基于NTC電阻的SF6設備溫度保持裝置

于春來，魯 鋼，劉 洋，朱學成，陳海倫

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030)

SF6設備處在低溫情況下，存在液化的風險，發生液化后斷路器的滅弧能力降低，直接威脅電力系統的安全穩定運行［1－3］。目前，加熱保溫方法是避免SF6氣體液化的最經濟和合理的解決方式。加熱系統通常包括溫控裝置、加熱裝置、遠方控制、監控回路等［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，但是由于元件數量多、接線復雜，對設備的可靠性、氣密性等產生不利影響。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險。為此，本文提出了一種采用負溫度系數材料作為加熱元件的SF6設備加熱技術。

1 熱敏電阻類型

熱敏電阻主要有三種類型［4］:正溫度系數熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)、負溫度系數熱敏電阻(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，當電流流過PTC電阻后，引起溫度上升;當超過居里點溫度后，電阻也同時增加，電流下降;當增加到某一值時，電流產生的溫度與電阻值相互平衡。這樣既起到了溫度感應的作用又起到了電流控制的作用。但是在電力設備中，電流和電壓的量值很高，在正常導通時電流基本不受設備的電阻值影響，可以看做是電流源。因此電力設備選擇加熱電阻時，不能選擇PTC熱敏電阻，而應選擇NTC熱敏電阻作為加熱材料。

NTC指的是具有負溫度系數的熱敏電阻材料，即溫度上升電阻呈指數減小。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行混合、成型、燒結而成的半導體。該類型熱敏電阻具有阻值任意選擇(0．1～100 kΩ)、容易加工成復雜形狀、穩定性好、過載能力強的特點。在工作范圍內，NTC熱敏電阻的電阻－溫度特性可以用近似實驗公式表示［5］:

式中:T、T0為絕對溫度值;RT為溫度為T時的電阻值。RT0為溫度為T0時電阻值;Bp為該種材料的熱敏指數。

2 NTC熱敏電阻加熱裝置

2．1 基本結構模型

斷路器無論罐式還是柱式，其主要結構均存在氣室內導體的形式，因此構建基本模型如圖1所示。其中，導體位于中心位置、導體與外殼之間充填SF6氣體，而導體中某段鑲嵌有一部分NTC電阻，其對稱剖面結構如圖2所示。

圖1 基本結構模型Fig．1 Basic structure model

圖2 基本結構的對稱剖面圖Fig．2 Symmetric profile of basic structure

2．2 電路分析

由于結構具有對稱性，僅對其對稱部分(如圖2所示)進行分析，電路模型如圖3所示。

圖3 電路模型Fig．3 Circuit model

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

當外電路的電流為I時，Rr和Rn分別流經電流為Ir和In。

鑲嵌部分的電加熱功率為

總功率為

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

固定Rr阻值而不同Rn阻值對應的功率關系如圖4所示。

圖4 電功率Fig．4 Power

圖4中，以k=1，即Rr等于Rn時的功率為基準值。在某一k值下，阻值的相對關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，導體的功率增加，但NTC的發熱量比重較小。

當考慮到溫度變化因素時，SF6設備溫度較高時，導體與NTC電阻共同分擔電流。當溫度降低后k增加，而功率變化卻呈現相反的趨勢。導體的發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—鑲嵌部分導體和NTC電阻的溫度;Tg，Tc—氣體導體側溫度和外殼測溫度;θrr—鑲嵌部分導體對鑲嵌部分延伸區域的熱阻;θrg—鑲嵌部分導體對氣體的熱阻;θm—鑲嵌部分導體對NTC電阻的熱阻;θn—NTC電阻對氣體的熱阻;θg—氣體的熱阻;θc—外殼的熱阻。

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

該模型精簡化后如圖6所示。

圖6 熱阻簡化模型Fig．6 Thermal resistance model

根據上述模型分析得到

2．4 電熱分析

根據式(2)—式(5)有

3 參數設計

3．1 溫度約束

最低環境溫度TaL時:

此時NTC電阻的溫度為

最高環境溫度TaH時:

式中:TcL為SF6氣體外側溫度的最低值，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電阻參數的確定

由溫度約束，NTC電阻值應滿足

根據式(1)，Bp可由下式確定:

4 仿真試驗

設定I=10 A，環境溫度分別為+40℃(313 K)和－50℃(223 K)，進行Simulink仿真試驗。

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，裝置的內部溫度基本與環境溫度一致。當環境溫度達到－50℃時，采用NTC電阻加熱后，SF6氣體的最低溫度提升了10℃(達到233 K)，而最高溫度僅增加2℃(達到315 K)。可見NTC電阻的負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 參數影響

熱敏指數對溫度分布的影響如圖9所示。

圖9 熱敏指數對溫度分布的影響Fig．9 Effect of heat sensitive index on temperature distribution

由圖9可知，熱敏指數越高，NTC材料的溫度變化率越大。當采用高熱敏指數的NTC電阻時，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參數增加，導致在高溫時材料電阻的電阻值更小，在一定電流下產生的熱量不足以維持熱平衡，因此其溫度平衡點較低B值時高。

4．3 R25影響

在選擇熱敏電阻時，通常以25℃時的電阻值作為基準值，在不同基準電阻值下，溫度分布如圖10所示。

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

仿真結果顯示:當R25增加時，各部分的溫度差趨大，而且總體溫度上升;當R25較小時，R25對溫度的影響較顯著，因此在選擇參數時應盡量選擇在這個范圍內。

4．4 熱阻的影響

熱阻對溫度分布的影響如圖11所示。

由于內部氣體與外部環境之間的熱阻對氣體溫度的影響最直接，所以通過仿真曲線圖11可以看到，當提高此部分的熱阻后，氣體溫度上升較內部NTC電阻上升幅度大。因此在采用NTC電阻進行內部加熱的同時，加強外部的隔熱對提高SF6氣體的溫度具有較好的效果。

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

4．5 冷斷路器合閘

斷路器分閘后，由于沒有負載電流，該裝置不能工作，此時斷路器無需切斷電流，因此分閘后不會對系統的工作產生影響。但當長時間分閘后重新合閘，此時溫度仍然很低，需要一段時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分布的條件下，增加傳熱面積和減少導熱部分的體積，可以減少合閘后斷路器在低溫范圍內的時間。

5 結語

NTC電阻對SF6設備進行加熱時，應合理選擇熱敏電阻的參數;在平衡氣體溫度加熱效果時，應避免內部溫度過高。在合理加熱的同時，增加保溫裝置也有利于設備的保溫和可靠運行。

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