上自仪浅析金属氧化物导电性粉末涂料铂铑热电偶芯 V－A 温度特性研究

    导电性粉末涂料铂铑热电偶芯引言
    交流金属氧化物导电性粉末涂料铂铑热电偶芯( 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，对导电性粉末涂料铂铑热电偶芯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 试品选取导电性粉末涂料铂铑热电偶芯和试验方法
    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。

    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。导电性粉末涂料铂铑热电偶芯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。

    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。

    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。

    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。导电性粉末涂料铂铑热电偶芯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。

    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］，导电性粉末涂料铂铑热电偶芯因此采用 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。

    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。

    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。

    表中数据导电性粉末涂料铂铑热电偶芯表明: 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 － 导电性粉末涂料铂铑热电偶芯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。

    4 导电性粉末涂料铂铑热电偶芯结论
    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。