SiC灭磁组件在励磁系统中的应用

METROSIL®SIC非线性电阻在灭磁系统中的应用目录前言 (3)1M&I METROSIL S I C非线性电阻性能特征 (4)1.1S I C非线性电阻V－I特性 (4)1.2S I C非线性电阻组合特性表达式 (5)1.3系数Β及C对S I C非线性特性曲线的影响 (6)1.4S I C非线性电阻的温度系数 (8)1.5温升计算 (9)1.6M ETROSIL S I C非线性电阻的特性“匹配” (10)1.7Z N O非线性电阻的特性“匹配” (11)1.8M ETROSIL S I C非线性电阻时效性 (12)1.9M ETROSIL S I C非线性电阻的故障损坏形式 (12)1.10S I C非线性电阻的灭磁时间 (13)1.11技术规范 (14)1.12M ETROSIL S I C非线性电阻的器件代码 (15)1.13M ETROSIL S I C非线性电阻的参数确定 (15)1.14应用实例 (15)结语： (16)METROSIL®SIC非线性电阻在灭磁系统中的应用Dr. Jeff Robertson1（1、M&I科技材料公司，英国曼特斯顿）摘要：本文从工程应用角度出发，系统和完整地介绍了英国M&I公司制造的METROSIL®（注册商标）系列SiC碳化硅非线性电阻的性能特征和技术参数等关键技术问题，本文对灭磁技术的发展提供了有益的借鉴。

关键词：SiC非线性电阻；灭磁系统；温升；温度系数前言M&I Materials公司位于英国曼彻斯特市Trafford 工业园，从事于工业和科研特殊材料的研制，作为全球供应商，为世界许多知名大中型企业提供多种高科技材料及高性能工业用品。

其中，对碳化硅产品已有70年的生产经验。

M&I公司成立于1997年，其前身源于英国GEC公司的研究部门。

在产品开发方面，特别是对于其主流产品之一Metrosil SiC 碳化硅非线性电阻，产品应用遍及世界各地，客户有：ABB、Alstom、Siemens、Areva以及VA TECH SAT等国际制造商。

在我国和世界著名的三峡水电厂左岸及右岸26台700MW水轮发电机组励磁系统中均采用了M&I Materials公司生产的Metrosil SiC非线性灭磁电阻。

1 M&I METROSIL SiC非线性电阻性能特征1.1 SiC非线性电阻V－I特性在评价非线性电阻电气特性时，通常以非线性电阻系数予以表述，相应表达式为：V = CIβ(1)I = HVα (2)式中：V为非线性电阻两端的电压；I为流过非线性电阻的电流；C，H为非线性电阻位形系数，与非线性电阻的体积形状，电阻片的串、并联组合以及材质有关；β，α为电阻非线性系数（β=1/α）。

对于SiC非线性电阻，由于在较大的电流变化范围内，其电压变化范围相对较小，不便于查对，为此在实用中多将式(1)及式(2)以对数坐标形式来表示。

对于式(1)其对数表达式为：logV=logC+βlogI(3)在以V—I表示的双对数坐标系中，此时非线性电阻的伏安特性近似为一条直线，如图1所示。

图1 Metrosil spec.6298 600A/us16/p SiC非线性电阻V—I特性曲线式(3)说明，在V —I 双对数坐标系中，系数C 等于I=1A 时，V —I 特性曲线与V 轴相交的电压值。

同理由式(2)可得：logI=logH+αlogV (4)当V=1v 时，在V —I 特性曲线中，与其相对的电流值I=H 。

下面讨论一下式(1)、式(2)中各系数C ,H, α及β之间的关系式，由式(2)可求得： V=αH I=H α1-×I α1(5) 令式（1）等于式（6），可求得： C= Hα1- β=α1 整理得： α=β1 C=H β- (6)对于应用于发电机灭磁回路中的Metrosil SiC 非线性电阻，当其V —I 特性以方程式V=CI β表示时，其典型C 及β值如表1所示。

选择不同厚度阀片，按不同接线方式构成的组件可满足各种灭磁工况的需求。

表1 Metrosil SiC 非线性电阻典型C 及β值1.2 SiC 非线性电阻组合特性表达式作为灭磁电阻用途的SiC 非线性电阻，在实际应用中为了满足灭磁总容量的要求，通常须将电阻片连接为多路串联、并联接线。

其V —I 特性表达式将不同于单片的V —I 特性表达式。

(1) 串联表达式假定单片非线性电阻的V-I 特性表达式为：βCI V =如果Ns 片串联连接，其V-I 特性表达式可写为：βS CI N V = (7)(2) 并联表达式假定单片非线性电阻V-I 特性表达式为：βCI V =当Np 片非线性电阻并联时，其V-I 特性表达式为：βP )N I C(V = (8)(3) 串、并联表达式假定非线性电阻N p 片并联，N s 串联，其组合V-I 特性表达式为：βP S )N I (CN V = (9)当SiC 非线性电阻N S 片串联，Np 片并联，由式（9）可求得组件的V —I 特性表达式: V=C βpS N N I β= C unit I β (10) 式中C unit —组件位形系数。

C unit = Cβp S N N 1.3 系数β及C 对SiC 非线性特性曲线的影响在图2和图3中分别示出了当位形系数等于常数、改变非线性系数β对Varistor SiC 非线性电阻V —I 特性及对数V —I 特性的影响在图4和图5中分别示出了当非线性系数β等于常数时，改变位形系数C 对Varistor SiC 非线性电阻V —I 特性及对数V —I 特性的影响由图2和图4可看出当β系数增加时，SiC V —I 特性曲线的陡度将变得平缓，亦即在灭磁工作条件下，β增加灭磁时间常数将增加。

另由图3和图4对数V —I 特性曲线可看出，当I=1A ，对应的电压值V=C ，此外在对数V —I 特性曲线中，特性曲线的斜率IV log log =β。

图2 当系数C=常数，系数β的变化，对Varistor SiC V —I 特性曲线的影响，曲线由左至右与图中数据相对应图3当系数C=常数，系数β的变化，对Varistor SiC 对数V —I 特性曲线的影响，曲线由上至下与图中数据相对应图4当系数β=常数，系数C的变化，对Varistor SiC V—I 特性曲线的影响，图中曲线由左至右与图中数据相对应图5当系数β=常数，系数C的变化，对Varistor SiC 对数V—I特性曲线的影响，图中曲线由上至下与图中数据相对应1.4 SiC非线性电阻的温度系数SiC非线性电阻具有负温度系数特性，其特征是当SiC电阻温度上升时阻值会减少。

在恒定电流负载条件下，其两端电压随温度升高会减小，或者在恒定电压负载下其电流随温度上升而增加，呈负温度系数特性。

对于恒定电流负载而言，负温度系数为：温度每增加1℃，电流增加0.6%；或者对于恒定电压负载而言，负温度系数为：温度每增加1℃，电压下降0.12%；实际上，对于Mertrosils SiC非线性电阻有两种应用情况（1） 作为浪涌电压吸收元件，其外加电压为恒定值，SiC 电阻连续吸收负载能量，由于泄漏电流的存在会使温度增加，对于这种情况，M&I 公司在设计SiC 电阻冷却方案时应确保由泄漏电流产生的热能会被其元件自然冷却作用所平衡，从而补偿了负电阻温度系数的影响。

不会由于负温度系数的影响，引起电流雪崩式的增长。

（2） 作为灭磁电阻使用时，只在灭磁回路动作时接入发电机励磁回路，而且在灭磁过程中对SiC 电阻而言，不是承受一个连续作用的恒定的方波电压，而是三角波，随转子电流的下降，SiC 电阻两端的电压是衰减的。

为此在灭磁回路投入前负电阻温度系数是无影响的，在灭磁过程中，灭磁作用在短暂的几秒钟时间中已经完成，而且灭磁电源是一个衰减的电压源，即灭磁电压非恒定电压，灭磁电流亦非恒定电流，因此负电阻温度系数的影响是极小的，可到忽略不计的程度。

此外，在选择用于灭磁回路的SiC 电阻容量时，正确的设计应确保SiC 电阻在吸收灭磁能量的同时以及在元件自然散热条件下，使元件最终温度不超过允许值，以降低负温度系数的影响。

1.5 温升计算对于Metrosil SiC 非线性电阻，当应用在灭磁系统时可利用下列公式计算元件的温升，温升的计算是确定组件的灭磁额定容量的一个重要依据：ρ⨯⨯=∆C V E t (11) 式中：E — 单片吸收灭磁能量，JV — 片SiC 元件的体积，cm 3；C — 比热系数，C = 0.84 J/(g ℃)ρ — 元件密度 ρ＝ 2.35g / cm 3对于SiC 灭磁电阻组件的温升可按下式进行计算 Δt =NsNp C V Eunit ⨯⨯⨯⨯∑ρ (12)式中：ΣE unit —总组件吸收的能量，J；N s、N p—总组件的串、并联数。

在灭磁时，如果重复进行灭磁，组件允许的最大温升为80℃；非重复灭磁状态组件温升可允许到110℃。

当组件的工作温度超过165℃时将给组件的绝缘部分带来危险。

1.6 Metrosil SiC非线性电阻的特性“匹配”所谓SiC非线性电阻的特性“匹配”，系指在组件中，各单片在电流和能量分配上在电气性能方面上存在的差异。

为此，在对组件进行设计时，如何在给定应用电流条件下选择各单片的允许电压偏差是一个重要的前提。

对于Metrosil SiC非线性电阻而言，电流分配的一致性比例于其V-I特性曲线的非线性程度，电气“匹配”性能与非线性系数β成正比。

假定Metrosil SiC单片的β值为0.4，对给定电流而言M﹠I公司规定，单片间的电压差异范围选择不大于5%，如图6所示，相应的电流偏差范围不大于13%，由此可得出，单片的能量分配或消耗的热能偏差亦不大于13%。

图6 当β=0.4电压偏差为5%时SiC非线性电阻的电流变化范围基于上述技术规范M﹠I公司在确定组件的额定容量时，适当的降低了其标称容量值，即增加了容量的余度，以防止在组件各单片间电流或能量不均匀引起过分的过热情况，提高了运行的可靠性。

对于Metrosil SiC非线性电阻而言，严重的过热当其温度超过一定值时，将有可能导致单片的V-I特性发生不可恢复的永久性的变化。

为此，如果单片的标称额定容量选择的不正确，在均流和均能特性方面将引起更大的差异，最终导致元件的过热，对此M﹠I公司作了全面的考虑，保证了元件的可靠性。

1.7 ZnO非线性电阻的特性“匹配”众所周知，作为灭磁电阻元件ZnO非线性电阻在中国水、火电站中等容量的机组中获得了广泛的应用，其突出优点是由于其V-I特性曲线比较陡直，具有较小的非线性系数β值，一般在0.05左右，从而获得了较快的灭磁速度。