基于PTC材料的限流保护研究现状

惠飞飞，杨　锋

（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

基于PTC材料的限流保护研究现状

惠飞飞，杨锋

（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

短路电流不断增大，采用限流的方式进行短路保护是一种有效的保护方式。使用PTC元件进行限流保护是一种新型的保护方式，具有可恢复性和可重复使用的特点，且对于大电流的分断具有很大的应用潜力。该文对现有限流保护技术进行总结与比对，对PTC研究存在问题进行系统分析，阐述罗列现有PTC种类以及适用用途，并对其耐压大电流冲击方案进行可行性分析。最后对其全文进行总结，给出限流应用PTC拟解决方案。

船舶电力系统限流保护PTC材料

0　引言

随着科学技术的不断更新，现代船舶正向着综合电力系统方向发展。船舶电力系统容量的不断增大，其必然导致短路电流随之增大。船舶电力系统中，最危险且危害最大的故障是短路故障。由于船舶特殊的工作环境，其发生短路故障的几率较大，一旦发生短路故障，对船舶的安全航行将产生巨大的威胁[25]。现代船舶中，对于短路故障，一般采用断路器和熔断器进行保护，但是传统的断路器和熔断器已经无法满足当下的要求[22]。寻求新的保护方式是解决现有问题的一个有效途径。近年来随着材料的发展，使用PTC作为限流元件进行短路保护越来越得到重视，其方案的提出对于解决船舶大电流保护具有很广的应用前景。

1　PTC材料发展历程

PTC材料是一种温度敏感性的导电材料，PTC英文名为Positive Temperature Coefficient，即正温度系数，是指材料的电阻率随着温度的增大而增高的一种特性[26]。

PTC首次发现是 1955年荷兰科学家海曼在研究钛酸钡中发现的这一特性。其在钛酸钡中添加微量稀土元素，发现钛酸钡在一个很窄的温度范围内电阻值发生了跃变，达到3个数量级以上[1]。

PTC热敏电阻在上世纪 60年代才大致得到实用，无论家用还是工业设备，几乎都能看到PTC热敏电阻的身影。我国从上世界80年达才开始研究PTC热敏电阻，现在已涌现了像华中科技大学大学、清华大学、电子科技大学等许多科研机构，等到了70年代中期，PTC材料迅猛发展，各种性能被广泛发掘，PTC元件被用于各种途径中。至今为止，中国的PTC产业发展越来越快，其研制和生产的产品已越来越接近国际水平，已然成为世界PTC市场中不可缺少的一部分[2]。

2　常用限流保护技术

发生短路故障时，限流器通过提高回路中的阻抗来限制短路电流的大小。限流器不仅可以减轻断路器分断负担，缩小切断时间，而且大大降低了电动力和热效应[22]。短路故障限流器根据其原理上来进行分类，大致可以分为超导型、电力电子型、PTC限流器等[15]。

文献[23]分析了超导型限流器的基本工作原理。其利用超导体的超导态和正常态转变来进行短路电流的限制。超导限流器不仅能够用于较高电压下，且在发生短路时，能够在极短的时间内限制短路电流。但是超导限流器需要长期工作在低温下，需要配备较多的冷却设备，且超导材料的研制和加工也是一个比较大的问题。

文献[15]分别介绍了电抗器型、谐振型、可变阻抗型等几种电力电子型限流器。电子型限流器限流器具有动作快，体积小，控制简单，允许工作次数多等优点。当发生短路时，电抗型限流器通过插入电抗器限制短路电流，但是在插入电抗器时，会产生较大的过电压及附加震荡，需配备相应的辅助设备；谐振型是利用电力电子器件使正常工作处于串联谐振状态下的电路脱谐，或者使正常工作下处于非谐振状态下的电路在短路故障时进入并联谐振，增大线路阻抗，从而限制短路电流，但是谐振型限流器由于引入了电感和电容，使系统的暂态稳定分析过于复杂，而且大大增加了系统受到短路故障等扰动时的暂态震荡和过电压的可能性。可变阻抗型限流器通过改变等效电阻的大小进行限流保护，但是其控制比较复杂，且在运行过程中会产生大量的谐波文献[28]介绍了PTC限流器的基本概况。PTC限流器是利用 PTC材料电阻的非线性电阻特性来进行限流保护。正常运行下，流过PTC电阻的电流低，PTC电阻呈低阻态，当发生短路故障时，大电流流过PTC元件，PTC元件发热，电阻急剧增大，从而限制短路电流。这种PTC限流器不仅在低压商业领域中应用，且被应用在了美国新型海军战舰上。由于PTC材料本身的性质，其在高压领域应用受到很大的限制，容易产生较大的过电压，需配备相应的辅助设备，且限流过程中会发生膨胀，必须考虑其连接方式。

3　PTC种类

长期以来，掺杂钛酸钡一直是人们所熟悉的PTC材料，其在120℃附近电阻发生突变，显示PTC特性。但是其易受到电压相和频率效率的影响，且难以获得较低的电阻率和较大的通流能力，因而限制了其在限流保护中的应用。随着对材料的深度研究，越来越多的PTC材料种类被研发出来，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]。

高分子复合物PTCR材料是以无定型高分子或半结晶材料为基体，导电颗粒高度分散在其中而形成的一种复合体系。当导电粒子形成导电网络时，电阻率很低。而PTCR现象的出现是由于半结晶材料在熔点附近发生急剧的体积膨胀或无定型高分子材料在玻璃相转变附近的膨胀所造成。在适当的配方与工艺下导电粒子在高分子的膨胀下逐渐失去联系，从而使电阻突然增大。这种高分子复合PTCR材料与BaTiO3基复合物相比具有低的室温电阻率和优秀的抗热震性。但在高温下由于导电颗粒的重新排列而产生较大的负温度系数（NTC）效应[3]。就其性能而言：使用金属颗粒作为填充物，其电阻率可低至10-3Ω·cm；使用金属纤维或者高结构的片状，电阻率可低至以下 10-5Ω·cm。居里温度点130℃左右，当温度达到160℃以上将会发生NTC效应。PTC升阻比为 107以上。最大耐压一般为几伏到几十伏，电压等级低，额定电压几百毫安不等，最大失效电流10 A以下，因此到目前为止仅可以用于加热和几种特定的小型限流保护，例如电源供应器、测量器及电池组等，以及电脑、电器、变压器、汽车等电源供应器上。同时，国内对其研究还不够充分，缺乏原材料，无法使其上升一个档次[27]。

以V2O3为基的复合 PTCR材料，复合物体系在转变点处表现为由金属到绝缘体的性质，从而产生PTC效应。掺杂V2O3陶瓷是一种新型PTC材料，同BaTiO3陶瓷相比，其PTC效应来源于体内温度诱发的M-I相变(金属-绝缘体相变)。

该效应不受电压和频率的影响，而且该材料具有低常温电阻率(10-3Ω·cm)和大的通流能力。上述特点使得掺杂 V2O3陶瓷在用作大电流过流保护元件方面具有广阔的应用前景。1946年就曾发现在 160 K左右晶体中出现 M-I相变的现象。1970年D.B.Mcwhan等在V2O3中掺入3d过渡金属氧化物，形成置换型固溶体，实现了室温以上的M-I相变，产生相应的PTC效应[4]。

后期Perkins等利用V2O3系材料中的PM-PI相变的体效应，制备出以前无法达到的高失效电流的装置，其电阻值为100～500 μΩ，电流值达到250～1 A，最大失效电流可达到100 kA～500 A，无负载电阻增大60倍，随后研制出0.1 Ω～500 μΩ范围内的系PTC热敏电阻元件，此外，还有大量的日本专利报道了(V1-xCrx) O3系 PTC热敏电阻陶瓷的研制，制得常温电阻率小于10-2Ω·cm，升阻比 70倍，耐热冲击性的 PTC热敏电阻[5]。上世纪80年代我国制备该类型的材料，其常温电阻率为(5～12) 10-3Ω·cm，PTC倍率60～100倍，电阻温度系数为(3%～4%)℃。但是在烧结致密度，电性能和实验可靠性方面存在不足，不能满足实际应用的条件。现如今，我国借鉴国内外先进水平，重点研制了低室温电阻率，高PTC倍率和大电阻温度系数的系 PTC材料。其电阻率达到了8.0×10-4Ω·cm；升阻比达到了 380倍，电阻温度系数达到 %6℃，转变温度为 100℃；额定电流密度：1 A/nm2，响应时间为 0.5 s，额定电压400～600 V。就其应用而言，V2O3基PTC材料最大的优势在于常温电阻率低，因此在大电流保护方面具有很大的优势，能够替代熔断器、断路器和真空开关等大功率条件下应用的过流保护元件[4]。

对于高膨胀陶瓷-导电陶瓷复合材料，这种材料是根据复合材料的相互作用性，将导电陶瓷材料与绝缘的高膨胀陶瓷材料复合在一起。张其土等曾对SiO2-C系陶瓷复合材料作了研究，证实该类陶瓷复合材料具有PTC效应，但由于石墨存在着一定的氧化现象，使Si-C系陶瓷复合材料的耐久性不够理想。其后有人以SiO2(方石英和石英)作为绝缘高膨胀性基体材料，以TiO2作为导电性粒子，制备高膨胀陶瓷-导电陶瓷复合材料。通过测定陶瓷复合材料的电阻率随组成和温度的变化关系，研究了SiO2-TiC陶瓷复合材料的导电特性及其 PTC效应。当 TiC的质量百分数分别在20%～32%和20%～30%之间时，方石英陶瓷复合材料和石英陶瓷复合材料的室温电阻率相应会发生急剧的变化，其电阻率从107Ω·cm左右降低到102Ω·cm左右，变化程度达105～106Ω·cm[6]。

曾中明[7]、苏军礼[8]、陆裕东[9]等对 BaPbO3进行深入分析研究，指出 BaPbO3陶瓷，具有优异的金属导电特性，且在高温下还有微弱的正温度效应。BaPbO3陶瓷PTC材料，现已在陶瓷电极、导电胶、抗腐蚀涂料及高温导体上得到应用。其优良的金属导电性已吸引了广大科研工作者的重视，但对于其导电机理还存在着各种不同的解释。一般认为其导电机理并不是Pb或PbO2存在于晶粒间所致，因为 BaPbO3的电阻率与Pb(0.25×10-2Ω·cm)和PbO2(0.2×10-2Ω·cm)的并不相符。另外 PbO2在空气中存在也不稳定。就其性能而言：一般的 BaPbO3陶瓷热膨胀系数16×10-6/℃，居里温度为750～800℃，载流子密度为20×1020/cm-3，其室温电阻率仅为5.0～8.0×10-4Ω·cm，在 20～500℃温度范围内阻温系数仅为-0.09%/℃，升阻比为103以上，对其PTCR机理，迄今为止，PTCR效应的产生机理仍不是很清楚，很有可能是与高温下 Pb离子的变价或氧离子的吸附有关，这还需要进一步的研究。虽然其具有很好的低阻高跃迁的性能，在高温区域又有PTC效应，但是由于其制备困难，尚未得到实用。

4　PTC限流实例

文献[10]介绍使用导电聚合物 PTC元件与断路器进行组合进行限流保护的一种新型限流保护方式，ABB公司将这种 PTC元件命名为PROLIM，其专门用于和微型断路器进行组合。

与微型断路器组合后的整个分断时间：2.5 ms。RPOLIM系列元件结构如同一个三明治，两个铜平板中间夹着聚合物PTC元件，用强力弹簧在两边夹紧。如上所述，结构上它与一常值附加电阻并联，再与微型断路器串联，PTC元件与常值电阻并联后在正常负载与短路时其阻值可改变几百倍。ABB技术开发中心目前正把PTC聚合物嵌入到微型断路器外壳内，如 S620型的微型断路器，其原先分断能力仅为 6 kA，组合PRO-LIMTM后，分断能力提高到50 kA。虽然该限流器实现了在比较大的电压下能够进行限流保护，其最大的不足是正常工作时，将PTC元件串联在线路中，虽然提高了分断能力，但是整个断路器额定电流仍然很小，应用场合受限流。

表1　微型断路器嵌入PTC聚合物后的技术参数

文献[11]介绍了片式PTC材料，指出PTC首创于美国的瑞侃公司，现生产的尺度如表2所示：

表2　美国的瑞侃公司PTC材料的尺度单位 mm

其主要参数为：R，0.04～5 Ω ，不动作电流1.10～0.14 A；最大电流 40～10 A；气候类别40/80/56，经1000 h耐久测试后阻值变化率，±5%；经-40～+85°C10次冲击后，阻值变化率±30%。

PPTC因其极低的冷态电阻和高的升阻比，广泛被用于PC主板、移动通信和磁盘驱动器等。国内与国外的PPTC还有一定的差距。目前PPTC的发展趋势为进一步小型化，即按通用片式元件的规格系列化。但是我国还处于起步阶段，尚未大规模生产。

5　限制因素解决方案

对于PTC本身应用的限制而言，抗击大电流冲击能力差，承受大电压弱以及散热困难等，是限制PTC材料在限流领域亟待解决的问题。

此类问题的解决，众多专家提供了很多解决方案。总结起来，大致有两种途径，一是从PTC材料本身进行更新与改良[29]，二则是从电路结构优化进行改善。

对于材料工艺方方面，文献[30]通过改变成型压力来提高PTC材料性能。文献[31]通过使用不同的造粒方法制备性能更加优越的PTC材料。文献[32]通过控制不同的烧结温度，可实现PTC性能的提升。

对于电路优化方面，Guo Zhenyu等进行了PTC材料性能测试多项实验，得出高分子和陶瓷PTC材料有比较大的阻温系数和耐热能力，一般限流保护使用这两种材料的 PTC元件进行保护[12]。在文献[12]中其对16种PTC进行性能测，比对选择低电阻高耐压进行分析实验。选用产品最高耐压870 V进行电压冲击，研究发现直接进行串联组合不能提高其耐压能力，而并联压敏电阻进行串联，耐压能力有了显著提高，达到1400 V。

M.M.Arabshahide[13]等同样采用相同的方法进行测试，其采用C915型PTC材料，性能如下：方案为17×17模式进行组合，在12 kV电压的电压中，将20 kA短路电流在4.5 ms内限制为1280A。

表3　C915型PTC材料测试性能

6　总结

科学技术的发展，现代舰船在短路保护方面存在新的问题，现有的熔断器和断路器难以解决现有问题，这就对限流保护装置提出了新的要求，随着PTC产品的迅速发展，使用PTC元件与电气元件组合进行限流，逐渐成为一直新型的保护技术。但是PTC由于其本身的晶体结构和性能，在大电压和大电流场合应用困难，必须采取合适的方式进行改进，来提高其耐电压和大电流性能。使用新型的PTC材料和采用合理的电路设计，是目前解决此类问题的主要方式。具体内容：在材料方面，使用多种加工方式进行优化设计，制备筛选耐压大，电阻小，短路电流大的性能优越的材料；在电路优化方面，采用PTC元件和压敏电阻进行并联，可以提高其最大承受电压以及满足更大的短路电流冲击。

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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

惠飞飞（1990-），男。研究方向：电路继电保护系统。