高能高能 PTCPTC 与与 ZnOZnO 非线性电阻非线性电阻

在大型同步发电机组灭磁及转子在大型同步发电机组灭磁及转子过电压过电压

保护中的应用保护中的应用

上海鑫日电气科技有限公司上海鑫日电气科技有限公司朱 仲 彦 朱 仲 彦

前 言前 言

•随着电力系统的扩大和同步发电机单机容随着电力系统的扩大和同步发电机单机容量的增长，快速切除故障电流是确保电力量的增长，快速切除故障电流是确保电力系统稳定和安全运行的必要条件。当发电系统稳定和安全运行的必要条件。当发电机内部或外部（发－变组接线时，包括与机内部或外部（发－变组接线时，包括与主断路器连接的母线）出现短路或接地故主断路器连接的母线）出现短路或接地故障时，快速切断励磁电源，并在尽短的时障时，快速切断励磁电源，并在尽短的时间内消耗掉储藏在励磁绕组中的能量，快间内消耗掉储藏在励磁绕组中的能量，快速可靠的灭磁及转子过电压保护装置起着速可靠的灭磁及转子过电压保护装置起着至关重要的作用。 至关重要的作用。

前 言前 言

•常规的方法是用提高快速开关的速度和增常规的方法是用提高快速开关的速度和增大开关的断口容量和弧压来解决，由于受大开关的断口容量和弧压来解决，由于受吸能元件（碳化硅或氧化锌）的残压比和吸能元件（碳化硅或氧化锌）的残压比和阀值电压的影响，使这种提高和增大受到阀值电压的影响，使这种提高和增大受到一定的限制，如何更好地解决这一问题，一定的限制，如何更好地解决这一问题，长期以来一直是直流电感性负载大电流开长期以来一直是直流电感性负载大电流开断领域中一项难以攻克的课题。 断领域中一项难以攻克的课题。

前 言前 言

•二十一世纪材料科学的飞速发展，高能二十一世纪材料科学的飞速发展，高能 PTPTCC （正温敏特性电阻）的研制成功，为从根（正温敏特性电阻）的研制成功，为从根本上解决这一难题找到了新的途径。充分本上解决这一难题找到了新的途径。充分利用高能利用高能 PTCPTC 器件的导通和阻断两种特性器件的导通和阻断两种特性来实现对自动空气开关的换流并阻断建压，来实现对自动空气开关的换流并阻断建压，配合配合 ZnOZnO 非线性电阻的吸能，即可较好地非线性电阻的吸能，即可较好地解决大型同步发电机组的灭磁和转子过电解决大型同步发电机组的灭磁和转子过电压保护装置中目前所存在的问题。压保护装置中目前所存在的问题。

主要内容包括：主要内容包括：

•一、高能一、高能 PTCPTC （正温敏特性）电阻的物理（正温敏特性）电阻的物理特性及应用 ；特性及应用 ；

•二、二、 DZLDZL 电子组合型磁场断路器及转子过电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 ；电压保护装置原理接线图 ；

•三、转子回路的过电压保护 ；三、转子回路的过电压保护 ；•四、四、 DZLDZL 电子组合型磁场断路器开断实测电子组合型磁场断路器开断实测

波形图 。波形图 。

一、高能一、高能 PTCPTC （正温敏特性）电阻（正温敏特性）电阻的物理特性及应用的物理特性及应用•随着材料科学的迅猛发展，随着材料科学的迅猛发展， PTCPTC 电阻的应电阻的应

用已从电子领域进入到电力领域，其能容用已从电子领域进入到电力领域，其能容和耐压水平都有了大幅度的提高（单片通和耐压水平都有了大幅度的提高（单片通流容量≥流容量≥ 1KA1KA ，耐压≥，耐压≥ 1200V1200V ），其阻值），其阻值变化范围大于兆欧级（≥变化范围大于兆欧级（≥ 101066ΩΩ），居里温），居里温度点度点 TcTc 根据需要可在根据需要可在 80℃—120℃80℃—120℃ 间设定。间设定。PTCPTC 的物理特性见《图一》。 的物理特性见《图一》。

图一：图一： PTCPTC 元件的温敏特性曲线 元件的温敏特性曲线

一、高能一、高能 PTCPTC （正温敏特性）电阻（正温敏特性）电阻的物理特性及应用的物理特性及应用• 其工作原理为：其工作原理为： PTCPTC 的电阻值的电阻值 RR在居里温度在居里温度 TCTC

以下时，呈低阻态特性，当温度高于以下时，呈低阻态特性，当温度高于 TCTC后，阻后，阻值值 RR 会急剧上升至兆欧级，变成高阻状态。基于会急剧上升至兆欧级，变成高阻状态。基于PTCPTC 元件的物理特性，我们可以把它与灭磁开关元件的物理特性，我们可以把它与灭磁开关配套使用，利用以高能正温敏特性电阻（配套使用，利用以高能正温敏特性电阻（ PTCPTC ））为主的为主的 DHQDHQ电子换流器对开关主触头换流并快速电子换流器对开关主触头换流并快速建压，实现灭磁开关无弧分断。以解决因灭磁开建压，实现灭磁开关无弧分断。以解决因灭磁开关建压不足转子能量无法转移至关建压不足转子能量无法转移至 ZnOZnO 电阻，而引电阻，而引起灭磁开关烧毁的事故。新装置在灭磁开始后，起灭磁开关烧毁的事故。新装置在灭磁开始后，能迅速阻断施加于励磁绕组的励磁电源，并建压能迅速阻断施加于励磁绕组的励磁电源，并建压实现将绕组中的能量转移到以实现将绕组中的能量转移到以 ZnOZnO 非线性电阻为非线性电阻为主的移能器主的移能器 YNQYNQ中，达到快速灭磁的目的。中，达到快速灭磁的目的。

一、高能一、高能 PTCPTC （正温敏特性）电阻（正温敏特性）电阻的物理特性及应用的物理特性及应用

• PTCPTC 器件本身具有强烈的负反馈效应，它器件本身具有强烈的负反馈效应，它们组合应用时，就有自然均流的效果。所们组合应用时，就有自然均流的效果。所以不需要在灭磁电阻中串联均流电阻和快以不需要在灭磁电阻中串联均流电阻和快速熔断器，大大地减小了安装空间和消除速熔断器，大大地减小了安装空间和消除因因 ZnOZnO 阀片的负阻特性所造成的短路隐患。阀片的负阻特性所造成的短路隐患。其应用简单可靠、并有电流保护特性。其其应用简单可靠、并有电流保护特性。其伏安特性见图二 伏安特性见图二

图二 图二 V-IV-I 电压电压 --电流特性 电流特性

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 转子过电压保护装置原理接线图 • 在直流电感性负载大电流开断的过程中最大的问在直流电感性负载大电流开断的过程中最大的问

题就是要快速安全的消耗掉储存在电感线圈中的题就是要快速安全的消耗掉储存在电感线圈中的巨大能量，常用的吸能元器件主要有巨大能量，常用的吸能元器件主要有 SiCSiC 和和 ZnOZnO非线性电阻两种。目前国外普遍采用非线性电阻两种。目前国外普遍采用 SiCSiC 非线性非线性电阻，因为电阻，因为 SiCSiC 阀片的阀片的 VV －－ AA 特性较软，易于串特性较软，易于串并联使用，在磁场断口弧压较低的条件下，它容并联使用，在磁场断口弧压较低的条件下，它容易实现对磁场断路器断口电流的安全转移，不会易实现对磁场断路器断口电流的安全转移，不会烧损磁场断路器的触头；但由于烧损磁场断路器的触头；但由于 SiCSiC 的残压比较的残压比较大，在大电流开断的情况下，极高的残压不仅对大，在大电流开断的情况下，极高的残压不仅对转子的绝缘构成威胁，而且对断口电流的转移也转子的绝缘构成威胁，而且对断口电流的转移也会造成一定的困难，同样存在着开关触头烧损事会造成一定的困难，同样存在着开关触头烧损事故的可能性。 故的可能性。

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 转子过电压保护装置原理接线图

•国内普遍采用国内普遍采用 VV －－ AA 特性较硬的特性较硬的 ZnOZnO 非线非线性电阻，它的漏电流小，非线性特性较陡，性电阻，它的漏电流小，非线性特性较陡，其残压比远远小于其残压比远远小于 SiCSiC 非线性电阻。因此非线性电阻。因此用它来作为吸能元件，不仅能做到快速灭用它来作为吸能元件，不仅能做到快速灭磁，而且在强励灭磁的工况下，也不会引磁，而且在强励灭磁的工况下，也不会引起过高的残压。但是采用起过高的残压。但是采用 ZnOZnO 非线性电阻非线性电阻灭磁有两大主要问题不易解决 。灭磁有两大主要问题不易解决 。

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 转子过电压保护装置原理接线图

• 11 、磁场断路器需要提供足够高的断口弧、磁场断路器需要提供足够高的断口弧压，磁场电流才能从断口换流到压，磁场电流才能从断口换流到 ZnOZnO 灭灭磁电阻中去，否则将不可避免地会引起磁磁电阻中去，否则将不可避免地会引起磁场断路器烧毁的严重事故。目前某些科研场断路器烧毁的严重事故。目前某些科研单位一味追求快速灭磁，研制多断口高额单位一味追求快速灭磁，研制多断口高额定最大遮断电压的磁场断路器，有的断口定最大遮断电压的磁场断路器，有的断口弧压甚至高达弧压甚至高达 60006000～～ 7000V7000V ，这对转子，这对转子回路的绝缘是非常危险的，也是规程规范回路的绝缘是非常危险的，也是规程规范所不允许的。所不允许的。

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 转子过电压保护装置原理接线图

• 22 、、 VV －－ AA 特性较硬的特性较硬的 ZnOZnO 元件不易于串并联元件不易于串并联使用。往往为了达到均流、均能的目的，厂方使用。往往为了达到均流、均能的目的，厂方需对元件的需对元件的 VV －－ AA 特性、漏电流、残压比等参特性、漏电流、残压比等参数进行严格的测试与筛选，然后进行计算机配数进行严格的测试与筛选，然后进行计算机配片，这样一来，一只单片标称容量片，这样一来，一只单片标称容量 15KJ15KJ，成本，成本仅为仅为 3030～～ 5050 元的阀片，经过筛选后到用户手元的阀片，经过筛选后到用户手中，就升值至每片中，就升值至每片 200200～～ 300300 元，大大增加了元，大大增加了使用成本，造成价格昂贵。而是由于使用成本，造成价格昂贵。而是由于 ZnOZnO 的负的负阻特性影响，为了防止造成短路故障，需要在阻特性影响，为了防止造成短路故障，需要在每一支路中串接熔断器，大大增加了安装空间。每一支路中串接熔断器，大大增加了安装空间。

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 转子过电压保护装置原理接线图

•针对以上两大问题，一种由高能针对以上两大问题，一种由高能 PTCPTC 与与 ZnZnOO 非线性电阻优化组合的磁场断路器已研非线性电阻优化组合的磁场断路器已研制成功，攻克了长期以来不易解决的难题。制成功，攻克了长期以来不易解决的难题。

图三 图三 SiCSiC 、、 ZnOZnO 和和 PTCPTC 非线性电阻特性曲非线性电阻特性曲线 线

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图 转子过电压保护装置原理接线图 •由图中可以看出在相同电压的工况下，由图中可以看出在相同电压的工况下， PTPT

CC 电阻通过的电流电阻通过的电流 I2I2远远大于远远大于 SiCSiC 和和 ZnOZnO通过的电流。图中粗线为高能通过的电流。图中粗线为高能 PTCPTC 和和 ZnOZnO非线性电阻组合器件所呈现的非线性电阻组合器件所呈现的 VV －－ AA 特性，特性，我们利用这种特性制成的电子换流器（我们利用这种特性制成的电子换流器（ DHDHQQ）和移能器（）和移能器（ YNQYNQ ）并接在开关主触头）并接在开关主触头的两端，就能很好的实现开关的换流、建的两端，就能很好的实现开关的换流、建压并吸收掉存储在电感线圈中的能量。具压并吸收掉存储在电感线圈中的能量。具体接线方式见下图。 体接线方式见下图。

图四 灭磁及转子过电压保护原理接线图 图四 灭磁及转子过电压保护原理接线图

C D2YNQ

GB

R

K1

D1K2 DHQ

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图转子过电压保护装置原理接线图• 电子组合型磁场断路器的工作原理：正常运行时，机械开关电子组合型磁场断路器的工作原理：正常运行时，机械开关

的主触头的主触头 K1K1 和辅助触头和辅助触头 K2K2闭合，电子换流器和移能器因闭合，电子换流器和移能器因K1K1 的短接而未工作（不承受电压），正常或事故跳开关灭的短接而未工作（不承受电压），正常或事故跳开关灭磁时，先跳开开关主触头磁时，先跳开开关主触头 K1K1 ，磁场电流由，磁场电流由 K1K1 主电路换流主电路换流至至 K2K2支路，因支路，因 K2K2支路中的电子换流器（支路中的电子换流器（ DHQDHQ）为初始电）为初始电阻很小的高能阻很小的高能 PTCPTC 组件（约组件（约 0.1Ω0.1Ω），以开断），以开断 1000A1000A 的磁的磁场电流为例，在场电流为例，在 K1K1 两端产生的电压仅为两端产生的电压仅为 100V100V ，所以，所以 K1K1 能能实现不烧损主触头的无电弧分闸；在磁场电流的作用下，实现不烧损主触头的无电弧分闸；在磁场电流的作用下， PPTCTC做功发热，其阻值急剧上升、迅速阻断并在其两端建立做功发热，其阻值急剧上升、迅速阻断并在其两端建立起足够的断口电压起足够的断口电压 UKUK ，当，当 UKUK超过移能器中的高能超过移能器中的高能 ZnOZnO 非非线性电阻的阀值电压时，磁场电流开始第二次换流，由移能线性电阻的阀值电压时，磁场电流开始第二次换流，由移能器消耗掉电感线圈中储存的能量，实现快速灭磁。器消耗掉电感线圈中储存的能量，实现快速灭磁。

二．二． DZLDZL 电子组合型磁场断路器及电子组合型磁场断路器及转子过电压保护装置原理接线图转子过电压保护装置原理接线图

•上图中辅助触头上图中辅助触头 K2K2 为延时跳开，其主要作为延时跳开，其主要作用是当励磁方式为它励系统时，在机组灭用是当励磁方式为它励系统时，在机组灭磁完成后能使电子换流器磁完成后能使电子换流器 DHQDHQ 免受外部电免受外部电源的作用而长期发热；在自励系统中，源的作用而长期发热；在自励系统中， K2K2可不用。二极管跨接桥中的可不用。二极管跨接桥中的 D1D1 可保证励磁可保证励磁调节器的正常逆变功能不受影响；调节器的正常逆变功能不受影响； D2D2 能避能避免转子回路的开路状态。 免转子回路的开路状态。

三、转子回路的过电压保护 三、转子回路的过电压保护

• RCRC 为常规的阻容吸收电路，其主要作用是为常规的阻容吸收电路，其主要作用是在直流侧断开时，吸收储存在交流电路和在直流侧断开时，吸收储存在交流电路和变压器漏抗中的残余能量，可很好的抑制变压器漏抗中的残余能量，可很好的抑制瞬时过电压。 瞬时过电压。

三、转子回路的过电压保护 三、转子回路的过电压保护

•由由 ZnO&PTCZnO&PTC 组件（专利技术）制成的转组件（专利技术）制成的转子过电压保护装置子过电压保护装置 GBGB是采用中间带孔的环是采用中间带孔的环形阀片，一是便于组装，大大节省了安装形阀片，一是便于组装，大大节省了安装空间；二是试验证明：由于电流的集肤效空间；二是试验证明：由于电流的集肤效应，所有的击穿都是发生在阀片的外边沿，应，所有的击穿都是发生在阀片的外边沿，所以采用环形阀片具有便于组装、减少安所以采用环形阀片具有便于组装、减少安装空间和重量等明显的优势。装空间和重量等明显的优势。

单组 ZnO&PTC 组件原理图

RN1 RT RN2RN3

RN

RN1 RT RN2RN3

RN

三、转子回路的过电压保护 三、转子回路的过电压保护

• 常规的用高能常规的用高能 ZnOZnO 压敏电阻作为转子过电压吸收压敏电阻作为转子过电压吸收的方案，为了防止老化，往往将其荷电率的值选的方案，为了防止老化，往往将其荷电率的值选得很低（得很低（ 0.60.6以下），这使以下），这使 ZnOZnO 压敏电阻吸收尖压敏电阻吸收尖峰过电压的能力大大降低，而采用无感式峰过电压的能力大大降低，而采用无感式 ZnO&PZnO&PTCTC 组件（专利技术）组成的过电压保护装置组件（专利技术）组成的过电压保护装置 GB GB ，，不仅可以提高它的荷电率（可选取不仅可以提高它的荷电率（可选取 0.80.8），由于），由于PTCPTC 的作用，的作用， ZnOZnO 元件不怕老化，也不会造成短元件不怕老化，也不会造成短路。经实测路。经实测 RRTT 吸收尖峰过电压的效果相当显著。吸收尖峰过电压的效果相当显著。电路中电路中 RRNN的作用是补偿因的作用是补偿因 PTCPTC 发热万一完全阻发热万一完全阻断，而仍能保证该支路在电路中吸收尖峰过电压断，而仍能保证该支路在电路中吸收尖峰过电压的能力。 的能力。

四、四、 DZLDZL 电子组合型磁场断路器开电子组合型磁场断路器开断实测波形图 断实测波形图 •灭磁接线方案按图四所示，灭磁工况参数灭磁接线方案按图四所示，灭磁工况参数

如下：如下：•转子电感：转子电感： LLff (75°)=1.42H (75°)=1.42H•转子电阻：转子电阻： RRff (75°)=0.35Ω (75°)=0.35Ω•DHQDHQ 初始电阻：初始电阻： RRT0T0 =0.10Ω =0.10Ω•转子电压：转子电压： UUff =460V =460V•转子电流： 转子电流： IIff =1160A =1160A

图六 灭磁实测波形图 图六 灭磁实测波形图

四、四、 DZLDZL 电子组合型磁场断路器开电子组合型磁场断路器开断实测波形图断实测波形图

•图中：图中： IIDD — — 电子换流器电子换流器 DHQDHQ实测电流；实测电流；• IIyy — — 为移能器为移能器 YNQYNQ 实测灭磁电流；实测灭磁电流；• IIff — — 转子总电流；转子总电流；• IIkk — — 开关开关 K1K1 断口实测电流。断口实测电流。

四、四、 DZLDZL 电子组合型磁场断路器开电子组合型磁场断路器开断实测波形图断实测波形图• 工作过程：当工作过程：当 K1K1跳闸时断口电流立即无弧分断，跳闸时断口电流立即无弧分断，

电流换流至电流换流至 DHQDHQ 支路，电流为支路，电流为 IDID ，从转子电流如，从转子电流如果中可以看出，由于这时电路中串接了果中可以看出，由于这时电路中串接了 DHQDHQ的电的电阻阻 RT0RT0 ，转子电流如果及电压，转子电流如果及电压 UfUf会有所下降，这会有所下降，这是由于电路仍处于整流输出状态。电子换流器的电是由于电路仍处于整流输出状态。电子换流器的电阻阻 RTRT 在换流后作功发热，经在换流后作功发热，经 0.04S0.04S阻断，随着断阻断，随着断口电压的升高至口电压的升高至 1060V1060V （可从（可从 UfUf波形中算出），波形中算出），电流进行第二次转移到移能器电流进行第二次转移到移能器 YNQYNQ 支路进行快速支路进行快速灭磁，灭磁， IyIy为最后的灭磁电流，灭磁时间为从为最后的灭磁电流，灭磁时间为从 K1K1 起起跳开始到转子电流衰减到零灭磁结束，共跳开始到转子电流衰减到零灭磁结束，共 0.58S0.58S。 。