструкции: использование вибропоглощающих кронштейнов и трех устойчивых покрытий;
Модернизация мониторинга: установка инфракрасных датчиков температуры и вибрации.
После усовершенствования система работала непрерывно в течение 3 лет без каких-либо отказов диодов, при этом ежегодное увеличение выработки электроэнергии составило 12 %, а затраты на техническое обслуживание снизились на 70 %.