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耐磨热电偶

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金属氧化物耐磨热电偶 V-A 温度特性研究

来源:www.designsbykn.com作者:发表时间:2019-11-04

    摘 要: 交流金属氧化物耐磨热电偶( 简称 MOA) 的工作特性完全依赖于其 V - A 特性,由于 V - A 特 性对温度的敏感性,导致多柱并联耐磨热电偶暂态过程中柱间负荷应力分布极不均匀,运行中出现过 多起损坏事故。本文搭建了试验平台对多柱耐磨热电偶不同温度下的 V - A 特性进行了深入研究。研 究结果表明: MOA 的 V - A 特性具有明显的温度特性,在 0 ~ 1 200 A 电流区具有明显的负温度系 数,在 > 1 200 A 非线性区具有正温度系数。暂态温升中耐磨热电偶柱间电流分布不均匀系数远大于静 态,从而导致阻抗处于极小值的柱吸收更多的能量,且在负温度系数特性下形成恶性循环,直至能 量密度超过极限耐受能力而损坏。

    引言
    交流金属氧化物耐磨热电偶( 以下简称 MOA) 以其 优异的限压特性、能量吸收能力和持久的抗老化特 性广泛用于交直流电力系统限制多种暂态过电压。 利用其灵活的多柱并联结构可以方便地实现对串 联补偿装置中电容器、大容量并联电容器组、直流中性母线等设备的过电压防护[1 - 3]。但对于多柱并联 MOA 由于暂态中需要吸收巨大的能量,产生很高的瞬态温升,电阻片的温度特性敏感性会导致MOA 特性变异,并联各柱间的暂态负荷应力的极端 不均匀。运行经验表明: 多柱并联 MOA 在瞬间通过大电流、吸收高能量时柱间的电流分布不均匀常导致某柱负荷过重损坏[4 - 5]。因此深入研究 MOA 的暂态温度特性对合理控制柱间配合参数、保证 MOA 安全运行具有重要意义。

    本文以某制造厂生产的 500 kV 交流输电系统 串联补偿装置 MOV 为例,对电阻片不同温度下的V - A 特性、电压 - 温度特性和相应的温度系数展 开了试验研究,并分析了暂态过程中柱间的负荷 分布。

    对于多柱并联 MOA,为了避免暂态过程中柱间 负荷应力分布的不均匀,设计制造中制造厂对并联各柱的 V - A 特性均进行了严格的参数均一性筛 选[6 - 9],通常控制静态下工作区的电流分布不均匀 系数小于 10% ,甚至更低。但当 MOA 吸收巨大的过电压能量后,会产生可观的温升[10]。由于电阻片 的极度非线性,MOA 的 V - A 特性是温度、电压幅 值、波形等多因素的函数[11],因此依据 MOA 实际运 行工况分区段研究不同温度下电阻片 V - A 特性。  

    1 试品选取和试验方法
    参照制造厂的均一性控制指标,试验选取 3 个 初始参数接近一致的 MOV 电阻片作为试品,见图 1。试品初始参数见表 1。

 

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    考虑 MOA 的实际运行工况在不同的电流区段 使用不同的试验波形,稳态持续运行电压下,即 MOA 工 作 在 小 电 流 区,采 用 工 频 试 验 电 压; 在 1 mA ~ 2 kA 极度非线性工作区段,采用 30 /60 μs 的 操作冲击电流波。在不同区段采用相应的电压、电 流测试装置测试不同区段电阻片的 V - A 特性和电压 - 温度特性。试验中使用烘箱加热电阻片来获得不同的温度见图 2,通过热电偶实时监测试品温 度,通过套管向试品施加试验电源和测取电压、 电流。

 

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    运行中,当系统出现严重的单相接地故障时, MOA 吸收过电压能量造成的温升在 50 ~ 60 ℃,因此试验中试验温升取为 60 ℃,初始温度为 10 ℃,试验最高温度为 70 ℃。 2 小电流区的电压 - 温度特性 在小电流区段采用工频电压波,依次测取电阻 片在 1 ~ 7 mA 电流幅值下的电压,为了消除分散性 每个电流点测试 3 次,取平均值。由于 MOA 的非 线性,电压、电流均取峰值[12]。电阻片小电流区在 多个温度下的伏安特性曲线见图 3。

 

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    由图 3 可知: 电流不同时,V - A 特性曲线的电压 - 温度特性差别较大,等值阻抗呈现明显的负温 度系数特性。 图 4 为不同电流下的电压 - 温度特性曲线。

 

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    表 2 和表 3 为不同温度下电阻片的电压 - 温度梯度和电压 - 温度系数。本文定义电压 - 温度梯度为单位温升引起的电压变化量,基准值为该段下 限温度对应的电压值; 电压 - 温度系数为单位温升引起的电压变化百分数,基准值为该段下限温度对 应的电压值。阻抗温度系数为相应区段电压与电流的比值变化量,基准值为该段下限电压、电流对 应的阻抗值; 电流一定时,电压温度系数与阻抗温 度系数相同。

 

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    表中数据表明: 电阻片的温度系数随温度和电流范围不同差别较大,MOA 在小电流区随着电流的 增大,电压温度系数绝对值逐渐减小,常温下在电 阻片 V - A 特性转折区 2 ~ 3 mA 附近,温度系数的 绝对值较大。在 MOA 运行的暂态温度 50 ~ 70 ℃范 围内,温度系数绝对值达到最大值 - 0. 435,这对运 行荷电率较高的多柱并联的 MOA 运行安全极其 不利。 3 非线性工作区电压 - 温度特性 在 200 A ~ 2 kA 非线性工作区段,MOA 主要承受操作波作用[13 - 14],因此采用 30 /60 μs 操作冲击电流波,依次测取电阻片在 200 A ~ 2 kA 电流幅值 下的电压,间隔电流级差为 200 A。对试验测得数据进行 U = AkIα( 0 < α < 1) 函数拟合,得到如图 5所示的 MOV 电阻片在多个温度下非线性工作区的伏安特性曲线。

 

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    由图 4、图 5 可知,V - A 特性曲线呈现的温度系数特性由负转正,转折点在 1 200 A 左右。不同 电流下,V - A 特性曲线的电压 - 温度特性存在一定差异,但在各电流下电压 - 温度系数均较小。 200 A ~ 2 kA 不同电流点对应的电压 - 温度曲线见 图 6。

 

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    由图 6 可知,随着电流的增大,电压 - 温度曲 线斜率即温度系数由负变正,但变化较缓慢。利用 Origin 对图中的每条曲线进行线性拟合,得到如表 4 和表 5 所示的电压 - 温度梯度和电压 - 温度系数。

    表中数据表明: 在 200 A ~ 2 kA 非线性工作区 段,MOA 电压温度系数呈 U 型曲线变化,由负值过 渡到正值,转折点随温度升高而更早出现,温度系 数绝对值远小于小电流区段。 试验测得 MOA 电阻片在不同温度下小电流区 和非线性工作区的 V - A 特性见图 7。 多柱并联 MOA 的运行经验表明[15 - 17]: 稳态运 行时 MOA 工作在小电流区,每柱流过的电流很小, 为几十微安至几毫安; MOA 动作时单柱通过的电流 约为几百安培。实验结果表明: 电阻片 V - A 特性具有明显的温度特性,在几毫安 - 几百安区段电阻片均显示负温度系数特性,即电阻片在稳态和暂态运行时,等值阻抗均具有负温度系数。

 

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    4 结论
    本文结合工程应用背景通过对 MOA 电阻片在小电流区和非线性工作区的 V - A 温度特性、电 压 - 温度系数等特性的研究,得出研究结论如下:

    1) MOA V - A 特性对温度有明显的敏感性,在 1 mA ~ 2 kA 工作范围内,电压 - 温度特性( 阻抗特 性) 具有明显的负温度系数特性。小电流区的阻抗温度系数大于非线性工作区段; 当电流大于 2 kA 后,V - A 特性随温度升高残压增大。

    2) MOA 的电压 - 温度特性( 阻抗特性) 具有由负值 - 正值变化特性,转折点与温度有关,在常温 下,转折点位于 V - A 特性转折点附近; 50 ~ 70 ℃高温下,转折点位于 1 ~ 2 kA 电流下,最大温度系数出现在 1 ~ 5 mA 范围,其值高达 - 0. 435% /℃。

    3) 暂态温升下 MOA 电压 - 温度特性的温度系 数远大于静态常温时,因此多柱并联 MOA 柱间的 特性均一性控制必须考虑暂态温升的影响,合理进行均一性控制方法和确定冗余。

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