基于PTC材料的限流保護研究現狀

惠飛飛，楊　鋒

（海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

基于PTC材料的限流保護研究現狀

惠飛飛，楊鋒

（海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

短路電流不斷增大，采用限流的方式進行短路保護是一種有效的保護方式。使用PTC元件進行限流保護是一種新型的保護方式，具有可恢復性和可重復使用的特點，且對于大電流的分斷具有很大的應用潛力。該文對現有限流保護技術進行總結與比對，對PTC研究存在問題進行系統分析，闡述羅列現有PTC種類以及適用用途，并對其耐壓大電流沖擊方案進行可行性分析。最后對其全文進行總結，給出限流應用PTC擬解決方案。

船舶電力系統限流保護PTC材料

0　引言

隨著科學技術的不斷更新，現代船舶正向著綜合電力系統方向發展。船舶電力系統容量的不斷增大，其必然導致短路電流隨之增大。船舶電力系統中，最危險且危害最大的故障是短路故障。由于船舶特殊的工作環境，其發生短路故障的幾率較大，一旦發生短路故障，對船舶的安全航行將產生巨大的威脅[25]?，F代船舶中，對于短路故障，一般采用斷路器和熔斷器進行保護，但是傳統的斷路器和熔斷器已經無法滿足當下的要求[22]。尋求新的保護方式是解決現有問題的一個有效途徑。近年來隨著材料的發展，使用PTC作為限流元件進行短路保護越來越得到重視，其方案的提出對于解決船舶大電流保護具有很廣的應用前景。

1　PTC材料發展歷程

PTC材料是一種溫度敏感性的導電材料，PTC英文名為Positive Temperature Coefficient，即正溫度系數，是指材料的電阻率隨著溫度的增大而增高的一種特性[26]。

PTC首次發現是 1955年荷蘭科學家海曼在研究鈦酸鋇中發現的這一特性。其在鈦酸鋇中添加微量稀土元素，發現鈦酸鋇在一個很窄的溫度范圍內電阻值發生了躍變，達到3個數量級以上[1]。

PTC熱敏電阻在上世紀 60年代才大致得到實用，無論家用還是工業設備，幾乎都能看到PTC熱敏電阻的身影。我國從上世界80年達才開始研究PTC熱敏電阻，現在已涌現了像華中科技大學大學、清華大學、電子科技大學等許多科研機構，等到了70年代中期，PTC材料迅猛發展，各種性能被廣泛發掘，PTC元件被用于各種途徑中。至今為止，中國的PTC產業發展越來越快，其研制和生產的產品已越來越接近國際水平，已然成為世界PTC市場中不可缺少的一部分[2]。

2　常用限流保護技術

發生短路故障時，限流器通過提高回路中的阻抗來限制短路電流的大小。限流器不僅可以減輕斷路器分斷負擔，縮小切斷時間，而且大大降低了電動力和熱效應[22]。短路故障限流器根據其原理上來進行分類，大致可以分為超導型、電力電子型、PTC限流器等[15]。

文獻[23]分析了超導型限流器的基本工作原理。其利用超導體的超導態和正常態轉變來進行短路電流的限制。超導限流器不僅能夠用于較高電壓下，且在發生短路時，能夠在極短的時間內限制短路電流。但是超導限流器需要長期工作在低溫下，需要配備較多的冷卻設備，且超導材料的研制和加工也是一個比較大的問題。

文獻[15]分別介紹了電抗器型、諧振型、可變阻抗型等幾種電力電子型限流器。電子型限流器限流器具有動作快，體積小，控制簡單，允許工作次數多等優點。當發生短路時，電抗型限流器通過插入電抗器限制短路電流，但是在插入電抗器時，會產生較大的過電壓及附加震蕩，需配備相應的輔助設備；諧振型是利用電力電子器件使正常工作處于串聯諧振狀態下的電路脫諧，或者使正常工作下處于非諧振狀態下的電路在短路故障時進入并聯諧振，增大線路阻抗，從而限制短路電流，但是諧振型限流器由于引入了電感和電容，使系統的暫態穩定分析過于復雜，而且大大增加了系統受到短路故障等擾動時的暫態震蕩和過電壓的可能性?？勺冏杩剐拖蘖髌魍ㄟ^改變等效電阻的大小進行限流保護，但是其控制比較復雜，且在運行過程中會產生大量的諧波文獻[28]介紹了PTC限流器的基本概況。PTC限流器是利用 PTC材料電阻的非線性電阻特性來進行限流保護。正常運行下，流過PTC電阻的電流低，PTC電阻呈低阻態，當發生短路故障時，大電流流過PTC元件，PTC元件發熱，電阻急劇增大，從而限制短路電流。這種PTC限流器不僅在低壓商業領域中應用，且被應用在了美國新型海軍戰艦上。由于PTC材料本身的性質，其在高壓領域應用受到很大的限制，容易產生較大的過電壓，需配備相應的輔助設備，且限流過程中會發生膨脹，必須考慮其連接方式。

3　PTC種類

長期以來，摻雜鈦酸鋇一直是人們所熟悉的PTC材料，其在120℃附近電阻發生突變，顯示PTC特性。但是其易受到電壓相和頻率效率的影響，且難以獲得較低的電阻率和較大的通流能力，因而限制了其在限流保護中的應用。隨著對材料的深度研究，越來越多的PTC材料種類被研發出來，其主要有高分子PTC材料，V2O3基PTC材料，BaPbO3基PTC陶瓷，SiO2-TiC系PTC材料等[18]。

高分子復合物PTCR材料是以無定型高分子或半結晶材料為基體，導電顆粒高度分散在其中而形成的一種復合體系。當導電粒子形成導電網絡時，電阻率很低。而PTCR現象的出現是由于半結晶材料在熔點附近發生急劇的體積膨脹或無定型高分子材料在玻璃相轉變附近的膨脹所造成。在適當的配方與工藝下導電粒子在高分子的膨脹下逐漸失去聯系，從而使電阻突然增大。這種高分子復合PTCR材料與BaTiO3基復合物相比具有低的室溫電阻率和優秀的抗熱震性。但在高溫下由于導電顆粒的重新排列而產生較大的負溫度系數（NTC）效應[3]。就其性能而言：使用金屬顆粒作為填充物，其電阻率可低至10-3Ω?cm；使用金屬纖維或者高結構的片狀，電阻率可低至以下 10-5Ω?cm。居里溫度點130℃左右，當溫度達到160℃以上將會發生NTC效應。PTC升阻比為 107以上。最大耐壓一般為幾伏到幾十伏，電壓等級低，額定電壓幾百毫安不等，最大失效電流10 A以下，因此到目前為止僅可以用于加熱和幾種特定的小型限流保護，例如電源供應器、測量器及電池組等，以及電腦、電器、變壓器、汽車等電源供應器上。同時，國內對其研究還不夠充分，缺乏原材料，無法使其上升一個檔次[27]。

以V2O3為基的復合 PTCR材料，復合物體系在轉變點處表現為由金屬到絕緣體的性質，從而產生PTC效應。摻雜V2O3陶瓷是一種新型PTC材料，同BaTiO3陶瓷相比，其PTC效應來源于體內溫度誘發的M-I相變(金屬-絕緣體相變)。

該效應不受電壓和頻率的影響，而且該材料具有低常溫電阻率(10-3Ω?cm)和大的通流能力。上述特點使得摻雜 V2O3陶瓷在用作大電流過流保護元件方面具有廣闊的應用前景。1946年就曾發現在 160 K左右晶體中出現 M-I相變的現象。1970年D.B.Mcwhan等在V2O3中摻入3d過渡金屬氧化物，形成置換型固溶體，實現了室溫以上的M-I相變，產生相應的PTC效應[4]。

后期Perkins等利用V2O3系材料中的PM-PI相變的體效應，制備出以前無法達到的高失效電流的裝置，其電阻值為100～500 μΩ，電流值達到250～1 A，最大失效電流可達到100 kA～500 A，無負載電阻增大60倍，隨后研制出0.1 Ω～500 μΩ范圍內的系PTC熱敏電阻元件，此外，還有大量的日本專利報道了(V1-xCrx) O3系 PTC熱敏電阻陶瓷的研制，制得常溫電阻率小于10-2Ω?cm，升阻比 70倍，耐熱沖擊性的 PTC熱敏電阻[5]。上世紀80年代我國制備該類型的材料，其常溫電阻率為(5～12) 10-3Ω?cm，PTC倍率60～100倍，電阻溫度系數為(3%～4%)℃。但是在燒結致密度，電性能和實驗可靠性方面存在不足，不能滿足實際應用的條件?，F如今，我國借鑒國內外先進水平，重點研制了低室溫電阻率，高PTC倍率和大電阻溫度系數的系 PTC材料。其電阻率達到了8.0×10-4Ω?cm；升阻比達到了 380倍，電阻溫度系數達到 %6℃，轉變溫度為 100℃；額定電流密度：1 A/nm2，響應時間為 0.5 s，額定電壓400～600 V。就其應用而言，V2O3基PTC材料最大的優勢在于常溫電阻率低，因此在大電流保護方面具有很大的優勢，能夠替代熔斷器、斷路器和真空開關等大功率條件下應用的過流保護元件[4]。

對于高膨脹陶瓷-導電陶瓷復合材料，這種材料是根據復合材料的相互作用性，將導電陶瓷材料與絕緣的高膨脹陶瓷材料復合在一起。張其土等曾對SiO2-C系陶瓷復合材料作了研究，證實該類陶瓷復合材料具有PTC效應，但由于石墨存在著一定的氧化現象，使Si-C系陶瓷復合材料的耐久性不夠理想。其后有人以SiO2(方石英和石英)作為絕緣高膨脹性基體材料，以TiO2作為導電性粒子，制備高膨脹陶瓷-導電陶瓷復合材料。通過測定陶瓷復合材料的電阻率隨組成和溫度的變化關系，研究了SiO2-TiC陶瓷復合材料的導電特性及其 PTC效應。當 TiC的質量百分數分別在20%～32%和20%～30%之間時，方石英陶瓷復合材料和石英陶瓷復合材料的室溫電阻率相應會發生急劇的變化，其電阻率從107Ω?cm左右降低到102Ω?cm左右，變化程度達105～106Ω?cm[6]。

曾中明[7]、蘇軍禮[8]、陸裕東[9]等對 BaPbO3進行深入分析研究，指出 BaPbO3陶瓷，具有優異的金屬導電特性，且在高溫下還有微弱的正溫度效應。BaPbO3陶瓷PTC材料，現已在陶瓷電極、導電膠、抗腐蝕涂料及高溫導體上得到應用。其優良的金屬導電性已吸引了廣大科研工作者的重視，但對于其導電機理還存在著各種不同的解釋。一般認為其導電機理并不是Pb或PbO2存在于晶粒間所致，因為 BaPbO3的電阻率與Pb(0.25×10-2Ω?cm)和PbO2(0.2×10-2Ω?cm)的并不相符。另外 PbO2在空氣中存在也不穩定。就其性能而言：一般的 BaPbO3陶瓷熱膨脹系數16×10-6/℃，居里溫度為750～800℃，載流子密度為20×1020/cm-3，其室溫電阻率僅為5.0～8.0×10-4Ω?cm，在 20～500℃溫度范圍內阻溫系數僅為-0.09%/℃，升阻比為103以上，對其PTCR機理，迄今為止，PTCR效應的產生機理仍不是很清楚，很有可能是與高溫下 Pb離子的變價或氧離子的吸附有關，這還需要進一步的研究。雖然其具有很好的低阻高躍遷的性能，在高溫區域又有PTC效應，但是由于其制備困難，尚未得到實用。

4　PTC限流實例

文獻[10]介紹使用導電聚合物 PTC元件與斷路器進行組合進行限流保護的一種新型限流保護方式，ABB公司將這種 PTC元件命名為PROLIM，其專門用于和微型斷路器進行組合。

與微型斷路器組合后的整個分斷時間：2.5 ms。RPOLIM系列元件結構如同一個三明治，兩個銅平板中間夾著聚合物PTC元件，用強力彈簧在兩邊夾緊。如上所述，結構上它與一常值附加電阻并聯，再與微型斷路器串聯，PTC元件與常值電阻并聯后在正常負載與短路時其阻值可改變幾百倍。ABB技術開發中心目前正把PTC聚合物嵌入到微型斷路器外殼內，如 S620型的微型斷路器，其原先分斷能力僅為 6 kA，組合PRO-LIMTM后，分斷能力提高到50 kA。雖然該限流器實現了在比較大的電壓下能夠進行限流保護，其最大的不足是正常工作時，將PTC元件串聯在線路中，雖然提高了分斷能力，但是整個斷路器額定電流仍然很小，應用場合受限流。

表1　微型斷路器嵌入PTC聚合物后的技術參數

文獻[11]介紹了片式PTC材料，指出PTC首創于美國的瑞侃公司，現生產的尺度如表2所示：

表2　美國的瑞侃公司PTC材料的尺度單位 mm

其主要參數為：R，0.04～5 Ω ，不動作電流1.10～0.14 A；最大電流 40～10 A；氣候類別40/80/56，經1000 h耐久測試后阻值變化率，±5%；經-40～+85°C10次沖擊后，阻值變化率±30%。

PPTC因其極低的冷態電阻和高的升阻比，廣泛被用于PC主板、移動通信和磁盤驅動器等。國內與國外的PPTC還有一定的差距。目前PPTC的發展趨勢為進一步小型化，即按通用片式元件的規格系列化。但是我國還處于起步階段，尚未大規模生產。

5　限制因素解決方案

對于PTC本身應用的限制而言，抗擊大電流沖擊能力差，承受大電壓弱以及散熱困難等，是限制PTC材料在限流領域亟待解決的問題。

此類問題的解決，眾多專家提供了很多解決方案?？偨Y起來，大致有兩種途徑，一是從PTC材料本身進行更新與改良[29]，二則是從電路結構優化進行改善。

對于材料工藝方方面，文獻[30]通過改變成型壓力來提高PTC材料性能。文獻[31]通過使用不同的造粒方法制備性能更加優越的PTC材料。文獻[32]通過控制不同的燒結溫度，可實現PTC性能的提升。

對于電路優化方面，Guo Zhenyu等進行了PTC材料性能測試多項實驗，得出高分子和陶瓷PTC材料有比較大的阻溫系數和耐熱能力，一般限流保護使用這兩種材料的 PTC元件進行保護[12]。在文獻[12]中其對16種PTC進行性能測，比對選擇低電阻高耐壓進行分析實驗。選用產品最高耐壓870 V進行電壓沖擊，研究發現直接進行串聯組合不能提高其耐壓能力，而并聯壓敏電阻進行串聯，耐壓能力有了顯著提高，達到1400 V。

M.M.Arabshahide[13]等同樣采用相同的方法進行測試，其采用C915型PTC材料，性能如下：方案為17×17模式進行組合，在12 kV電壓的電壓中，將20 kA短路電流在4.5 ms內限制為1280A。

表3　C915型PTC材料測試性能

6　總結

科學技術的發展，現代艦船在短路保護方面存在新的問題，現有的熔斷器和斷路器難以解決現有問題，這就對限流保護裝置提出了新的要求，隨著PTC產品的迅速發展，使用PTC元件與電氣元件組合進行限流，逐漸成為一直新型的保護技術。但是PTC由于其本身的晶體結構和性能，在大電壓和大電流場合應用困難，必須采取合適的方式進行改進，來提高其耐電壓和大電流性能。使用新型的PTC材料和采用合理的電路設計，是目前解決此類問題的主要方式。具體內容：在材料方面，使用多種加工方式進行優化設計，制備篩選耐壓大，電阻小，短路電流大的性能優越的材料；在電路優化方面，采用PTC元件和壓敏電阻進行并聯，可以提高其最大承受電壓以及滿足更大的短路電流沖擊。

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Reviews on Current-limiting Protection Based on PTC Materials

Hui Feifei，Yang Feng
( Department of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Aimed at the increasing of the short circuit current，the current limiting is an effective way to achieve the short-circuit protection. To adopt PTC components in the current-limiting protection is a new method in this area，which not only can be both recoverable and reusable，but also has the great potential of application in the area of the large current breaker. This paper mainly summarizes and compares existing methods for current-limiting protection. What’s more，it systematically analyzes the problems in the research on PTC and listed on the types and applications of those PTC in being. More importantly，detailed analysis is made in this paper on the feasibility for the solution related to PTC’s withstand voltage as well as its large current shock. Finally，the full text and get the drafting solution for the PTC’s application in current limit is summarized.

ship; electric power system; current-limiting protection; PTC materials

TM471

A

1003-4862（2015）10-0036-05

2015-07-06

惠飛飛（1990-），男。研究方向：電路繼電保護系統。