Hậu quả của việc đoản mạch hoặc hở mạch diode trên hệ thống năng lượng là gì?

一, Phản ứng dây chuyền của lỗi ngắn mạch diode
1. Cơ chế ngắn mạch và điều kiện kích hoạt
Đoản mạch diode thường xảy ra do hỏng chip, nứt bao bì hoặc hàn kém. Trong môi trường nhiệt độ và độ ẩm cao, sự hấp thụ và giãn nở độ ẩm của vật liệu đóng gói có thể khiến lớp kim loại hóa bên trong bị vỡ; Trong các tình huống quá điện áp, các điểm nối PN có thể dẫn điện vĩnh viễn do sự cố tuyết lở. Ví dụ, một dự án biến tần quang điện đã gặp phải hiện tượng đoản mạch trong vòng 10ms do quá điện áp ngược của diode do sét đánh.

2. Tác động ở cấp độ hệ thống
(1) Thay đổi đường truyền năng lượng
Hỏng mạch chỉnh lưu: Trong mạch chỉnh lưu cầu, nếu một diode bị đoản mạch sẽ gây ra hiện tượng dẫn điện trực tiếp giữa hai bên AC và DC, dẫn đến bão hòa máy biến áp hoặc cuộn cảm. Do chập mạch trong diode chỉnh lưu của một dự án hệ thống lưu trữ năng lượng nào đó, dòng điện đầu vào tăng gấp ba lần giá trị định mức và máy biến áp bị cháy trong vòng 5 giây.
Đoản mạch ở mạch quay tự do: Trong mạch truyền động động cơ hoặc mạch tích trữ năng lượng cảm ứng,-đoản mạch ở điốt quay tự do có thể làm hỏng đường phản hồi năng lượng. Ví dụ, trong một dự án biến tần xe điện nào đó, do chập mạch ở diode quay tự do, lực điện động ngược của động cơ tác động trực tiếp lên thiết bị điện, khiến mô-đun IGBT phát nổ trong vòng 100 μs.
(2) Lỗi cơ chế bảo vệ
Lỗi bảo vệ chống đảo ngược: Trong các hệ thống DC, đoản mạch ở diode chống đảo ngược có thể gây hư hỏng trực tiếp cho thiết bị khi cực nguồn bị đảo ngược. Dự án UPS tại một trung tâm dữ liệu nào đó đã bị thiệt hại hơn 500.000 nhân dân tệ do-đoản mạch của diode chống đảo ngược, khiến mô-đun chỉnh lưu bị cháy trong quá trình bảo trì sai sót.
Bỏ qua bảo vệ quá áp: Đoản mạch diode TVS sẽ làm mất chức năng kẹp và quá điện áp sẽ được truyền trực tiếp đến mạch tiếp theo. Do chập mạch đi-ốt TVS trong một dự án mảng quang điện nhất định, điện áp đầu ra của các bộ phận đã tăng vọt lên 1000V (định mức 600V), gây ra lỗi biến tần-quy mô lớn.
(3) Nguy cơ thoát nhiệt
Đoản mạch gây ra sự thay đổi đường dẫn dòng điện, dẫn đến mật độ dòng điện cục bộ tăng đáng kể. Thử nghiệm của một dự án chuyển đổi năng lượng gió cho thấy sau khi đoản mạch diode, nhiệt độ tiếp giáp của các thiết bị điện liền kề tăng từ 85 độ lên 200 độ trong vòng 2 giây, gây ra hiện tượng thoát nhiệt dây chuyền.

2, Mối nguy hiểm hệ thống của lỗi hở mạch diode
1. Cơ chế hở mạch và các kịch bản điển hình
Hở mạch thường do đứt mối hàn, đứt phoi hoặc đứt dây dẫn. Trong môi trường rung động (chẳng hạn như xe điện), gãy xương do mỏi chì là nguyên nhân phổ biến; Trong trường hợp nhiệt độ cao, sự không phù hợp giữa hệ số giãn nở nhiệt của bao bì và chip có thể dẫn đến nứt.

2. Tác động ở cấp độ hệ thống
(1) Gián đoạn truyền tải năng lượng
Mất đầu ra chỉnh lưu: Trong mạch chỉnh lưu ba pha-, nếu một diode bị hở mạch, nó sẽ làm tăng gợn sóng điện áp đầu ra. Một dự án cung cấp điện công nghiệp nào đó đã khiến gợn sóng điện áp đầu ra tăng từ 5% lên 30% do hở mạch của diode, dẫn đến thiết bị tải hoạt động sai.
Mạch quay tự do bị ngắt kết nối: Trong mạch lưu trữ năng lượng cảm ứng, một diode quay tự do mở có thể khiến năng lượng của cuộn cảm không được giải phóng ở đâu cả, dẫn đến tăng vọt điện áp. Một dự án trình điều khiển đèn LED nhất định đã gặp phải hiện tượng điện áp cuộn cảm tăng vọt lên 800V (định mức 400V) do hở mạch trong diode quay tự do, dẫn đến hỏng MOSFET.
(2) Mất chức năng bảo vệ
Lỗi bảo vệ quá dòng: Trong nhóm diode song song, nếu một trong các điốt bị hở thì các điốt còn lại cần phải chịu dòng điện lớn hơn. Một dự án mạch cân bằng pin lưu trữ năng lượng nào đó đã gây ra tình trạng quá tải và cháy nổ của các điốt khác do một điốt bị hở mạch, dẫn đến việc sạc quá mức bộ pin.
Lỗi chức năng cách ly: Trong bảo vệ cấp độ mô-đun quang điện, mạch hở trong điốt rẽ nhánh có thể làm trầm trọng thêm hiệu ứng điểm nóng. Do mạch hở của diode bypass trong một dự án nhà máy quang điện nào đó, nhiệt độ của một bộ phận nào đó đã tăng lên 150 độ dưới sự cản trở của bóng tối, gây vỡ kính.
(3) Độ ổn định của hệ thống giảm
Mạch hở có thể gây ra những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạch, có thể dẫn đến cộng hưởng hoặc dao động. Một dự án mô-đun sạc xe điện nào đó đã gặp phải hiện tượng hở mạch đi-ốt, khiến mạch cộng hưởng LLC bị lệch và điện áp đầu ra dao động hơn ± 15%, dẫn đến việc tắt bảo vệ.

3, Hậu quả sự cố trong các hệ thống năng lượng điển hình
1. Hệ thống phát điện quang điện
Tác động ở cấp độ thành phần: Hở mạch trong diode bypass có thể khiến nhiệt độ điểm nhiệt của thành phần vượt quá giới hạn khi bị tắc nghẽn một phần, đẩy nhanh quá trình lão hóa của vật liệu đóng gói; Đoản mạch có thể gây ra lỗi hồ quang phía DC. Theo thống kê từ một nhà máy quang điện 5MW, lỗi diode chiếm 18% số lỗi linh kiện, dẫn đến tổn thất phát điện hàng năm trên 500.000 kWh điện.
Tác động đến mức biến tần: Sự ngắn mạch của diode chỉnh lưu có thể gây ra điện áp bus DC không được kiểm soát, dẫn đến nổ mô-đun IGBT; Hở mạch dẫn đến dòng điện đầu vào không liên tục, gây ra tiếng ồn và rung động cho máy biến áp.
2. Hệ thống lưu trữ năng lượng
Tác động cân bằng pin: Hở mạch trong diode mạch cân bằng có thể dẫn đến tăng sự không nhất quán trong bộ pin và rút ngắn tuổi thọ của chu kỳ; Đoản mạch có thể gây ra quá tải/xả quá mức. Do sự cố ở diode cân bằng của một dự án nhà máy điện lưu trữ năng lượng nào đó, tốc độ suy giảm công suất của bộ pin đã tăng từ 3%/năm lên 8%/năm.
Tác động của chuyển đổi DC/DC: Hở mạch của diode chỉnh lưu đồng bộ có thể dẫn đến giảm hiệu suất hơn 10%; Đoản mạch có thể gây ra hiện tượng quá điện áp đầu ra.
3. Hệ thống sạc xe điện
Tác động của mô-đun sạc: Đoản mạch diode mạch PFC có thể khiến tốc độ biến dạng dòng điện đầu vào vượt quá tiêu chuẩn, kích hoạt bảo vệ lưới điện; Hở mạch sẽ khiến hệ số công suất giảm xuống dưới 0,7 và khiến lưới điện bị phạt.
Tác động của bộ sạc ô tô: Hở mạch diode chỉnh lưu đầu ra sẽ gây gián đoạn quá trình sạc; Đoản mạch có thể gây ra quá điện áp trong pin. Trong một sự cố thu hồi xe nhất định, hơn 20000 xe đã bị triệu hồi do nguy cơ chập mạch diode đầu ra.
4, Chiến lược chẩn đoán và bảo vệ lỗi
1. Công nghệ giám sát trực tuyến
Giám sát điện áp/dòng điện: Giám sát thời gian thực về điện áp và dòng điện trên diode thông qua cảm biến Hall, kích hoạt cảnh báo nếu có biến động bất thường vượt quá 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 độ), nó sẽ tự động tắt.
Phân tích phổ trở kháng: Bằng cách đưa các tín hiệu tần số-cao vào để phát hiện điện trở nối tiếp tương đương của điốt, trở kháng sẽ tiến đến vô cùng trong mạch hở và bằng 0 khi đoản mạch.
2. Thiết kế dư thừa
Dự phòng song song: Nhiều điốt được kết nối song song trong các mạch quan trọng và hệ thống vẫn có thể hoạt động trong trường hợp xảy ra một lỗi duy nhất. Ví dụ, một bộ biến tần năng lượng gió nào đó sử dụng 4 điốt SiC song song và hiệu suất hệ thống chỉ giảm 2% sau một lần hở mạch.
Đường dẫn dự phòng: Lắp công tắc cơ song song với diode trong mạch chống đảo chiều, tự động chuyển sang đường dẫn chuyển mạch khi diode bị hỏng.
3. Nâng cấp vật liệu và quy trình
Bao bì chống ẩm: bao bì bằng gốm hoặc kín khí được sử dụng để xác minh độ tin cậy thông qua thử nghiệm kép 85 (85 độ /85% RH/1000h).
Hàn áp suất thấp: Sử dụng chất hàn không chứa chì và dây dẫn đàn hồi để xác minh khả năng chống mỏi thông qua kiểm tra độ rung (chẳng hạn như 5-2000Hz/10g).
5, Nghiên cứu điển hình: Lỗi điốt trong bộ chuyển đổi điện gió ngoài khơi
Một dự án điện gió ngoài khơi nằm trong khu vực dễ xảy ra bão và thiết kế ban đầu sử dụng điốt-làm bằng silicon thông thường. Sau 2 năm vận hành, nhiều dây dẫn diode bị đứt (hở mạch) do rung, 3 diode bị chập mạch do ăn mòn phun muối. Sự cố gây ra:

Gián đoạn truyền tải năng lượng: 12 bộ biến tần ngừng hoạt động, dẫn đến tổn thất điện năng phát mỗi ngày trên 50 MWh trên mỗi bộ biến tần;
Hư hỏng dây chuyền thiết bị: Nổ mô-đun IGBT do chập điện, chi phí sửa chữa vượt quá 2 triệu nhân dân tệ;
Suy giảm độ ổn định của hệ thống: Hở mạch dẫn đến dòng điện đầu vào không liên tục và tiếng ồn của máy biến áp đạt tới 85dB (thiết kế<65dB).
Kế hoạch cải tiến bao gồm:

Nâng cấp thiết bị: Thay thế bằng điốt SiC và bao bì gốm;
Gia cố kết cấu: sử dụng giá đỡ giảm rung và ba lớp phủ chống rung;
Nâng cấp giám sát: Triển khai cảm biến nhiệt độ và rung hồng ngoại.
Sau khi cải tiến, hệ thống đã hoạt động liên tục trong 3 năm mà không gặp sự cố diode nào, với mức tăng sản lượng điện hàng năm là 12% và giảm chi phí bảo trì 70%.