上自儀淺析金屬氧化物導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯 V－A 溫度特性研究

    導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯引言
    交流金屬氧化物導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯( 以下簡(jiǎn)稱 MOA) 以其 優(yōu)異的限壓特性、能量吸收能力和持久的抗老化特 性廣泛用于交直流電力系統(tǒng)限制多種暫態(tài)過(guò)電壓。 利用其靈活的多柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)串 聯(lián)補(bǔ)償裝置中電容器、大容量并聯(lián)電容器組、直流中性母線等設(shè)備的過(guò)電壓防護(hù)［1 － 3］。但對(duì)于多柱并聯(lián) MOA 由于暫態(tài)中需要吸收巨大的能量，產(chǎn)生很高的瞬態(tài)溫升，電阻片的溫度特性敏感性會(huì)導(dǎo)致MOA 特性變異，并聯(lián)各柱間的暫態(tài)負(fù)荷應(yīng)力的極端 不均勻。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明: 多柱并聯(lián) MOA 在瞬間通過(guò)大電流、吸收高能量時(shí)柱間的電流分布不均勻常導(dǎo)致某柱負(fù)荷過(guò)重?fù)p壞［4 － 5］。因此深入研究 MOA 的暫態(tài)溫度特性對(duì)合理控制柱間配合參數(shù)、保證 MOA 安全運(yùn)行具有重要意義。

    本文以某制造廠生產(chǎn)的 500 kV 交流輸電系統(tǒng) 串聯(lián)補(bǔ)償裝置 MOV 為例，對(duì)導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯電阻片不同溫度下的V － A 特性、電壓 － 溫度特性和相應(yīng)的溫度系數(shù)展 開了試驗(yàn)研究，并分析了暫態(tài)過(guò)程中柱間的負(fù)荷 分布。

    對(duì)于多柱并聯(lián) MOA，為了避免暫態(tài)過(guò)程中柱間 負(fù)荷應(yīng)力分布的不均勻，設(shè)計(jì)制造中制造廠對(duì)并聯(lián)各柱的 V － A 特性均進(jìn)行了嚴(yán)格的參數(shù)均一性篩 選［6 － 9］，通常控制靜態(tài)下工作區(qū)的電流分布不均勻 系數(shù)小于 10% ，甚至更低。但當(dāng) MOA 吸收巨大的過(guò)電壓能量后，會(huì)產(chǎn)生可觀的溫升［10］。由于電阻片 的極度非線性，MOA 的 V － A 特性是溫度、電壓幅 值、波形等多因素的函數(shù)［11］，因此依據(jù) MOA 實(shí)際運(yùn) 行工況分區(qū)段研究不同溫度下電阻片 V － A 特性。  

    1 試品選取導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯和試驗(yàn)方法
    參照制造廠的均一性控制指標(biāo)，試驗(yàn)選取 3 個(gè) 初始參數(shù)接近一致的 MOV 電阻片作為試品，見圖 1。試品初始參數(shù)見表 1。

    考慮 MOA 的實(shí)際運(yùn)行工況在不同的電流區(qū)段 使用不同的試驗(yàn)波形，穩(wěn)態(tài)持續(xù)運(yùn)行電壓下，即 MOA 工 作 在 小 電 流 區(qū)，采 用 工 頻 試 驗(yàn) 電 壓; 在 1 mA ～ 2 kA 極度非線性工作區(qū)段，采用 30 /60 μs 的 操作沖擊電流波。在不同區(qū)段采用相應(yīng)的電壓、電 流測(cè)試裝置測(cè)試不同區(qū)段電阻片的 V － A 特性和電壓 － 溫度特性。導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯試驗(yàn)中使用烘箱加熱電阻片來(lái)獲得不同的溫度見圖 2，通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試品溫 度，通過(guò)套管向試品施加試驗(yàn)電源和測(cè)取電壓、 電流。

    運(yùn)行中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的單相接地故障時(shí)， MOA 吸收過(guò)電壓能量造成的溫升在 50 ～ 60 ℃，因此試驗(yàn)中試驗(yàn)溫升取為 60 ℃，初始溫度為 10 ℃，試驗(yàn)最高溫度為 70 ℃。 2 小電流區(qū)的電壓 － 溫度特性 在小電流區(qū)段采用工頻電壓波，依次測(cè)取電阻 片在 1 ～ 7 mA 電流幅值下的電壓，為了消除分散性 每個(gè)電流點(diǎn)測(cè)試 3 次，取平均值。由于 MOA 的非 線性，電壓、電流均取峰值［12］。電阻片小電流區(qū)在 多個(gè)溫度下的伏安特性曲線見圖 3。

    由圖 3 可知: 電流不同時(shí)，V － A 特性曲線的電壓 － 溫度特性差別較大，等值阻抗呈現(xiàn)明顯的負(fù)溫 度系數(shù)特性。 圖 4 為不同電流下的電壓 － 溫度特性曲線。

    表 2 和表 3 為不同溫度下電阻片的電壓 － 溫度梯度和電壓 － 溫度系數(shù)。本文定義電壓 － 溫度梯度為單位溫升引起的電壓變化量，基準(zhǔn)值為該段下 限溫度對(duì)應(yīng)的電壓值; 電壓 － 溫度系數(shù)為單位溫升引起的電壓變化百分?jǐn)?shù)，基準(zhǔn)值為該段下限溫度對(duì) 應(yīng)的電壓值。導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯阻抗溫度系數(shù)為相應(yīng)區(qū)段電壓與電流的比值變化量，基準(zhǔn)值為該段下限電壓、電流對(duì)應(yīng)的阻抗值; 電流一定時(shí)，電壓溫度系數(shù)與阻抗溫度系數(shù)相同。

    表中數(shù)據(jù)表明: 電阻片的溫度系數(shù)隨溫度和電流范圍不同差別較大，MOA 在小電流區(qū)隨著電流的 增大，電壓溫度系數(shù)絕對(duì)值逐漸減小，常溫下在電 阻片 V － A 特性轉(zhuǎn)折區(qū) 2 ～ 3 mA 附近，溫度系數(shù)的 絕對(duì)值較大。在 MOA 運(yùn)行的暫態(tài)溫度 50 ～ 70 ℃范 圍內(nèi)，溫度系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到最大值 － 0． 435，這對(duì)運(yùn) 行荷電率較高的多柱并聯(lián)的 MOA 運(yùn)行安全極其 不利。 3 非線性工作區(qū)電壓 － 溫度特性 在 200 A ～ 2 kA 非線性工作區(qū)段，MOA 主要承受操作波作用［13 － 14］，導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯因此采用 30 /60 μs 操作沖擊電流波，依次測(cè)取電阻片在 200 A ～ 2 kA 電流幅值 下的電壓，間隔電流級(jí)差為 200 A。對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行 U = AkIα( 0 ＜ α ＜ 1) 函數(shù)擬合，得到如圖 5所示的 MOV 電阻片在多個(gè)溫度下非線性工作區(qū)的伏安特性曲線。

    由圖 4、圖 5 可知，V － A 特性曲線呈現(xiàn)的溫度系數(shù)特性由負(fù)轉(zhuǎn)正，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在 1 200 A 左右。不同 電流下，V － A 特性曲線的電壓 － 溫度特性存在一定差異，但在各電流下電壓 － 溫度系數(shù)均較小。 200 A ～ 2 kA 不同電流點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓 － 溫度曲線見 圖 6。

    由圖 6 可知，隨著電流的增大，電壓 － 溫度曲 線斜率即溫度系數(shù)由負(fù)變正，但變化較緩慢。利用 Origin 對(duì)圖中的每條曲線進(jìn)行線性擬合，得到如表 4 和表 5 所示的電壓 － 溫度梯度和電壓 － 溫度系數(shù)。

    表中數(shù)據(jù)導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯表明: 在 200 A ～ 2 kA 非線性工作區(qū) 段，MOA 電壓溫度系數(shù)呈 U 型曲線變化，由負(fù)值過(guò) 渡到正值，轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨溫度升高而更早出現(xiàn)，溫度系 數(shù)絕對(duì)值遠(yuǎn)小于小電流區(qū)段。 試驗(yàn)測(cè)得 MOA 電阻片在不同溫度下小電流區(qū) 和非線性工作區(qū)的 V － A 特性見圖 7。 多柱并聯(lián) MOA 的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明［15 － 17］: 穩(wěn)態(tài)運(yùn) 行時(shí) MOA 工作在小電流區(qū)，每柱流過(guò)的電流很小， 為幾十微安至幾毫安; MOA 動(dòng)作時(shí)單柱通過(guò)的電流 約為幾百安培。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 電阻片 V － A 特性具有明顯的溫度特性，在幾毫安 － 導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯幾百安區(qū)段電阻片均顯示負(fù)溫度系數(shù)特性，即電阻片在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行時(shí)，等值阻抗均具有負(fù)溫度系數(shù)。

    4 導(dǎo)電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯結(jié)論
    本文結(jié)合工程應(yīng)用背景通過(guò)對(duì) MOA 電阻片在小電流區(qū)和非線性工作區(qū)的 V － A 溫度特性、電 壓 － 溫度系數(shù)等特性的研究，得出研究結(jié)論如下:

    1) MOA V － A 特性對(duì)溫度有明顯的敏感性，在 1 mA ～ 2 kA 工作范圍內(nèi)，電壓 － 溫度特性( 阻抗特 性) 具有明顯的負(fù)溫度系數(shù)特性。小電流區(qū)的阻抗溫度系數(shù)大于非線性工作區(qū)段; 當(dāng)電流大于 2 kA 后，V － A 特性隨溫度升高殘壓增大。

    2) MOA 的電壓 － 溫度特性( 阻抗特性) 具有由負(fù)值 － 正值變化特性，轉(zhuǎn)折點(diǎn)與溫度有關(guān)，在常溫 下，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于 V － A 特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近; 50 ～ 70 ℃高溫下，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于 1 ～ 2 kA 電流下，最大溫度系數(shù)出現(xiàn)在 1 ～ 5 mA 范圍，其值高達(dá) － 0． 435% /℃。

    3) 暫態(tài)溫升下 MOA 電壓 － 溫度特性的溫度系 數(shù)遠(yuǎn)大于靜態(tài)常溫時(shí)，因此多柱并聯(lián) MOA 柱間的 特性均一性控制必須考慮暫態(tài)溫升的影響，合理進(jìn)行均一性控制方法和確定冗余。