馬明葉 張 敬 王橋智 孫曉波

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠）

0 引言

氧化鋅滅磁電阻 （Magneto-Resistive Oxide of Zinc，MRO）是一種用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳感器。它是一種基于磁電阻效應(yīng)的傳感器，可以通過測(cè)量材料的電阻變化來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。具體來(lái)說，當(dāng)磁場(chǎng)作用于MRO傳感器時(shí)，材料內(nèi)部的電子會(huì)受到磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化［1］。通過測(cè)量這種電阻變化，就可以確定磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。MRO傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量、磁存儲(chǔ)、磁導(dǎo)航等領(lǐng)域。

一般高場(chǎng)強(qiáng)的氧化鋅非線性電阻主要用作避雷，并不適合發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的滅磁和過電壓保護(hù)。上世紀(jì)70年代，通過國(guó)家立項(xiàng)開發(fā)出了低場(chǎng)強(qiáng)的高能氧化鋅電阻用于船舶等軍工行業(yè)。當(dāng)時(shí)受碳化硅滅磁電阻國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)限制，而高能氧化鋅電阻又具有高能容、滅磁快等優(yōu)點(diǎn)，遂將高能氧化鋅電阻應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁和過電壓保護(hù)，并開始大范圍應(yīng)用于中小型水輪發(fā)電機(jī)組。

1 氧化鋅滅磁電阻

從材料學(xué)角度來(lái)分析，氧化鋅非線性電阻屬于純化學(xué)合成。在氧化鋅電阻燒制過程中，物質(zhì)完全熔融，所有成分都進(jìn)行了重新分布，各元素之間形成了化學(xué)鍵，體積約縮小17%。這就決定了氧化鋅非線性電阻相對(duì)碳化硅非線性電阻具有較高密度、較大能容、較硬伏安特性。但在多支路并聯(lián)時(shí)，如果均流不好，受伏安硬特性、負(fù)阻特性共同作用下，易擊穿短路。為了避免雪崩擊穿短路危害，必須串接熔斷器，因而整體體積較大［2］。

氧化鋅非線性電阻具有負(fù)阻特性（隨溫度升高電阻變?。┖头灿蔡匦?（電流變化時(shí)電壓變化很小）。氧化鋅電阻并聯(lián)時(shí)可等效為如圖1所示電路。

圖1 氧化鋅非線性電阻并聯(lián)等效示意圖

假如圖1中某支路阻值Rt對(duì)比其他支路偏小，則在并聯(lián)支路中Rt對(duì)應(yīng)的氧化鋅非線性電阻發(fā)熱量較大，溫度T上升，由于負(fù)阻特性促使電阻Rt變得更小，循環(huán)往復(fù)使電阻Rt急劇下降直至短路，如圖2所示。

圖2 氧化鋅非線性電阻擊穿原理圖

由圖3可知，氧化鋅電阻的伏安曲線較硬，在達(dá)到導(dǎo)通電壓后，隨著電流指數(shù)倍的增加，電壓只是略微增加。倘若支路之間殘壓值相差ΔU（一個(gè)較小的值），那支路之間所承擔(dān)的電流值I1和I2呈指數(shù)倍差值的關(guān)系。如此殘壓略低的支路承受數(shù)倍能量將急劇發(fā)熱。

圖3 氧化鋅非線性電阻伏安特性

在負(fù)阻特性和伏安硬特性的共同作用下，并聯(lián)支路中電阻偏小的支路在滅磁過程中將承受更多的能量，容易形成熱崩潰導(dǎo)致氧化鋅非線性電阻雪崩擊穿甚至短路。也可以這樣理解，氧化鋅非線性電阻受負(fù)溫度特性影響，交流電阻相對(duì)較小的支路在正反饋的作用下電阻會(huì)急劇下降直至短路。

因此，氧化鋅非線性電阻對(duì)各并聯(lián)支路之間參數(shù)匹配要求極高（要求在大電流下，各支路的殘壓偏差極?。瑫r(shí)需加裝熔斷器保護(hù)裝置，以避免擊穿短路造成次生危害。但加裝熔斷器后，整體體積大大增加，使氧化鋅滅磁電阻應(yīng)用受到了限制。氧化鋅非線性電阻有導(dǎo)通閥值，滅磁時(shí)為了保證換流成功須配備高弧壓的滅磁開關(guān)，否則易導(dǎo)致?lián)Q流失敗燒毀滅磁開關(guān)［3］。隨著機(jī)組容量的增大和勵(lì)磁參數(shù)的提高，配套滅磁開關(guān)的選擇也愈加困難。

2 碳化硅滅磁電阻

碳化硅非線性電阻不屬于純粹的化學(xué)合成，碳化硅人工合成晶體的制作工藝類似于陶器的制作，在制作過程中物質(zhì)沒有完全熔融，成分不存在劇烈的重新分布，燒制前后體積沒有變化。由于碳化硅非線性電阻的材質(zhì)特性決定了碳化硅電阻的溫度特性，其特征是當(dāng)碳化硅電阻溫度上升時(shí)阻值會(huì)減少，因此在恒定電流負(fù)載條件下，其兩端電壓隨溫度升高會(huì)減少，或者在恒定電壓負(fù)載下其電流隨溫度上升而增加，呈負(fù)電阻溫度系數(shù)特性。碳化硅非線性電阻在耐受過大能量沖擊時(shí)，所呈現(xiàn)的狀況是裂開，不存在短路擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需串接熔斷器，因而整體結(jié)構(gòu)緊湊（同等能容量體積約為氧化鋅非線性電阻的1／5）。這也是國(guó)外普遍采用碳化硅電阻滅磁的主要原因。

碳化硅非線性電阻沒有導(dǎo)通閥值，對(duì)滅磁開關(guān)的弧壓要求大大降低，更能保證滅磁可靠性。美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE426.1明確推薦碳化硅滅磁電阻作為非線性滅磁電阻。但碳化硅電阻伏安曲線較軟，磁場(chǎng)電流轉(zhuǎn)移相對(duì)容易，不存在均流、均壓、均能的問題，也不需要熔斷器。但電流變化時(shí)電壓變化大，無(wú)法達(dá)到氧化鋅電阻滅磁殘壓基本恒定的效果，滅磁時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。碳化硅滅磁電阻伏安曲線較軟又成就了其自動(dòng)均流特性。

如圖4所示，假使某支路阻值Rt偏小，該支路將比其他支路吸收更多能量，溫度也會(huì)更高。受負(fù)阻特性影響，Rt也會(huì)相應(yīng)減小，該支路電流勢(shì)必要增大，與氧化鋅電阻不同，由于SiC電阻的伏安曲線較軟，勢(shì)必要增大兩端電壓，但由于與其他支路屬于并聯(lián)關(guān)系，從而限制其電壓變化，也就鉗制了該支路電流的急劇上升，迫使各支路之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。換言之，碳化硅電阻受伏安軟特性的影響，交流電阻相對(duì)較小的支路在負(fù)反饋的作用下電阻不會(huì)急劇變化［4］。

圖4 碳化硅滅磁電阻電氣原理圖

3 組合型滅磁電阻

非線性電阻是指有非線性電阻特性的材料或器件。氧化鋅非線性電阻器和碳化硅非線性電阻器都屬于此類。而組合型滅磁電阻則是由多個(gè)非線性電阻器件組成的一種電子元器件，主要用于消除高壓輸電線路中的磁場(chǎng)發(fā)射所導(dǎo)致的電磁干擾。

具體來(lái)說，在高壓輸電線路中，當(dāng)電流通過線路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)可能影響到周圍設(shè)備和電子系統(tǒng)的正常工作。為防止這種磁場(chǎng)干擾，可以將多個(gè)氧化鋅和碳化硅組成的非線性電阻器通過串聯(lián)、并聯(lián)等方式連接起來(lái)，形成組合型滅磁電阻器。

組合型滅磁電阻器在設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要考慮多種參數(shù)，如電壓、電流、頻率和溫度等因素，以確保其能夠有效地抵消磁場(chǎng)干擾。所以采用氧化鋅非線性電阻和碳化硅非線性電阻組合型滅磁電阻，可兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)。

如圖5所示，在并聯(lián)氧化鋅非線性電阻的每組支路中串聯(lián)碳化硅電阻（圖中用深色示意碳化硅）。假使某支路阻值Rt偏小，該支路電流勢(shì)必較大，根據(jù)碳化硅伏安特性，與其串聯(lián)的碳化硅電阻端電壓勢(shì)必要增大，由于各支路屬于并聯(lián)關(guān)系反過來(lái)鉗制碳化硅電阻端電壓上升，因此限制了該支路電流急劇上升，也就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)均流。

圖5 碳化硅非線性電阻與氧化鋅非線性電阻串聯(lián)使用電氣圖

簡(jiǎn)單來(lái)說，由于氧化鋅的伏安特性較硬，電壓基本不變，單純氧化鋅非線性電阻并聯(lián)時(shí)，相同電壓下電流允許變化，負(fù)阻特性起主導(dǎo)作用。碳化硅有所不同，伏安特性較氧化鋅軟，該支路電壓隨電流變化大，負(fù)阻特性相比伏安特性小得多，起主導(dǎo)作用的是伏安特性，也就限制了該支路電流的急劇上升。當(dāng)氧化鋅非線性電阻與碳化硅非線性電阻串聯(lián)后，氧化鋅的負(fù)阻特性被碳化硅的軟伏安特性抑制，也就避免了氧化鋅的雪崩擊穿。

早期一些勵(lì)磁設(shè)計(jì)師為使氧化鋅非線性電阻不易被擊穿，通過在各支路串聯(lián)線性電阻來(lái)改善，也是這個(gè)原理。只是今天碳化硅非線性電阻與氧化鋅非線性電阻組合裝置的性能更優(yōu)越，且兩者相同的外形尺寸串接時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊且美觀。

碳化硅非線性電阻與氧化鋅非線性電阻串聯(lián)使用時(shí)，有效補(bǔ)償了氧化鋅非線性電阻的硬特性及負(fù)阻特性，克服了單一采用氧化鋅非線性電阻的不足，使并聯(lián)支路呈現(xiàn)自動(dòng)均流特性，大大地提高了組件使用的安全性［5］。碳化硅非線性電阻、氧化鋅非線性電阻及組合型滅磁電阻整體伏安特性如圖6所示。

圖6 氧化鋅非線性電阻、碳化硅非線性電阻及兩者串聯(lián)的伏安特性曲線

通過深入了解發(fā)現(xiàn)，2009年之前，南瑞繼保率先將碳化硅與氧化鋅組合滅磁裝置，從中、小型電廠試用開始，逐步應(yīng)用到調(diào)相機(jī)、燃機(jī)發(fā)電廠和大型火力發(fā)電廠，在安全穩(wěn)定性等方面均取得很好效果。從近期在廣東陽(yáng)西2臺(tái)6×105kW 勵(lì)磁系統(tǒng)得到成功應(yīng)用可見其技術(shù)的成熟（詳見表1）。

表1 碳片與氧化鋅閥片串聯(lián)組件應(yīng)用實(shí)例

同時(shí)，在正常、老化開裂、擊穿、邊緣爬電情況下，分別測(cè)量氧化鋅非線性電阻與碳化硅非線性電阻的阻值，見表2。不難發(fā)現(xiàn)：氧化鋅非線性電阻在擊穿后呈現(xiàn)低阻或短路狀態(tài)，碳化硅非線性電阻在老化開裂、邊緣爬電、擊穿的情況下呈現(xiàn)阻值變大或開路狀態(tài)。所以，串聯(lián)在支路中的碳化硅電阻在過熱時(shí)阻值變大甚至開路起到保護(hù)作用，可以替代熔斷器。因此，碳化硅非線性電阻與氧化鋅非線性電阻集成組裝，相較傳統(tǒng)氧化鋅滅磁電阻在相同能容量下占用空間可縮減至原來(lái)的1／4。

表2 碳化硅閥片與氧化鋅閥片正常及損壞后的實(shí)測(cè)阻值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述氧化鋅滅磁電阻和碳化硅滅磁電阻，從材料、性能以及使用場(chǎng)景各方面綜合分析，在材料上兩種滅磁電阻的純化學(xué)合成與不純粹的化學(xué)合成構(gòu)成了其特有的材料屬性，基于其不同的材料屬性決定了它們不同的電氣特征，各有優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。而氧化鋅非線性電阻和碳化硅非線性電阻組合型滅磁電阻兼顧了氧化鋅非線性電阻和碳化硅非線性電阻的優(yōu)點(diǎn)，既可自動(dòng)均流，提高滅磁電阻的安全性，又保留了氧化鋅電阻快速滅磁的優(yōu)勢(shì)，且縮減了體積，節(jié)省了安裝空間。目前，國(guó)內(nèi)南瑞繼保、東方電氣、三峽能事達(dá)、億恒電力等公司都采用了組合型滅磁電阻，取得了良好的效果。