SIC非線(xiàn)性電阻的性能特征

1、 METROSILSIC非線(xiàn)性電阻的性能特征目錄TOC o 1-5 h z前言3 HYPERLINK l bookmark8 一、M&IMETROSIL性能特征41、SiC非線(xiàn)性電阻VI特性：42、SiC非線(xiàn)性電阻組合特性表達(dá)式63、SiC非線(xiàn)性電阻的溫度系數(shù)64、溫升計(jì)算75、SiC非線(xiàn)性電阻的滅磁時(shí)間7 HYPERLINK l bookmark2 6、MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻的時(shí)效性87、MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻的故障損壞形式8 HYPERLINK l bookmark10 二、M&IMETROSIL技術(shù)規(guī)范91、技術(shù)規(guī)范9 HYPERLINK l bookmark12 三

2、、M&IMETROSIL參數(shù)選擇12METROSILSIC非線(xiàn)性電阻的性能特征M&IMaterialsMarkGoodMAN（英）清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室兼職研究員李基成前言M&IMaterials公司為專(zhuān)業(yè)制造以SIC碳化硅材料構(gòu)成的系列非線(xiàn)性電阻全球制造商。位于英國(guó)Trafford工業(yè)園區(qū)的M&IMaterials公司建立至今已有50余年的歷史，在產(chǎn)品銷(xiāo)售方面，特別是對(duì)于其主流產(chǎn)品-一SIC碳化硅非線(xiàn)性電阻，產(chǎn)品應(yīng)用已遍及世界各地，客戶(hù)有ABB、ALSTOM、SIEMENS、AREVA以及VATECHSAT等國(guó)際制造商。在我國(guó)和世界著名的三峽水電廠(chǎng)左岸及右岸26臺(tái)700MW水輪發(fā)電機(jī)

3、組勵(lì)磁系統(tǒng)中均采用了M&IMaterials公司的SiC非線(xiàn)性滅磁電阻。在本文中將對(duì)M&IMaterials公司生產(chǎn)的METROSIL系列的SIC非線(xiàn)性電阻的性能特征、技術(shù)規(guī)范以及參數(shù)選擇等問(wèn)題作一簡(jiǎn)要的敘述。、M&IMETROSIL性能特征1、SiC非線(xiàn)性電阻V-I特性:在評(píng)價(jià)非線(xiàn)性電阻電氣特性時(shí)，通常以非線(xiàn)性電阻系數(shù)予以表述，相應(yīng)表達(dá)式為：V=KIB(1)I=HVa(2)式中：V非線(xiàn)性電阻兩端的電壓；I流過(guò)非線(xiàn)性電阻的電流；K,H非線(xiàn)性電阻位形系數(shù)，與非線(xiàn)性電阻的體積形狀，電阻片的串、并聯(lián)組合以及材質(zhì)有關(guān)；B,a電阻非線(xiàn)性系數(shù)(B=1/a)。對(duì)于SiC非線(xiàn)性電阻，由于在較大的電流變化范圍內(nèi)

4、，其電壓變化范圍相對(duì)的較小，不便于查對(duì)，為此在實(shí)用中多將式(1)及式(2)以對(duì)數(shù)坐標(biāo)形式來(lái)表示。對(duì)于式(1)其對(duì)數(shù)表達(dá)式為：logV=logK+BlogI(3)在以VI表示的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，此時(shí)非線(xiàn)性電阻的伏安特性近似為一條直線(xiàn)，如圖1所示。同理由式（2）可得：logI=logH+alogV（5）當(dāng)V=1時(shí)，在VI特性曲線(xiàn)中，與其對(duì)應(yīng)的電流值I二H。下面討論一下式（1），式（2）中各系數(shù)K,H，a及B之間的關(guān)系式，由式（2）可求得：alT丄丄（6）V=HaXIaH令式（1）等于式（6）,可求得：K=H-卩=丄a整理得：a=JK二H-P（7）對(duì)于應(yīng)用于發(fā)電機(jī)滅磁回路中的MetrosilSiC非線(xiàn)

5、性電阻，當(dāng)其VI特性以V=KIB表示時(shí)，其典型K及B值如表1所示：表1閥片厚度K（對(duì)于單片閥片）B（對(duì)于單片閥片）20mm(0.8”)40to2500.5to0.30.6”1060.40.45”750.40.3”5304選擇不同厚度閥片,不同的接線(xiàn)方式以及K和B參數(shù)值，可滿(mǎn)足各種滅磁工況的需求。2、SiC非線(xiàn)性電阻組合特性表達(dá)式作為滅磁電阻用途的SiC非線(xiàn)性電阻，在實(shí)際應(yīng)用中為了滿(mǎn)足滅磁總?cè)萘康囊?，通常須將電阻片連接為多路串聯(lián)、并聯(lián)接線(xiàn)。其VI特性表達(dá)式將不同于單片的VI表達(dá)式。串聯(lián)表達(dá)式假定單片非線(xiàn)性電阻的V-I特性表達(dá)式為：=KIP如果Ns片串聯(lián)連接，其V-I特性表達(dá)式可寫(xiě)為：二NKIP

6、并聯(lián)表達(dá)式S假定單片非線(xiàn)性電阻V-I特性表達(dá)式為：=KIP當(dāng)Np片非線(xiàn)性電阻并聯(lián)時(shí)，其V-I特性表達(dá)式為：1V二K（）卩N串、并聯(lián)表達(dá)式P假定非線(xiàn)性電阻Np片并聯(lián)，Ns串聯(lián),1V二KNs(5T)p（9）其組合V-I特性表達(dá)式為:（10）3、SiC非線(xiàn)性電阻的溫度系數(shù)P由于SiC非線(xiàn)性電阻的材質(zhì)決定了SiC電阻的溫度特性，其特征是當(dāng)SiC電阻溫度上升時(shí)阻值會(huì)減少。在恒定電流負(fù)載條件下，其兩端電壓隨溫度升高會(huì)減少，或者在恒定電壓負(fù)載下其電流隨溫度上升而增加，呈負(fù)電阻溫度系數(shù)特性。對(duì)于恒定電流負(fù)載而言，負(fù)溫度系數(shù)為：溫度t每增加1C,電流增加0.6%；對(duì)于恒定電壓負(fù)載而言，負(fù)溫度系數(shù)為:溫度t每增加

7、1C,電壓下降0.12%；實(shí)際上，對(duì)于MertrosilsSiC非線(xiàn)性電阻有兩種應(yīng)用情況：a作為浪涌電壓吸收元件，其外加電壓為恒定值，SiC電阻連續(xù)吸收能量，由于泄漏電流的存在會(huì)使溫度增加，在設(shè)計(jì)的SiC電阻冷卻方案時(shí)應(yīng)確保由泄漏電流產(chǎn)生的熱能會(huì)被其元件自然冷卻作用 (11) 所平衡，從而補(bǔ)償了負(fù)電阻溫度系數(shù)的影響。b.作為滅磁電阻使用時(shí)，只在滅磁回路動(dòng)作時(shí)接入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路，而且在滅磁過(guò)程中對(duì)SiC電阻而言，不會(huì)承受一個(gè)連續(xù)作用的恒定電壓。為此負(fù)電阻溫度系數(shù)在滅磁回路投入前是無(wú)影響的，在滅磁過(guò)程中，滅磁作用在短暫的幾秒鐘時(shí)間中已經(jīng)完成，而且滅磁電源是一個(gè)衰減的電壓源，即滅磁電壓非恒定電壓，滅

8、磁電流亦非恒定電流，因此負(fù)電阻溫度系數(shù)的影響是極小的，可到忽略不計(jì)的程度。此外，在選擇用于滅磁回路的SiC電阻容量時(shí)，正確的設(shè)計(jì)應(yīng)確保SiC電阻在吸收滅磁能量的同時(shí)以及在元件自然散條件下，使元件最終溫度不超過(guò)允許值。4、溫升計(jì)算METROSILSiC滅磁電阻的比熱系數(shù)約為084J/gk，元件密度約為2.35g/cm3。依此基本參數(shù)可估算在滅磁過(guò)程中SiC滅磁電阻的溫升。例如，對(duì)于600A/US16/P,spec6298組件，每個(gè)組件16片并聯(lián),整組滅磁電阻由6組件并聯(lián)后再與另外6組件并聯(lián)體串聯(lián)，整組組件片數(shù)為16X6X2為192片。元件直徑150mm,厚度15mm,元件中心孔尺寸為巾15mm。

9、依此可求得整組元件的總體積為:V=192Xn(7.5-075)2X1.5=4122397cm3總重量為：W=41223cm3X2.35g/cm3=96876g=96.876kg根據(jù)比熱P=084J/gk,表明每克SiC滅磁電阻溫度每升高1K所需能量為084J。對(duì)于上述SiC滅磁電阻組件總重為96.876kg,使其每升高1K所需的能量為：W=084X96876J/K=81376J/K=81376KJ/KE如果根據(jù)滅磁系統(tǒng)計(jì)算,在發(fā)電機(jī)發(fā)生突然三相短路時(shí)的滅磁容量為6554KJ，此時(shí)滅磁電阻的最終溫升等于:AT=6554KJ/81376KJ/K=805K室溫取25C，此時(shí)滅磁電阻的溫升為1055K

10、。5、SiC非線(xiàn)性電阻的滅磁時(shí)間對(duì)于采用MetrosilSiC非線(xiàn)性滅磁電阻，M&I公司給出的滅磁時(shí)間T計(jì)算式為:m_(LxI)V(1-紐)0式中：Tm當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流為零時(shí)，完成滅磁全過(guò)程的時(shí)間（s）L發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感值，與發(fā)電機(jī)飽和程度有關(guān)（H）I0滅磁開(kāi)始時(shí)的初始電流值（A）V0滅磁開(kāi)始，非線(xiàn)性電阻流過(guò)初始電流I0時(shí)在其兩端所產(chǎn)生的殘壓值B非線(xiàn)性電阻系數(shù)應(yīng)說(shuō)明的是對(duì)于滅磁時(shí)間并沒(méi)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)定義，在過(guò)去幾十年中，由M&1公司供貨的滅磁系統(tǒng)中，由用戶(hù)提出的滅磁時(shí)間有如下幾種情況：當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流If下降到37.5%下降到10%下降到5%下降到零值，定義為滅磁時(shí)間。此外，由式（11）

11、可看出，在選定非線(xiàn)性滅磁電阻B值的條件下,增加滅磁電阻的殘壓V。是降低滅磁時(shí)間的最有效的措施。6、MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻的時(shí)效性運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：由M&I公司生產(chǎn)的METROSILSiC非線(xiàn)性電阻在運(yùn)行期間，其電氣V-I特性只有輕微的變化，而且此變化不會(huì)影響到并聯(lián)運(yùn)行各支路的電流均衡和匹配，或者說(shuō)不會(huì)影響到整組METROSILSiC非線(xiàn)性電阻的總體性能，也不存在SiC非線(xiàn)性電阻經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后降低標(biāo)稱(chēng)能容量的問(wèn)題，亦即METROSILSiC非線(xiàn)性電阻性能穩(wěn)定，不隨時(shí)間的長(zhǎng)短而發(fā)生變化。電氣性能具有長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效性。7、MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻的故障損壞形式引起MetrosilSiC非線(xiàn)性

12、電阻元件故障損壞形式主要有兩種方式:1）流過(guò)滅磁電阻的電流超過(guò)額定電流值；2）滅磁電阻吸收的滅磁能量超過(guò)規(guī)定滅磁容量值；對(duì)于MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻在滅磁時(shí)以其溫升決定元件的滅磁容量的；例如對(duì)于Spec6298600A/US16/PSiC非線(xiàn)性電阻接線(xiàn)組，當(dāng)元件輸入滅磁容量680KJ時(shí)，元件的溫升不會(huì)超過(guò)80K,輸入滅磁容量為880KJ時(shí)，元件的溫升不會(huì)超過(guò)105K，輸入1250KJ時(shí)，元件溫升不會(huì)超過(guò)130K，如考慮室溫25C,即在任何滅磁方式下，元件的溫度不超過(guò)160C時(shí)，滅磁電阻的運(yùn)行是安全的。如果由于某種原因，使得運(yùn)行中的滅磁電阻元件的滅磁電流或滅磁容量超過(guò)其極限值，則電阻片可

13、能引起故障，并以“電流擊穿”形式使支路中有一片電阻片被擊穿，并在擊穿元件處引起電弧，瞬時(shí)引起類(lèi)似短路情況。如果流過(guò)故障點(diǎn)能量較大，其后故障電阻片會(huì)裂成碎片，最終導(dǎo)致回路開(kāi)路，此故障過(guò)程并不影響到仍處于正常狀態(tài)下其它并聯(lián)支路電阻片正常運(yùn)行。但是，如果發(fā)生這種故障狀態(tài)，M&I公司建議應(yīng)將發(fā)生故障的并聯(lián)支路整組電阻元件予以更換。應(yīng)說(shuō)明的是MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻溫度的增加與滅磁能量注入速度（例如經(jīng)過(guò)3S、4S或5S）無(wú)關(guān)。二、M&IMETROSIL技術(shù)規(guī)范對(duì)于M&I公司所生產(chǎn)的Metrosil600-A系列Sic碳化硅非線(xiàn)性電阻產(chǎn)品依用途不同其規(guī)格亦各有差異：例如作為設(shè)備浪涌過(guò)電壓保護(hù)裝置，

14、屬于長(zhǎng)期通電工作狀態(tài)，其功耗包括有正常通電工耗及浪涌過(guò)電壓時(shí)的浪涌功耗。對(duì)于作為滅磁電阻用途的非線(xiàn)性電阻，在正常工作情況下處于與滅磁回路斷開(kāi)狀態(tài)，無(wú)功耗發(fā)生，在滅磁狀態(tài)下，短時(shí)間（通常不超過(guò)5s）注入最大滅磁能量。滅磁過(guò)程結(jié)束后有足夠的冷卻時(shí)間，很少有連續(xù)發(fā)生相繼滅磁的情況。另外視滅磁容量的不同，SiC非線(xiàn)性電阻的尺寸，直徑大小及厚度亦有所差異。有鑒于此，在本文中僅以應(yīng)用在大中容量水、火電機(jī)組中使用的大容量SiC非線(xiàn)性滅磁電阻一一600-A系列作為述的重點(diǎn)。1、技術(shù)規(guī)范Metrosil600-A系列Sic非線(xiàn)性滅磁電阻部分技術(shù)規(guī)范，如表2所示，外形圖如圖2所示。 M&I600A/US14/PS

15、pec6672600A/US14/PSpec6693600A/US14/PSpec6694600A/US16/PSpec6298600A/US16/PSpec6695M&I600A/US14/PSpec6696600A/US14/PSpec6697600A/US14/PSpec6321600A/US16/PSpec66981414141616元件并聯(lián)16161616厚度mm2020201515元件厚度mm15151111350035003500400040004000400040004000額定能量額定電流時(shí)最大電壓V14001200100011001000額定電流時(shí)最大電壓V90080080

16、070025%額定電流時(shí)最大電壓V重復(fù)使用情況，每次滅磁后，應(yīng)保證有足夠冷卻時(shí)間間隔。（滅磁時(shí)的溫升80C重復(fù)使用情況，每次滅磁后，應(yīng)保證有足夠冷卻時(shí)間間隔。（滅磁時(shí)的溫升105C偶爾發(fā)生情況（滅磁時(shí)的溫升）83569055063557025%額定電流時(shí)最大電壓V525460460395780kJ780kJ780kJ680kJ680kJ重復(fù)使用情況，每次滅磁后，應(yīng)保證有足夠冷卻時(shí)間間隔。（滅磁時(shí)的溫升80C680kJ680kJ510kJ510kJ1000kJ1000kJ1000kJ880kJ880kJ額定能量重復(fù)使用情況，每次滅磁后，應(yīng)保證有足夠冷卻時(shí)間間隔。（滅磁時(shí)的溫升105C880kJ8

17、80kJ650kJ650kJ1250kJ(130Crise)1250kJ(130Crise)1250kJ(130Crise)1050kJ(125Crise)1050kJ(125Crise)偶爾發(fā)生情況（滅磁時(shí)的溫1050kJ(125Crise)1050kJ(125Crise)820kJ(128Crise)820kJ(128Crise)ii對(duì)地絕緣耐壓試驗(yàn)電壓為：5KV/1分鐘。最大連續(xù)運(yùn)行溫度為115C；最大間隔運(yùn)行溫度為：160C。并聯(lián)連接的電阻片之間在電氣上應(yīng)進(jìn)行匹配，并聯(lián)支路數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足訂貨的所有要求。*wiI*mblDoELd-taclIc12MSM&IIMATERIALSLTD.Uutl

18、ireat/PMetgihUnitOHI.MetroailScalfllnt&Sk.m9W12圖2SKM941124外型尺寸圖例如型號(hào)：600A/US14/P/Spec.6672.1400V.3500A.1000KJ其中：600代表滅磁電阻每片元件的直徑為6或d152;A表示元件的形狀為環(huán)形；US14表示每一單個(gè)組件由14片電阻片組成;US表示電阻片間無(wú)間隔；P表示單個(gè)組件中，14片電阻按并聯(lián)連接Spec.6361單個(gè)組件的訂貨代號(hào)1000KJ額定滅磁容量1400V:【大滅磁電壓;3500A額定滅磁電流;根據(jù)滅磁系統(tǒng)的最大滅磁電壓、最大滅磁電流以及最大滅磁容量選擇電阻組件的串、并聯(lián)接線(xiàn)方式。在

19、圖3中示出了所述3種規(guī)格型號(hào)滅磁電阻組件的VI特性曲線(xiàn)。1000 V-ICurvesof600-A/US14/PSpec.6672,600-A/US16/PSpec.6298&600-A/US/PSpec6321Metrosilso6721010100001001000DCorPeakCurrent(Amps)圖3600-A/US14-PSpec.6672,600-A/US16/PSpec.6298,600-A/US/PSpec.6321VI特性三、M&IMETROSIL參數(shù)選擇用戶(hù)在選擇Sic滅磁電阻時(shí)，需提供下列基本參數(shù)：,=i最大滅磁電流，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生突然三相短路時(shí)引起的轉(zhuǎn)子非周期分量幅

20、值電流，可作為最大滅磁電流。通常此電流近似等于3倍發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流。最大滅磁電壓，此電壓等于最大滅磁電流通過(guò)滅磁電阻時(shí)，所產(chǎn)生的殘壓。最大滅磁容量，通常等于當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生突然三相短路時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量。除按上述發(fā)電機(jī)突然三相短路狀態(tài)確定最大滅磁容量外，其它滅磁方式如發(fā)電機(jī)空載，額定以及強(qiáng)勵(lì)等滅磁狀態(tài)的滅磁容量，考慮到一旦發(fā)生發(fā)電機(jī)定子回路主斷路器跳閘后，由于受定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)睾阍砑s束，發(fā)電機(jī)跳閘后轉(zhuǎn)子電流將下降到近于空載勵(lì)磁電流為止。滅磁容量等于空載滅磁容量，對(duì)于空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁方式，由于發(fā)電機(jī)電壓上升到1.3倍額定電壓并經(jīng)0.3秒延時(shí)后，滅磁開(kāi)關(guān)跳閘，此時(shí)的滅磁電流略高與額定勵(lì)磁電流。結(jié)論：M&IMaterials公司作為MetrosilSiC非線(xiàn)性電阻的全球?qū)?業(yè)供應(yīng)商，已有50余年的歷史，產(chǎn)品應(yīng)用已遍及世界各地，其主要用戶(hù)包括ABB、ALSTOM、SIEMENS、AREVA以及VATECHSAT等國(guó)際勵(lì)磁裝置制造商。在中國(guó)的水電