上自儀淺析金屬氧化物導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯 V－A 溫度特性研究

    導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯引言
    交流金屬氧化物導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯( 以下簡稱 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)過電壓。 利用其靈活的多柱并聯(lián)結構可以方便地實現(xiàn)對串 聯(lián)補償裝置中電容器、大容量并聯(lián)電容器組、直流中性母線等設備的過電壓防護［1 － 3］。但對于多柱并聯(lián) MOA 由于暫態(tài)中需要吸收巨大的能量，產生很高的瞬態(tài)溫升，電阻片的溫度特性敏感性會導致MOA 特性變異，并聯(lián)各柱間的暫態(tài)負荷應力的極端 不均勻。運行經(jīng)驗表明: 多柱并聯(lián) MOA 在瞬間通過大電流、吸收高能量時柱間的電流分布不均勻常導致某柱負荷過重損壞［4 － 5］。因此深入研究 MOA 的暫態(tài)溫度特性對合理控制柱間配合參數(shù)、保證 MOA 安全運行具有重要意義。

    本文以某制造廠生產的 500 kV 交流輸電系統(tǒng) 串聯(lián)補償裝置 MOV 為例，對導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 － 溫度特性和相應的溫度系數(shù)展 開了試驗研究，并分析了暫態(tài)過程中柱間的負荷 分布。

    對于多柱并聯(lián) MOA，為了避免暫態(tài)過程中柱間 負荷應力分布的不均勻，設計制造中制造廠對并聯(lián)各柱的 V － A 特性均進行了嚴格的參數(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 MOA 吸收巨大的過電壓能量后，會產生可觀的溫升［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 實際運 行工況分區(qū)段研究不同溫度下電阻片 V － A 特性。  

    1 試品選取導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯和試驗方法
    參照制造廠的均一性控制指標，試驗選取 3 個 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 的實際運行工況在不同的電流區(qū)段 使用不同的試驗波形，穩(wěn)態(tài)持續(xù)運行電壓下，即 MOA 工 作 在 小 電 流 區(qū)，采 用 工 頻 試 驗 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)段采用相應的電壓、電 流測試裝置測試不同區(qū)段電阻片的 V － A 特性和電壓 － 溫度特性。導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯試驗中使用烘箱加熱電阻片來獲得不同的溫度見圖 2，通過熱電偶實時監(jiān)測試品溫 度，通過套管向試品施加試驗電源和測取電壓、 電流。

    運行中，當系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的單相接地故障時， MOA 吸收過電壓能量造成的溫升在 50 ～ 60 ℃，因此試驗中試驗溫升取為 60 ℃，初始溫度為 10 ℃，試驗最高溫度為 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 每個電流點測試 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 多個溫度下的伏安特性曲線見圖 3。

    由圖 3 可知: 電流不同時，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，基準值為該段下 限溫度對應的電壓值; 電壓 － 溫度系數(shù)為單位溫升引起的電壓變化百分數(shù)，基準值為該段下限溫度對 應的電壓值。導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯阻抗溫度系數(shù)為相應區(qū)段電壓與電流的比值變化量，基準值為該段下限電壓、電流對應的阻抗值; 電流一定時，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)絕對值逐漸減小，常溫下在電 阻片 V － A 特性轉折區(qū) 2 ～ 3 mA 附近，溫度系數(shù)的 絕對值較大。在 MOA 運行的暫態(tài)溫度 50 ～ 70 ℃范 圍內，溫度系數(shù)絕對值達到最大值 － 0． 435，這對運 行荷電率較高的多柱并聯(lián)的 MOA 運行安全極其 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，依次測取電阻片在 200 A ～ 2 kA 電流幅值 下的電壓，間隔電流級差為 200 A。對試驗測得數(shù)據(jù)進行 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)特性由負轉正，轉折點在 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 不同電流點對應的電壓 － 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)由負變正，但變化較緩慢。利用 Origin 對圖中的每條曲線進行線性擬合，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，由負值過 渡到正值，轉折點隨溫度升高而更早出現(xiàn)，溫度系 數(shù)絕對值遠小于小電流區(qū)段。 試驗測得 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 的運行經(jīng)驗表明［15 － 17］: 穩(wěn)態(tài)運 行時 MOA 工作在小電流區(qū)，每柱流過的電流很小， 為幾十微安至幾毫安; MOA 動作時單柱通過的電流 約為幾百安培。實驗結果表明: 電阻片 V － A 特性具有明顯的溫度特性，在幾毫安 － 導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯幾百安區(qū)段電阻片均顯示負溫度系數(shù)特性，即電阻片在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運行時，等值阻抗均具有負溫度系數(shù)。

    4 導電性粉末涂料鉑銠熱電偶芯結論
    本文結合工程應用背景通過對 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，得出研究結論如下:

    1) MOA V － A 特性對溫度有明顯的敏感性，在 1 mA ～ 2 kA 工作范圍內，電壓 － 溫度特性( 阻抗特 性) 具有明顯的負溫度系數(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) 具有由負值 － 正值變化特性，轉折點與溫度有關，在常溫 下，轉折點位于 V － A 特性轉折點附近; 50 ～ 70 ℃高溫下，轉折點位于 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 － 0． 435% /℃。

    3) 暫態(tài)溫升下 MOA 電壓 － 溫度特性的溫度系 數(shù)遠大于靜態(tài)常溫時，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，合理進行均一性控制方法和確定冗余。