惠飛飛，楊　鋒

（海軍工程大學(xué)電氣工程系，武漢 430033）

基于PTC材料的限流保護(hù)研究現(xiàn)狀

惠飛飛，楊鋒

（海軍工程大學(xué)電氣工程系，武漢 430033）

短路電流不斷增大，采用限流的方式進(jìn)行短路保護(hù)是一種有效的保護(hù)方式。使用PTC元件進(jìn)行限流保護(hù)是一種新型的保護(hù)方式，具有可恢復(fù)性和可重復(fù)使用的特點(diǎn)，且對(duì)于大電流的分?jǐn)嗑哂泻艽蟮膽?yīng)用潛力。該文對(duì)現(xiàn)有限流保護(hù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與比對(duì)，對(duì)PTC研究存在問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，闡述羅列現(xiàn)有PTC種類以及適用用途，并對(duì)其耐壓大電流沖擊方案進(jìn)行可行性分析。最后對(duì)其全文進(jìn)行總結(jié)，給出限流應(yīng)用PTC擬解決方案。

船舶電力系統(tǒng)限流保護(hù)PTC材料

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)代船舶正向著綜合電力系統(tǒng)方向發(fā)展。船舶電力系統(tǒng)容量的不斷增大，其必然導(dǎo)致短路電流隨之增大。船舶電力系統(tǒng)中，最危險(xiǎn)且危害最大的故障是短路故障。由于船舶特殊的工作環(huán)境，其發(fā)生短路故障的幾率較大，一旦發(fā)生短路故障，對(duì)船舶的安全航行將產(chǎn)生巨大的威脅[25]?，F(xiàn)代船舶中，對(duì)于短路故障，一般采用斷路器和熔斷器進(jìn)行保護(hù)，但是傳統(tǒng)的斷路器和熔斷器已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的要求[22]。尋求新的保護(hù)方式是解決現(xiàn)有問題的一個(gè)有效途徑。近年來隨著材料的發(fā)展，使用PTC作為限流元件進(jìn)行短路保護(hù)越來越得到重視，其方案的提出對(duì)于解決船舶大電流保護(hù)具有很廣的應(yīng)用前景。

1　PTC材料發(fā)展歷程

PTC材料是一種溫度敏感性的導(dǎo)電材料，PTC英文名為Positive Temperature Coefficient，即正溫度系數(shù)，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(fā)現(xiàn)是 1955年荷蘭科學(xué)家海曼在研究鈦酸鋇中發(fā)現(xiàn)的這一特性。其在鈦酸鋇中添加微量稀土元素，發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇在一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)電阻值發(fā)生了躍變，達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)以上[1]。

PTC熱敏電阻在上世紀(jì) 60年代才大致得到實(shí)用，無論家用還是工業(yè)設(shè)備，幾乎都能看到PTC熱敏電阻的身影。我國(guó)從上世界80年達(dá)才開始研究PTC熱敏電阻，現(xiàn)在已涌現(xiàn)了像華中科技大學(xué)大學(xué)、清華大學(xué)、電子科技大學(xué)等許多科研機(jī)構(gòu)，等到了70年代中期，PTC材料迅猛發(fā)展，各種性能被廣泛發(fā)掘，PTC元件被用于各種途徑中。至今為止，中國(guó)的PTC產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越快，其研制和生產(chǎn)的產(chǎn)品已越來越接近國(guó)際水平，已然成為世界PTC市場(chǎng)中不可缺少的一部分[2]。

2　常用限流保護(hù)技術(shù)

發(fā)生短路故障時(shí)，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?jǐn)嘭?fù)擔(dān)，縮小切斷時(shí)間，而且大大降低了電動(dòng)力和熱效應(yīng)[22]。短路故障限流器根據(jù)其原理上來進(jìn)行分類，大致可以分為超導(dǎo)型、電力電子型、PTC限流器等[15]。

文獻(xiàn)[23]分析了超導(dǎo)型限流器的基本工作原理。其利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)轉(zhuǎn)變來進(jìn)行短路電流的限制。超導(dǎo)限流器不僅能夠用于較高電壓下，且在發(fā)生短路時(shí)，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)限制短路電流。但是超導(dǎo)限流器需要長(zhǎng)期工作在低溫下，需要配備較多的冷卻設(shè)備，且超導(dǎo)材料的研制和加工也是一個(gè)比較大的問題。

文獻(xiàn)[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(dòng)作快，體積小，控制簡(jiǎn)單，允許工作次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，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(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的過電壓及附加震蕩，需配備相應(yīng)的輔助設(shè)備；諧振型是利用電力電子器件使正常工作處于串聯(lián)諧振狀態(tài)下的電路脫諧，或者使正常工作下處于非諧振狀態(tài)下的電路在短路故障時(shí)進(jìn)入并聯(lián)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(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析過于復(fù)雜，而且大大增加了系統(tǒng)受到短路故障等擾動(dòng)時(shí)的暫態(tài)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(jìn)行限流保護(hù)，但是其控制比較復(fù)雜，且在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波文獻(xiàn)[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(jìn)行限流保護(hù)。正常運(yùn)行下，流過PTC電阻的電流低，PTC電阻呈低阻態(tài)，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，大電流流過PTC元件，PTC元件發(fā)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(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用，且被應(yīng)用在了美國(guó)新型海軍戰(zhàn)艦上。由于PTC材料本身的性質(zhì)，其在高壓領(lǐng)域應(yīng)用受到很大的限制，容易產(chǎn)生較大的過電壓，需配備相應(yīng)的輔助設(shè)備，且限流過程中會(huì)發(fā)生膨脹，必須考慮其連接方式。

3　PTC種類

長(zhǎng)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(fā)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(hù)中的應(yīng)用。隨著對(duì)材料的深度研究，越來越多的PTC材料種類被研發(fā)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(fù)合物PTCR材料是以無定型高分子或半結(jié)晶材料為基體，導(dǎo)電顆粒高度分散在其中而形成的一種復(fù)合體系。當(dāng)導(dǎo)電粒子形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電阻率很低。而PTCR現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于半結(jié)晶材料在熔點(diǎn)附近發(fā)生急劇的體積膨脹或無定型高分子材料在玻璃相轉(zhuǎn)變附近的膨脹所造成。在適當(dāng)?shù)呐浞脚c工藝下導(dǎo)電粒子在高分子的膨脹下逐漸失去聯(lián)系，從而使電阻突然增大。這種高分子復(fù)合PTCR材料與BaTiO3基復(fù)合物相比具有低的室溫電阻率和優(yōu)秀的抗熱震性。但在高溫下由于導(dǎo)電顆粒的重新排列而產(chǎn)生較大的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）效應(yīng)[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(jié)構(gòu)的片狀，電阻率可低至以下 10-5Ω?cm。居里溫度點(diǎn)130℃左右，當(dāng)溫度達(dá)到160℃以上將會(huì)發(fā)生NTC效應(yīng)。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(jí)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(hù)，例如電源供應(yīng)器、測(cè)量器及電池組等，以及電腦、電器、變壓器、汽車等電源供應(yīng)器上。同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究還不夠充分，缺乏原材料，無法使其上升一個(gè)檔次[27]。

以V2O3為基的復(fù)合 PTCR材料，復(fù)合物體系在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處表現(xiàn)為由金屬到絕緣體的性質(zhì)，從而產(chǎn)生PTC效應(yīng)。摻雜V2O3陶瓷是一種新型PTC材料，同BaTiO3陶瓷相比，其PTC效應(yīng)來源于體內(nèi)溫度誘發(fā)的M-I相變(金屬-絕緣體相變)。

該效應(yīng)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(diǎn)使得摻雜 V2O3陶瓷在用作大電流過流保護(hù)元件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。1946年就曾發(fā)現(xiàn)在 160 K左右晶體中出現(xiàn) M-I相變的現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了室溫以上的M-I相變，產(chǎn)生相應(yīng)的PTC效應(yīng)[4]。

后期Perkins等利用V2O3系材料中的PM-PI相變的體效應(yīng)，制備出以前無法達(dá)到的高失效電流的裝置，其電阻值為100～500 μΩ，電流值達(dá)到250～1 A，最大失效電流可達(dá)到100 kA～500 A，無負(fù)載電阻增大60倍，隨后研制出0.1 Ω～500 μΩ范圍內(nèi)的系PTC熱敏電阻元件，此外，還有大量的日本專利報(bào)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(jì)80年代我國(guó)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(shù)為(3%～4%)℃。但是在燒結(jié)致密度，電性能和實(shí)驗(yàn)可靠性方面存在不足，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的條件?，F(xiàn)如今，我國(guó)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，重點(diǎn)研制了低室溫電阻率，高PTC倍率和大電阻溫度系數(shù)的系 PTC材料。其電阻率達(dá)到了8.0×10-4Ω?cm；升阻比達(dá)到了 380倍，電阻溫度系數(shù)達(dá)到 %6℃，轉(zhuǎn)變溫度為 100℃；額定電流密度：1 A/nm2，響應(yīng)時(shí)間為 0.5 s，額定電壓400～600 V。就其應(yīng)用而言，V2O3基PTC材料最大的優(yōu)勢(shì)在于常溫電阻率低，因此在大電流保護(hù)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠替代熔斷器、斷路器和真空開關(guān)等大功率條件下應(yīng)用的過流保護(hù)元件[4]。

對(duì)于高膨脹陶瓷-導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料，這種材料是根據(jù)復(fù)合材料的相互作用性，將導(dǎo)電陶瓷材料與絕緣的高膨脹陶瓷材料復(fù)合在一起。張其土等曾對(duì)SiO2-C系陶瓷復(fù)合材料作了研究，證實(shí)該類陶瓷復(fù)合材料具有PTC效應(yīng)，但由于石墨存在著一定的氧化現(xiàn)象，使Si-C系陶瓷復(fù)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(dǎo)電性粒子，制備高膨脹陶瓷-導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料。通過測(cè)定陶瓷復(fù)合材料的電阻率隨組成和溫度的變化關(guān)系，研究了SiO2-TiC陶瓷復(fù)合材料的導(dǎo)電特性及其 PTC效應(yīng)。當(dāng) TiC的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別在20%～32%和20%～30%之間時(shí)，方石英陶瓷復(fù)合材料和石英陶瓷復(fù)合材料的室溫電阻率相應(yīng)會(huì)發(fā)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(dá)105～106Ω?cm[6]。

曾中明[7]、蘇軍禮[8]、陸裕東[9]等對(duì) BaPbO3進(jìn)行深入分析研究，指出 BaPbO3陶瓷，具有優(yōu)異的金屬導(dǎo)電特性，且在高溫下還有微弱的正溫度效應(yīng)。BaPbO3陶瓷PTC材料，現(xiàn)已在陶瓷電極、導(dǎo)電膠、抗腐蝕涂料及高溫導(dǎo)體上得到應(yīng)用。其優(yōu)良的金屬導(dǎo)電性已吸引了廣大科研工作者的重視，但對(duì)于其導(dǎo)電機(jī)理還存在著各種不同的解釋。一般認(rèn)為其導(dǎo)電機(jī)理并不是Pb或PbO2存在于晶粒間所致，因?yàn)?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(wěn)定。就其性能而言：一般的 BaPbO3陶瓷熱膨脹系數(shù)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(nèi)阻溫系數(shù)僅為-0.09%/℃，升阻比為103以上，對(duì)其PTCR機(jī)理，迄今為止，PTCR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理仍不是很清楚，很有可能是與高溫下 Pb離子的變價(jià)或氧離子的吸附有關(guān)，這還需要進(jìn)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(qū)域又有PTC效應(yīng)，但是由于其制備困難，尚未得到實(shí)用。

4　PTC限流實(shí)例

文獻(xiàn)[10]介紹使用導(dǎo)電聚合物 PTC元件與斷路器進(jìn)行組合進(jìn)行限流保護(hù)的一種新型限流保護(hù)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(jìn)行組合。

與微型斷路器組合后的整個(gè)分?jǐn)鄷r(shí)間：2.5 ms。RPOLIM系列元件結(jié)構(gòu)如同一個(gè)三明治，兩個(gè)銅平板中間夾著聚合物PTC元件，用強(qiáng)力彈簧在兩邊夾緊。如上所述，結(jié)構(gòu)上它與一常值附加電阻并聯(lián)，再與微型斷路器串聯(lián)，PTC元件與常值電阻并聯(lián)后在正常負(fù)載與短路時(shí)其阻值可改變幾百倍。ABB技術(shù)開發(fā)中心目前正把PTC聚合物嵌入到微型斷路器外殼內(nèi)，如 S620型的微型斷路器，其原先分?jǐn)嗄芰H為 6 kA，組合PRO-LIMTM后，分?jǐn)嗄芰μ岣叩?0 kA。雖然該限流器實(shí)現(xiàn)了在比較大的電壓下能夠進(jìn)行限流保護(hù)，其最大的不足是正常工作時(shí)，將PTC元件串聯(lián)在線路中，雖然提高了分?jǐn)嗄芰?，但是整個(gè)斷路器額定電流仍然很小，應(yīng)用場(chǎng)合受限流。

表1　微型斷路器嵌入PTC聚合物后的技術(shù)參數(shù)

文獻(xiàn)[11]介紹了片式PTC材料，指出PTC首創(chuàng)于美國(guó)的瑞侃公司，現(xiàn)生產(chǎn)的尺度如表2所示：

表2　美國(guó)的瑞侃公司PTC材料的尺度單位 mm

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

PPTC因其極低的冷態(tài)電阻和高的升阻比，廣泛被用于PC主板、移動(dòng)通信和磁盤驅(qū)動(dòng)器等。國(guó)內(nèi)與國(guó)外的PPTC還有一定的差距。目前PPTC的發(fā)展趨勢(shì)為進(jìn)一步小型化，即按通用片式元件的規(guī)格系列化。但是我國(guó)還處于起步階段，尚未大規(guī)模生產(chǎn)。

5　限制因素解決方案

對(duì)于PTC本身應(yīng)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(lǐng)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(jié)起來，大致有兩種途徑，一是從PTC材料本身進(jìn)行更新與改良[29]，二則是從電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行改善。

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

對(duì)于電路優(yōu)化方面，Guo Zhenyu等進(jìn)行了PTC材料性能測(cè)試多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，得出高分子和陶瓷PTC材料有比較大的阻溫系數(shù)和耐熱能力，一般限流保護(hù)使用這兩種材料的 PTC元件進(jìn)行保護(hù)[12]。在文獻(xiàn)[12]中其對(duì)16種PTC進(jìn)行性能測(cè)，比對(duì)選擇低電阻高耐壓進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)。選用產(chǎn)品最高耐壓870 V進(jìn)行電壓沖擊，研究發(fā)現(xiàn)直接進(jìn)行串聯(lián)組合不能提高其耐壓能力，而并聯(lián)壓敏電阻進(jìn)行串聯(lián)，耐壓能力有了顯著提高，達(dá)到1400 V。

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

表3　C915型PTC材料測(cè)試性能

6　總結(jié)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代艦船在短路保護(hù)方面存在新的問題，現(xiàn)有的熔斷器和斷路器難以解決現(xiàn)有問題，這就對(duì)限流保護(hù)裝置提出了新的要求，隨著PTC產(chǎn)品的迅速發(fā)展，使用PTC元件與電氣元件組合進(jìn)行限流，逐漸成為一直新型的保護(hù)技術(shù)。但是PTC由于其本身的晶體結(jié)構(gòu)和性能，在大電壓和大電流場(chǎng)合應(yīng)用困難，必須采取合適的方式進(jìn)行改進(jìn)，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(shè)計(jì)，是目前解決此類問題的主要方式。具體內(nèi)容：在材料方面，使用多種加工方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備篩選耐壓大，電阻小，短路電流大的性能優(yōu)越的材料；在電路優(yōu)化方面，采用PTC元件和壓敏電阻進(jìn)行并聯(lián)，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(hù)系統(tǒng)。