基于NTC電阻的SF6設(shè)備溫度保持裝置

于春來(lái)，魯 鋼，劉 洋，朱學(xué)成，陳海倫

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

SF6設(shè)備處在低溫情況下，存在液化的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生液化后斷路器的滅弧能力降低，直接威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1－3］。目前，加熱保溫方法是避免SF6氣體液化的最經(jīng)濟(jì)和合理的解決方式。加熱系統(tǒng)通常包括溫控裝置、加熱裝置、遠(yuǎn)方控制、監(jiān)控回路等［2］。加熱保溫方式采用的元器件雖然能夠起到加熱升溫的作用，但是由于元件數(shù)量多、接線復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的可靠性、氣密性等產(chǎn)生不利影響。而且，該方法不能在柱式斷路器上使用，大量的柱式斷路器仍然面臨液化的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文提出了一種采用負(fù)溫度系數(shù)材料作為加熱元件的SF6設(shè)備加熱技術(shù)。

1 熱敏電阻類型

熱敏電阻主要有三種類型［4］:正溫度系數(shù)熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(Negative Temperature Coefficient，NTC)和臨界溫度熱敏電阻(Critical Temperature Resistor，CTR)。

PTC具有正溫度特性，當(dāng)電流流過(guò)PTC電阻后，引起溫度上升;當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻也同時(shí)增加，電流下降;當(dāng)增加到某一值時(shí)，電流產(chǎn)生的溫度與電阻值相互平衡。這樣既起到了溫度感應(yīng)的作用又起到了電流控制的作用。但是在電力設(shè)備中，電流和電壓的量值很高，在正常導(dǎo)通時(shí)電流基本不受設(shè)備的電阻值影響，可以看做是電流源。因此電力設(shè)備選擇加熱電阻時(shí)，不能選擇PTC熱敏電阻，而應(yīng)選擇NTC熱敏電阻作為加熱材料。

NTC指的是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻材料，即溫度上升電阻呈指數(shù)減小。這種材料通常是利用錳、銅、硅等兩種或兩種以上的氧化物進(jìn)行混合、成型、燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。該類型熱敏電阻具有阻值任意選擇(0．1～100 kΩ)、容易加工成復(fù)雜形狀、穩(wěn)定性好、過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在工作范圍內(nèi)，NTC熱敏電阻的電阻－溫度特性可以用近似實(shí)驗(yàn)公式表示［5］:

式中:T、T0為絕對(duì)溫度值;RT為溫度為T時(shí)的電阻值。RT0為溫度為T0時(shí)電阻值;Bp為該種材料的熱敏指數(shù)。

2 NTC熱敏電阻加熱裝置

2．1 基本結(jié)構(gòu)模型

斷路器無(wú)論罐式還是柱式，其主要結(jié)構(gòu)均存在氣室內(nèi)導(dǎo)體的形式，因此構(gòu)建基本模型如圖1所示。其中，導(dǎo)體位于中心位置、導(dǎo)體與外殼之間充填SF6氣體，而導(dǎo)體中某段鑲嵌有一部分NTC電阻，其對(duì)稱剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)模型Fig．1 Basic structure model

圖2 基本結(jié)構(gòu)的對(duì)稱剖面圖Fig．2 Symmetric profile of basic structure

2．2 電路分析

由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，僅對(duì)其對(duì)稱部分(如圖2所示)進(jìn)行分析，電路模型如圖3所示。

圖3 電路模型Fig．3 Circuit model

外電路等效為一個(gè)電流源I，電阻包括導(dǎo)體的電阻R1、R2、Rr和Rn。其中，R1和R2為鑲嵌 NTC電阻之外的部分導(dǎo)體電阻值，Rn為鑲嵌的NTC電阻的電阻值。

當(dāng)外電路的電流為I時(shí)，Rr和Rn分別流經(jīng)電流為Ir和In。

鑲嵌部分的電加熱功率為

總功率為

設(shè)Rr/Rn=k，由式(2)、式(3)可知，鑲嵌部分的導(dǎo)體和NTC電阻的功率之比為

固定Rr阻值而不同Rn阻值對(duì)應(yīng)的功率關(guān)系如圖4所示。

圖4 電功率Fig．4 Power

圖4中，以k=1，即Rr等于Rn時(shí)的功率為基準(zhǔn)值。在某一k值下，阻值的相對(duì)關(guān)系決定了功率的分配。選擇較大阻值的NTC電阻值，總的熱功率增加，導(dǎo)體的功率增加，但NTC的發(fā)熱量比重較小。

當(dāng)考慮到溫度變化因素時(shí)，SF6設(shè)備溫度較高時(shí)，導(dǎo)體與NTC電阻共同分擔(dān)電流。當(dāng)溫度降低后k增加，而功率變化卻呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。導(dǎo)體的發(fā)熱功率和總功率值增加，而NTC電阻的功率降低。

2．3 熱阻分析

熱阻模型如圖5所示。

Ts1，Ts2—鑲嵌部分導(dǎo)體和NTC電阻的溫度;Tg，Tc—?dú)怏w導(dǎo)體側(cè)溫度和外殼測(cè)溫度;θrr—鑲嵌部分導(dǎo)體對(duì)鑲嵌部分延伸區(qū)域的熱阻;θrg—鑲嵌部分導(dǎo)體對(duì)氣體的熱阻;θm—鑲嵌部分導(dǎo)體對(duì)NTC電阻的熱阻;θn—NTC電阻對(duì)氣體的熱阻;θg—?dú)怏w的熱阻;θc—外殼的熱阻。

由于NTC電阻與鑲嵌部分導(dǎo)體距離較近，設(shè)θrn=0，并合并導(dǎo)體和NTC電阻，得到的氣體熱阻為

該模型精簡(jiǎn)化后如圖6所示。

圖6 熱阻簡(jiǎn)化模型Fig．6 Thermal resistance model

根據(jù)上述模型分析得到

2．4 電熱分析

根據(jù)式(2)—式(5)有

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1 溫度約束

最低環(huán)境溫度TaL時(shí):

此時(shí)NTC電阻的溫度為

最高環(huán)境溫度TaH時(shí):

式中:TcL為SF6氣體外側(cè)溫度的最低值，即為SF6氣體的液化溫度;TgH為 SF6氣體允許溫度的最高值。

3．2 NTC電阻參數(shù)的確定

由溫度約束，NTC電阻值應(yīng)滿足

根據(jù)式(1)，Bp可由下式確定:

4 仿真試驗(yàn)

設(shè)定I=10 A，環(huán)境溫度分別為+40℃(313 K)和－50℃(223 K)，進(jìn)行Simulink仿真試驗(yàn)。

4．1 采用NTC電阻材料后的熱分布

未采用和采用NTC電阻材料的熱分布如圖7和圖8所示。

圖7 未采用NTC電阻材料的熱分布Fig．7 Thermal distribution without using NTC resistance materials

圖8 采用NTC電阻材料的熱分布Fig．8 Thermal distribution using NTC resistance materials

從圖7和圖8可以看出，未采用NTC電阻加熱時(shí)，裝置的內(nèi)部溫度基本與環(huán)境溫度一致。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到－50℃時(shí)，采用NTC電阻加熱后，SF6氣體的最低溫度提升了10℃(達(dá)到233 K)，而最高溫度僅增加2℃(達(dá)到315 K)?？梢奛TC電阻的負(fù)向電阻增加特性和非線性特性改善了低溫下的熱分布，提升了氣體溫度。

4．2 B 參數(shù)影響

熱敏指數(shù)對(duì)溫度分布的影響如圖9所示。

圖9 熱敏指數(shù)對(duì)溫度分布的影響Fig．9 Effect of heat sensitive index on temperature distribution

由圖9可知，熱敏指數(shù)越高，NTC材料的溫度變化率越大。當(dāng)采用高熱敏指數(shù)的NTC電阻時(shí)，相同條件下總體溫度降低。但低溫的氣體溫度降低程度小于加熱電阻的溫度降低程度。這是由于B參數(shù)增加，導(dǎo)致在高溫時(shí)材料電阻的電阻值更小，在一定電流下產(chǎn)生的熱量不足以維持熱平衡，因此其溫度平衡點(diǎn)較低B值時(shí)高。

4．3 R25影響

在選擇熱敏電阻時(shí)，通常以25℃時(shí)的電阻值作為基準(zhǔn)值，在不同基準(zhǔn)電阻值下，溫度分布如圖10所示。

圖10 R25電阻值對(duì)溫度分布的影響Fig．10 Effect of R25resistance value on temperature distribution

仿真結(jié)果顯示:當(dāng)R25增加時(shí)，各部分的溫度差趨大，而且總體溫度上升;當(dāng)R25較小時(shí)，R25對(duì)溫度的影響較顯著，因此在選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)盡量選擇在這個(gè)范圍內(nèi)。

4．4 熱阻的影響

熱阻對(duì)溫度分布的影響如圖11所示。

由于內(nèi)部氣體與外部環(huán)境之間的熱阻對(duì)氣體溫度的影響最直接，所以通過(guò)仿真曲線圖11可以看到，當(dāng)提高此部分的熱阻后，氣體溫度上升較內(nèi)部NTC電阻上升幅度大。因此在采用NTC電阻進(jìn)行內(nèi)部加熱的同時(shí)，加強(qiáng)外部的隔熱對(duì)提高SF6氣體的溫度具有較好的效果。

圖11 熱阻對(duì)溫度分布的影響Fig．11 Effect of thermal resistance on temperature distribution

4．5 冷斷路器合閘

斷路器分閘后，由于沒有負(fù)載電流，該裝置不能工作，此時(shí)斷路器無(wú)需切斷電流，因此分閘后不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響。但當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間分閘后重新合閘，此時(shí)溫度仍然很低，需要一段時(shí)間才能夠重新升高溫度，如圖12所示。氣體熱阻和熱容量減少50%時(shí)合閘后溫度變化如圖13、圖14所示。

圖12 合閘后溫度變化Fig．12 Temperature changes after closing

圖13 與氣體熱阻減少50%后合閘后溫度變化Fig．13 Temperature changes then gas thermal resistance decrease 50%after closing

由圖13、圖14可知，減少熱阻和熱容量有利于斷路器溫度的快速提高。因此在合理布局電場(chǎng)分布的條件下，增加傳熱面積和減少導(dǎo)熱部分的體積，可以減少合閘后斷路器在低溫范圍內(nèi)的時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

NTC電阻對(duì)SF6設(shè)備進(jìn)行加熱時(shí)，應(yīng)合理選擇熱敏電阻的參數(shù);在平衡氣體溫度加熱效果時(shí)，應(yīng)避免內(nèi)部溫度過(guò)高。在合理加熱的同時(shí)，增加保溫裝置也有利于設(shè)備的保溫和可靠運(yùn)行。

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