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Silicon Carbide. 600-A 系列 SiC 碳化硅灭磁电阻性能介绍. 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. 目 录. M&I Materials 集团简介.
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Silicon Carbide 600-A系列SiC碳化硅灭磁电阻性能介绍
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 目 录
M&I Materials集团简介 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。 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。 M&I METROSIL性能特征
M&I METROSIL性能特征 图 1
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： M&I METROSIL性能特征
M&I METROSIL性能特征 令式（1）等于式 （6），可求得： （6） 整理得： （7）
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 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）
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）
－－SiC非线性电阻的温度系数 由于SiC非线性电阻的材质特性决定了SiC电阻的温度特性，其特 征是当SiC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 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Mertrosils SiC非线性电阻有两种应用情况： a. 作为浪涌电压吸收元件，其外加电压为恒定值， SiC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SiC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 衡，从而补偿了负电阻温度系数的影响。 M&I METROSIL性能特征
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： 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 SiC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 M&I METROSIL性能特征
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。
M&I METROSIL 600－A系列SIC灭磁电阻技术规范 －－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。 表 2
M&I METROSIL 600－A系列SIC灭磁电阻技术规范 图 2SKM941124外型尺寸图
M&I METROSIL 600－A系列SIC灭磁电阻技术规范 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。
M&I METROSIL 600－A系列SIC灭磁电阻技术规范 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：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
M&I METROSIL应用实例 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
M&I METROSIL应用实例 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 METROSIL应用实例 M&I Materials SIC非线性电阻元件组装图
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
