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耐磨熱電偶

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金屬氧化物耐磨熱電偶 V-A 溫度特性研究

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2019-11-04

    摘 要: 交流金屬氧化物耐磨熱電偶( 簡稱 MOA) 的工作特性完全依賴於其 V - A 特性,由於 V - A 特 性對溫度的敏感性,導致多柱並聯耐磨熱電偶暫態過程中柱間負荷應力分布極不均勻,運行中出現過 多起損壞事故。本文搭建了試驗平台對多柱耐磨熱電偶不同溫度下的 V - A 特性進行了深入研究。研 究結果表明: MOA 的 V - A 特性具有明顯的溫度特性,在 0 ~ 1 200 A 電流區具有明顯的負溫度係 數,在 > 1 200 A 非線性區具有正溫度係數。暫態溫升中耐磨熱電偶柱間電流分布不均勻係數遠大於靜 態,從而導致阻抗處於極小值的柱吸收更多的能量,且在負溫度係數特性下形成惡性循環,直至能 量密度超過極限耐受能力而損壞。

    引言
    交流金屬氧化物耐磨熱電偶( 以下簡稱 MOA) 以其 優異的限壓特性、能量吸收能力和持久的抗老化特 性廣泛用於交直流電力係統限製多種暫態過電壓。 利用其靈活的多柱並聯結構可以方便地實現對串 聯補償裝置中電容器、大容量並聯電容器組、直流中性母線等設備的過電壓防護[1 - 3]。但對於多柱並聯 MOA 由於暫態中需要吸收巨大的能量,產生很高的瞬態溫升,電阻片的溫度特性敏感性會導致MOA 特性變異,並聯各柱間的暫態負荷應力的極端 不均勻。運行經驗表明: 多柱並聯 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 的暫態溫度特性對合理控製柱間配合參數、保證 MOA 安全運行具有重要意義。

    本文以某製造廠生產的 500 kV 交流輸電係統 串聯補償裝置 MOV 為例,對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係數展 開了試驗研究,並分析了暫態過程中柱間的負荷 分布。

    對於多柱並聯 MOA,為了避免暫態過程中柱間 負荷應力分布的不均勻,設計製造中製造廠對並聯各柱的 V - A 特性均進行了嚴格的參數均一性篩 選[6 - 9],通常控製靜態下工作區的電流分布不均勻 係數小於 10% ,甚至更低。但當 MOA 吸收巨大的過電壓能量後,會產生可觀的溫升[10]。由於電阻片 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[11],因此依據 MOA 實際運 行工況分區段研究不同溫度下電阻片 V - A 特性。  

    1 試品選取和試驗方法
    參照製造廠的均一性控製指標,試驗選取 3 個 初始參數接近一致的 MOV 電阻片作為試品,見圖 1。試品初始參數見表 1。

 

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    考慮 MOA 的實際運行工況在不同的電流區段 使用不同的試驗波形,穩態持續運行電壓下,即 MOA 工 作 在 小 電 流 區,采 用 工 頻 試 驗 電 壓; 在 1 mA ~ 2 kA 極度非線性工作區段,采用 30 /60 μs 的 操作衝擊電流波。在不同區段采用相應的電壓、電 流測試裝置測試不同區段電阻片的 V - A 特性和電壓 - 溫度特性。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。

 

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    運行中,當係統出現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 小電流區的電壓 - 溫度特性 在小電流區段采用工頻電壓波,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。由於 MOA 的非 線性,電壓、電流均取峰值[12]。電阻片小電流區在 多個溫度下的伏安特性曲線見圖 3。

 

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    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,等值阻抗呈現明顯的負溫 度係數特性。 圖 4 為不同電流下的電壓 - 溫度特性曲線。

 

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    表 2 和表 3 為不同溫度下電阻片的電壓 - 溫度梯度和電壓 - 溫度係數。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 - 溫度係數為單位溫升引起的電壓變化百分數,基準值為該段下限溫度對 應的電壓值。阻抗溫度係數為相應區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,電壓溫度係數與阻抗溫 度係數相同。

 

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    表中數據表明: 電阻片的溫度係數隨溫度和電流範圍不同差別較大,MOA 在小電流區隨著電流的 增大,電壓溫度係數絕對值逐漸減小,常溫下在電 阻片 V - A 特性轉折區 2 ~ 3 mA 附近,溫度係數的 絕對值較大。在 MOA 運行的暫態溫度 50 ~ 70 ℃範 圍內,溫度係數絕對值達到最大值 - 0. 435,這對運 行荷電率較高的多柱並聯的 MOA 運行安全極其 不利。 3 非線性工作區電壓 - 溫度特性 在 200 A ~ 2 kA 非線性工作區段,MOA 主要承受操作波作用[13 - 14],因此采用 30 /60 μs 操作衝擊電流波,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。對試驗測得數據進行 U = AkIα( 0 < α < 1) 函數擬合,得到如圖 5所示的 MOV 電阻片在多個溫度下非線性工作區的伏安特性曲線。

 

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    由圖 4、圖 5 可知,V - A 特性曲線呈現的溫度係數特性由負轉正,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 - 溫度係數均較小。 200 A ~ 2 kA 不同電流點對應的電壓 - 溫度曲線見 圖 6。

 

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    由圖 6 可知,隨著電流的增大,電壓 - 溫度曲 線斜率即溫度係數由負變正,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 - 溫度係數。

    表中數據表明: 在 200 A ~ 2 kA 非線性工作區 段,MOA 電壓溫度係數呈 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,溫度係 數絕對值遠小於小電流區段。 試驗測得 MOA 電阻片在不同溫度下小電流區 和非線性工作區的 V - A 特性見圖 7。 多柱並聯 MOA 的運行經驗表明[15 - 17]: 穩態運 行時 MOA 工作在小電流區,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 - 幾百安區段電阻片均顯示負溫度係數特性,即電阻片在穩態和暫態運行時,等值阻抗均具有負溫度係數。

 

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    4 結論
    本文結合工程應用背景通過對 MOA 電阻片在小電流區和非線性工作區的 V - A 溫度特性、電 壓 - 溫度係數等特性的研究,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 工作範圍內,電壓 - 溫度特性( 阻抗特 性) 具有明顯的負溫度係數特性。小電流區的阻抗溫度係數大於非線性工作區段; 當電流大於 2 kA 後,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,轉折點位於 V - A 特性轉折點附近; 50 ~ 70 ℃高溫下,轉折點位於 1 ~ 2 kA 電流下,最大溫度係數出現在 1 ~ 5 mA 範圍,其值高達 - 0. 435% /℃。

    3) 暫態溫升下 MOA 電壓 - 溫度特性的溫度係 數遠大於靜態常溫時,因此多柱並聯 MOA 柱間的 特性均一性控製必須考慮暫態溫升的影響,合理進行均一性控製方法和確定冗餘。

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