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Silicon Carbide

600-A 系列 SiC 碳化硅灭磁电阻性能介绍

目录

集团简介地理位置工厂环境主要产品服务支持性能特征技术规范参数选择应用实例业绩国外部分用户业绩国内部分用户

M&I Materials 集团简介

在我国和世界著名的三峡水电厂左岸及右岸 26 台 700MW 水轮发电机组励磁系统中均采用了 M&I Materials 公司的 SiC 非线性灭磁电阻。

M&I Materials 公司位于英国 Trafford 工业园 , 是一家一流的工业和科研特殊原料供应商有着悠久的历史。为世界许多知名大中型企业（如 ABB ，西门子等）提供多种高科技材料及高性能工业用产品。其中，对碳化硅产品已有着 60 年的生产经验。在产品销售方面，特别是对于其主流产品之一— SiC 碳化硅灭磁电阻，产品应用遍及世界各地，客户有： ABB 、Alstom 、 Siemens 、 Areva 以及 VA TECH SAT 等国际制造商。

M&I Materials 地理位置• 位于曼特斯顿国际机场附近• 位于利物浦港口附近 , 通往

赫尔港口非常方便• 接近国际高速公路网

M&I Materials 工厂环境

M&I 公司于 2003 年新建的占地面积 12000m2 现代化厂房

M&I Materials 主要产品

1 、粉末冶金—— WOLFMET 钨合金 ; METROSIL 浪涌过电压保护压敏电阻及 SiC 碳化硅非线性灭磁电阻。其中 SiC 碳化硅非线性灭磁电阻为 M&I 公司主要产品之一，因其性能穩定，不易老化，使用寿命长，体积小及吸收能能量大等特点，为此在大中型水、火电发电机组励磁系统中获得了广泛的应用。

2 、绝缘油 / 绝缘油脂—— MIDEL7131 适用于具有环保与消防要求的合成酯变压器用绝缘油； APIEZON 真空绝缘油及各类真空处理用蜡。

M&I Materials 服务支持

M&I 公司每种产品均有专业的销售、生产与技术支持，以便为客户提供优质服务。其产品销往全球五十多个国家，强大的专家团队与遍布全球的销售网络，公司凭借雄厚的资金实力，充足的资源，可为不同地域的客户提供本地化的服务与支持。

• SiC 碳化硅灭磁电阻 V-I特性：

在评价非线性灭磁电阻特性时，通常以非线性电阻系数予以表述，相应表达式为：

V ＝ K I β 　　（ 1 ）　 I ＝ HV α （ 2 ）

式中 V — 非线性电阻两端的电压； I — 流过非线性电阻的电流； K,H — 非线性电阻位形系数，与非线性电阻的体积形状，电阻片的串、并联组合以及材质有关； β,α— 电阻非线性系数（ β =1/ α ）。

M&I METROSIL 性能特征

对于 SiC 非线性电阻，由于在较大的电流变化范围内，其电压变化范围相对的较小，不便于查对，为此在实用中多将式（ 1 ）及式（ 2 ）以对数坐标形式来表示。

对于式（ 1 ）其对数表达式为：

log V ＝ log K + βlog I （ 3 ）在以 V－ I表示的双对数坐标系中，此时非线性电阻的伏安特性

近似为一条直线，如图 1所示。



图 1

M&I METROSIL 性能特征在式（ 3 ），当 I=1A时可得出： log V ＝ log K 或 V ＝ K （ 4 ）式（ 4 ）说明，在 V － I双对数坐标系中，系数 K 等于 I=1A时， V － I 特性曲线与 V轴相交的电压值。同理由式（ 2 ）可得： log I ＝ log H + αlogV （ 5 ）当 V ＝ 1 时，在 V － I 特性曲线中，与其对应的电流值 I=H 下面讨论一下式（ 1 ），式（ 2 ）中各系数 K ， H ， α 及 β 之间的关系式，由式（ 2 ）可求得：


令式（ 1 ）等于式（ 6 ），可求得：

整理得：

（ 6 ）

（ 7 ）

α

1

α

1

α IHH

IV

α

1

HK

1

β

1α βHK

M&I METROSIL 性能特征对于应用于发电机灭磁回路中的 Metrosil SiC 非线性电阻，当其 V － I 特性以

V ＝ K I β 表示时，其典型 K 及 β值如表 1所示：　　表 1

阀片厚度 K （对于单片阀片） β （对于单片阀片）

20mm （ 0.8” ） 40 to 250* 0.5 to 0.3*

0.6” 106 0.4

0.45” 75 0.4

0.3” 53 04

对于 20mm 厚阀片，根据生产工艺及组成的不同，可使 K 和 β值不同，从而满足不同灭磁情况要求。

M&I METROSIL 性能特征－－ SiC 非线性电阻组合特性表达式作为灭磁电阻用途的 SiC 非线性电阻，在实际应用中为了满足灭磁总容

量的要求，通常须将电阻片连接为多路串联、并联接线。其 V—I 特性表达式将不同于单片的 V—I 表达式。

a. 串联表达式假定单片非线性电阻的 V-I 特性表达式为：

如果 Ns片串联连接，其 V-I 特性表达式可写为：

（ 8 ）

βKIV

βSKINV

M&I METROSIL 产品性能 b. 并联表达式假定单片非线性电阻 V-I 特性表达式为：

当 N片非线性电阻并联时，其 V-I 特性表达式为：

（ 9 ）c. 串、并联表达式假定非线性电阻 Np片并联， Ns串联，其组合 V-I 特性表达式为：

（ 10 ）

βKIV

β

P

)N

1K(V

β

PS )

N

1(KNV

－－ SiC 非线性电阻的温度系数由于由于 SiCSiC 非线性电阻的材质特性决定了非线性电阻的材质特性决定了 SiCSiC 电阻的温度特性，其特电阻的温度特性，其特征是当征是当 SiCSiC 电阻温度上升时阻值会减少，在应用中其结果为：在恒定电阻温度上升时阻值会减少，在应用中其结果为：在恒定电流负载条件下，其两端电压随温度升高会减少，或者在恒定电压负电流负载条件下，其两端电压随温度升高会减少，或者在恒定电压负载下其电流随温度上升而增加，呈负电阻温度系数特性。载下其电流随温度上升而增加，呈负电阻温度系数特性。

对于对于 Mertrosils SiCMertrosils SiC 非线性电阻有两种应用情况：非线性电阻有两种应用情况： a. a. 作为浪涌电压吸收元件，其外加电压为恒定值，作为浪涌电压吸收元件，其外加电压为恒定值， SiCSiC 电阻连续吸电阻连续吸收能量，由于泄漏电流的存在会使温度增加，一个设计出现的收能量，由于泄漏电流的存在会使温度增加，一个设计出现的 SiCSiC 电电阻方案会确保由泄漏电流产生的热能会被其元件自然冷却作用所平阻方案会确保由泄漏电流产生的热能会被其元件自然冷却作用所平衡，从而补偿了负电阻温度系数的影响。衡，从而补偿了负电阻温度系数的影响。


b. 作为灭磁电阻使用时，只在灭磁回路动作时即接入发电机励磁回路，而且在灭磁过程中对 SiC 电阻而言，不会承受一个连续作用的恒定电压。为此负电阻温度系数在灭磁回路投入前是无影响的，在灭磁过程中，灭磁作用在短暂的几秒钟时间中已经完成，而且灭磁电源是一个衰减的电压源，即灭磁电压非恒定电压，灭磁电流也非恒定电流，因此负电阻温度系数的影响是极小的，可到忽略的程度。此外，在设计用于灭磁回路的 SiC 电阻容量时，正确的设计会确保 SiC 电阻吸收灭磁能量与元件自然散热达到相互平衡，使元件温度保持在安全运行的水平。


M&I METROSIL 性能特征－－温升计算　　　METROSIL SiC 灭磁电阻的比热系数约为 0.84J/gk ，元件密度约为 2.35g/cm3 。依此基本参数可估算在灭磁过程中 SiC 灭磁电阻的温升。

　例如，对于 600A/US16/P ， spec6298 组件，每个组件 16片并联，整组灭磁电阻由 6 组件并联后再与另外 6 组件并联体串联，整组组件片数为 16×6×2 为 192片。元件直径 150mm ，厚度 15mm ，元件中心孔尺寸为 ф15mm 。依此可求得整组元件的总体积为：

　 V=192×π(7.5-0.75)2×1.5=41223.97cm3

　　总重量为： W=41223cm3×2.35g/cm3=96876g=96.876kg

M&I METROSIL 性能特征　　根据比热 ρ=0.84J/gk ，表明 SiC 灭磁电阻每克每升高 1K所需

能量为 0.84J 。对于上述 SiC 灭磁电阻组件总重为 96.876kg ，使其每升高 1K所需的能量为：

　　　　WE=0.84×96876J/K=81376J/K=81.376KJ/K

　　如果根据灭磁系统计算，在发电机发生突然三相短路时的灭磁容量为 6554KJ ，此时灭磁电阻的最终温升等于：　　 ΔT=6554KJ/81.376KJ/K=80.5K

　　室温取 25°C ，此时灭磁电阻的温升为 105.K 。　　应强调指出的是，上述温升系指稳定温升，根据METROSIL S

iC 灭磁电阻的温升试验表明，由于现设计元件的热时间常数较长，以小时计，为此在几秒内的灭磁过程中， SiC 灭磁电阻的实际温升是较小的。

M&I METROSIL 性能特征－－ SiC 非线性电阻的灭磁时间　　对于采用 Metrosil SiC 非线性灭磁电阻，其灭磁时间 Tm可以

用下式来表示：　　　　　　　　　　　　　　　　　 (11)

式中： Tm－当发电机转子电流为零时，完成灭磁全过程的时　　　　间（ s ）

　　　 L－发电机励磁绕组的电感值（ H ）　　　 I0－灭磁开始时的初始电流值（ A ）　　　 V0－灭磁开始，非线性电阻流过初始电流 I0时在其两端所产

生的电压值　　　 β－非线性电阻系数

β)(1V

)I(LT

0

0m

M&I METROSIL 600 － A 系列 SIC 灭磁电阻技术规范

对于 M&I 公司所生产的 Metrosil 600-A 系列 Sic 碳化硅压敏电阻产品依用途不同其规格亦各有差异：例如作为设备浪涌过电压保护装置，属于长期通电工作状态，其功耗包括有正常通电工耗及浪涌过电压时的浪涌功耗。对于作为灭磁电阻用途的非线性压敏电阻，在正常工作情况下处于与灭磁回路断开状态，无功耗发生，在灭磁状态下，短时间（通常不超过 5s ）注入最大灭磁能量。灭磁过程结束后有足够的冷却时间，很少有连续发生相继灭磁的情况。另外视灭磁容量的不同， SiC 压敏电阻的尺寸，直径大小及厚度亦有所差异。有鉴于此，在本文中仅以应用在大中容量水、火电机组中使用的大容量 SiC 非线性灭磁电阻—— 600－ A 系列作为述的重点。

－－技术规范 Metrosil 600－ A 系列 Sic 非线性灭磁电阻技术规范，如表 2所示，外形图如图 2所示。


额定能量 SkM 941124外型尺寸图

V － I 特性曲线V=K I

M&I

型号

元件

并联数

元件

厚度

额定

电流

额定电流时

最大电压

重复使用情况，每次灭磁后，

应保证有足够冷却时间间隔。

（灭磁时的温升）

偶尔发生情况

（灭磁时的温升）“A” “B” K ß

600A/US14/P Spec 6672

14 20mm 3500A 1400V1000kJ

(105°C rise)1250kJ

(130°C rise)500mm

425mm ±10mm

65 0.37

600A/US16/P Spec 6298

16 15mm 4000 1100V880kJ

(105°C rise)1050kJ

(125°C rise)500mm

405mm±20mm

35 0.40

600A/US16/P Spec 6321

16 11mm 4000 800V650kJ

(105°C rise)820kJ

(128°C rise)440mm

345mm±15mm

25 0.40

表 2


图 2　 SKM941124 外型尺寸图

例如型号： 600-A/US14/P/Spec.6672.1400V.3500A.1000KJ


其中： 600 — 代表灭磁电阻每片元件的直径为 6″或 φ152; A — 表示元件的形状为环形 ; US14 — 表示每一单个组件由 14片电阻片组成 ; US — 表示无各电阻片之间无大的缝隙； P — 表示单个组件中， 14片电阻为并联连接 Spec.6361 — 单个组件的订货代号 1400V — 最大灭磁电压； 3500A — 额定灭磁电流； 1000KJ — 额定灭磁容量

如果实际灭磁系统的最大灭磁电压、额定灭磁电流、最大灭磁容量与上述规格数据不同时，可按串、并联方式选择不同型号的组件予以满足。


图 3 600-A/US14-P Spec.6672, 600-A/US16/P Spec.6298, 600-A/US/P Spec. 6321V － I 特性

用户在选择 Sic 灭磁电阻，需提供下列基本参数：

——最大灭磁电流，当发电机发生突然三相短路时引起的转子非周期分量幅值电流，可作为最大灭磁电流。通常此电流近似等于 3倍发电机额定励磁电流。

——最大灭磁电压，此电压等于最大灭磁电流通过灭磁电阻时，所产生的残压。

——最大灭磁容量，通常等于当发电机发生突然三相短路时，发电机转子励磁绕组中所产生的磁场能量。

M&I METROSIL 参数选择

M&I METROSIL 应用实例

三峡水电厂（左岸） 70MW×14 台水轮发电机组 Thyripol 励磁装置外型图


18 off 600A/US14/7P/2s.spec.6361 Metrosil. 1700V,12474A,18.896KJ

三峡水电厂（左岸） 700MW×14 台水轮发电机组 Thyripol 励磁装置灭磁电阻外型图


三峡水电厂（左岸） 700MW×14 台水轮发电机组 Thyripol 励磁装置磁场断路器外型图


M&I Materials SIC 非线性电阻元件组装图

M&I METROSIL 　　业绩国外部分用户

M&I METROSIL 业绩国内部分用户

中国广州电器科学研究院 : 青海拉西瓦水电厂 700MW×5 台龙滩水电站 700MW×7 台瀑布沟水电站 600MW×6 台贵州构皮滩水电站 600MW×5 台

四川二滩水电站 550MW×6 台

南京南瑞电力自动化研究院 :

长江三峡水电站右岸 700MWR×12 台

云南景洪水电站 350MW×5 台

VA TECH SAT北京公司

哈尔滨电机厂

能达通用电气股份合作公司

洪山电工科技有限公司

长沙新瑞机电技术有限公司

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