基于NTC电阻的SF6设备温度保持装置

于春来，鲁 钢，刘 洋，朱学成，陈海伦

(黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030)

SF6设备处在低温情况下，存在液化的风险，发生液化后断路器的灭弧能力降低，直接威胁电力系统的安全稳定运行［1－3］。目前，加热保温方法是避免SF6气体液化的最经济和合理的解决方式。加热系统通常包括温控装置、加热装置、远方控制、监控回路等［2］。加热保温方式采用的元器件虽然能够起到加热升温的作用，但是由于元件数量多、接线复杂，对设备的可靠性、气密性等产生不利影响。而且，该方法不能在柱式断路器上使用，大量的柱式断路器仍然面临液化的风险。为此，本文提出了一种采用负温度系数材料作为加热元件的SF6设备加热技术。

1 热敏电阻类型

热敏电阻主要有三种类型［4］:正温度系数热敏电阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)、负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient，NTC)和临界温度热敏电阻(Critical Temperature Resistor，CTR)。

PTC具有正温度特性，当电流流过PTC电阻后，引起温度上升;当超过居里点温度后，电阻也同时增加，电流下降;当增加到某一值时，电流产生的温度与电阻值相互平衡。这样既起到了温度感应的作用又起到了电流控制的作用。但是在电力设备中，电流和电压的量值很高，在正常导通时电流基本不受设备的电阻值影响，可以看做是电流源。因此电力设备选择加热电阻时，不能选择PTC热敏电阻，而应选择NTC热敏电阻作为加热材料。

NTC指的是具有负温度系数的热敏电阻材料，即温度上升电阻呈指数减小。这种材料通常是利用锰、铜、硅等两种或两种以上的氧化物进行混合、成型、烧结而成的半导体。该类型热敏电阻具有阻值任意选择(0．1～100 kΩ)、容易加工成复杂形状、稳定性好、过载能力强的特点。在工作范围内，NTC热敏电阻的电阻－温度特性可以用近似实验公式表示［5］:

式中:T、T0为绝对温度值;RT为温度为T时的电阻值。RT0为温度为T0时电阻值;Bp为该种材料的热敏指数。

2 NTC热敏电阻加热装置

2．1 基本结构模型

断路器无论罐式还是柱式，其主要结构均存在气室内导体的形式，因此构建基本模型如图1所示。其中，导体位于中心位置、导体与外壳之间充填SF6气体，而导体中某段镶嵌有一部分NTC电阻，其对称剖面结构如图2所示。

图1 基本结构模型Fig．1 Basic structure model

图2 基本结构的对称剖面图Fig．2 Symmetric profile of basic structure

2．2 电路分析

由于结构具有对称性，仅对其对称部分(如图2所示)进行分析，电路模型如图3所示。

图3 电路模型Fig．3 Circuit model

外电路等效为一个电流源I，电阻包括导体的电阻R1、R2、Rr和Rn。其中，R1和R2为镶嵌 NTC电阻之外的部分导体电阻值，Rn为镶嵌的NTC电阻的电阻值。

当外电路的电流为I时，Rr和Rn分别流经电流为Ir和In。

镶嵌部分的电加热功率为

总功率为

设Rr/Rn=k，由式(2)、式(3)可知，镶嵌部分的导体和NTC电阻的功率之比为

固定Rr阻值而不同Rn阻值对应的功率关系如图4所示。

图4 电功率Fig．4 Power

图4中，以k=1，即Rr等于Rn时的功率为基准值。在某一k值下，阻值的相对关系决定了功率的分配。选择较大阻值的NTC电阻值，总的热功率增加，导体的功率增加，但NTC的发热量比重较小。

当考虑到温度变化因素时，SF6设备温度较高时，导体与NTC电阻共同分担电流。当温度降低后k增加，而功率变化却呈现相反的趋势。导体的发热功率和总功率值增加，而NTC电阻的功率降低。

2．3 热阻分析

热阻模型如图5所示。

Ts1，Ts2—镶嵌部分导体和NTC电阻的温度;Tg，Tc—气体导体侧温度和外壳测温度;θrr—镶嵌部分导体对镶嵌部分延伸区域的热阻;θrg—镶嵌部分导体对气体的热阻;θm—镶嵌部分导体对NTC电阻的热阻;θn—NTC电阻对气体的热阻;θg—气体的热阻;θc—外壳的热阻。

由于NTC电阻与镶嵌部分导体距离较近，设θrn=0，并合并导体和NTC电阻，得到的气体热阻为

该模型精简化后如图6所示。

图6 热阻简化模型Fig．6 Thermal resistance model

根据上述模型分析得到

2．4 电热分析

根据式(2)—式(5)有

3 参数设计

3．1 温度约束

最低环境温度TaL时:

此时NTC电阻的温度为

最高环境温度TaH时:

式中:TcL为SF6气体外侧温度的最低值，即为SF6气体的液化温度;TgH为 SF6气体允许温度的最高值。

3．2 NTC电阻参数的确定

由温度约束，NTC电阻值应满足

根据式(1)，Bp可由下式确定:

4 仿真试验

设定I=10 A，环境温度分别为+40℃(313 K)和－50℃(223 K)，进行Simulink仿真试验。

4．1 采用NTC电阻材料后的热分布

未采用和采用NTC电阻材料的热分布如图7和图8所示。

图7 未采用NTC电阻材料的热分布Fig．7 Thermal distribution without using NTC resistance materials

图8 采用NTC电阻材料的热分布Fig．8 Thermal distribution using NTC resistance materials

从图7和图8可以看出，未采用NTC电阻加热时，装置的内部温度基本与环境温度一致。当环境温度达到－50℃时，采用NTC电阻加热后，SF6气体的最低温度提升了10℃(达到233 K)，而最高温度仅增加2℃(达到315 K)。可见NTC电阻的负向电阻增加特性和非线性特性改善了低温下的热分布，提升了气体温度。

4．2 B 参数影响

热敏指数对温度分布的影响如图9所示。

图9 热敏指数对温度分布的影响Fig．9 Effect of heat sensitive index on temperature distribution

由图9可知，热敏指数越高，NTC材料的温度变化率越大。当采用高热敏指数的NTC电阻时，相同条件下总体温度降低。但低温的气体温度降低程度小于加热电阻的温度降低程度。这是由于B参数增加，导致在高温时材料电阻的电阻值更小，在一定电流下产生的热量不足以维持热平衡，因此其温度平衡点较低B值时高。

4．3 R25影响

在选择热敏电阻时，通常以25℃时的电阻值作为基准值，在不同基准电阻值下，温度分布如图10所示。

图10 R25电阻值对温度分布的影响Fig．10 Effect of R25resistance value on temperature distribution

仿真结果显示:当R25增加时，各部分的温度差趋大，而且总体温度上升;当R25较小时，R25对温度的影响较显著，因此在选择参数时应尽量选择在这个范围内。

4．4 热阻的影响

热阻对温度分布的影响如图11所示。

由于内部气体与外部环境之间的热阻对气体温度的影响最直接，所以通过仿真曲线图11可以看到，当提高此部分的热阻后，气体温度上升较内部NTC电阻上升幅度大。因此在采用NTC电阻进行内部加热的同时，加强外部的隔热对提高SF6气体的温度具有较好的效果。

图11 热阻对温度分布的影响Fig．11 Effect of thermal resistance on temperature distribution

4．5 冷断路器合闸

断路器分闸后，由于没有负载电流，该装置不能工作，此时断路器无需切断电流，因此分闸后不会对系统的工作产生影响。但当长时间分闸后重新合闸，此时温度仍然很低，需要一段时间才能够重新升高温度，如图12所示。气体热阻和热容量减少50%时合闸后温度变化如图13、图14所示。

图12 合闸后温度变化Fig．12 Temperature changes after closing

图13 与气体热阻减少50%后合闸后温度变化Fig．13 Temperature changes then gas thermal resistance decrease 50%after closing

由图13、图14可知，减少热阻和热容量有利于断路器温度的快速提高。因此在合理布局电场分布的条件下，增加传热面积和减少导热部分的体积，可以减少合闸后断路器在低温范围内的时间。

5 结语

NTC电阻对SF6设备进行加热时，应合理选择热敏电阻的参数;在平衡气体温度加热效果时，应避免内部温度过高。在合理加热的同时，增加保温装置也有利于设备的保温和可靠运行。

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