Основные узлы вентильных разрядников и ОПН - Нелинейные резисторы
Нелинейные резисторы (HP) изготавливаются из материалов, сопротивление которых уменьшается при повышении проходящего по ним тока. Зависимость между напряжением U, приложенным к такому материалу, и током в нем определяется уравнением, которое является вольт-амперной характеристикой этого материала;
(1)
где а — коэффициент нелинейности материала; = 1 — а — коэффициент вентильности; С — постоянная, зависящая от материала и геометрических размеров образца резистора.
Если а = 1, то напряжение прямо пропорционально току. Если а = 0, напряжение не зависит от тока. Чем меньше -, тем больше нелинейность материала. Материалы у которых а=0,1 (в области рабочих режимов), можно называть высоконелинейными. Значение а зависит от температуры материала. При повышении температуры а увеличивается, а при понижении — уменьшается.
Для изготовления HP используются материалы на основе карбида кремния и окиси цинка (оксидно-цинковая керамика).
Материалы на основе карбида кремния.Карбид кремния (или черный карборунд) SiC используется в виде мелкозернистого порошка (размеры зерен порядка 10—10-2-3 см). Каждое зерно карбида кремния покрыто тонким слоем оксида кремния SiО2 (толщина порядка 10-5 см), обладающего р-проводимостью и обусловливающего нелинейность свойств материала. Удельное сопротивление карбида кремния около 1 -Ом-см, а оксида кремния лежит в пределах 10+6—10+8 Ом-см. Переходное сопротивление в месте соприкосновения отдельных зерен (запорный слой) оказывается различным в зависимости от внешних условий: плотности тока через контакты, скорости его нарастания и длительности, примесей в материале, температуры, при которой формировались зерна. Для связи зерен карборунда при прессовании из него элементов (дисков) резистора применяются связующие добавки (стекла, клеящие вещества, керамические материалы). Они несколько изменяют количественные характеристики нелинейных материалов и определяют технологический процесс их изготовления (высоко- или низкотемпературный обжиг, характер среды при обжиге — окислительный либо восстановительный и пр.).
Многочисленные рабочие гипотезы о природе и механизмах явлений, проявляющихся при работе HP, не являются исчерпывающими, поскольку ни одна из них не может объяснить всего комплекса свойств и зависимостей, которым подчиняются нелинейные сопротивления. Что касается самих свойств материала HP, то они хорошо изучены и эмпирически найдены количественные соотношения между величинами.
На характеристиках материала HP сказывается и вид связующего, и температура, и газовая среда, в которой происходит его термообработка. Элементы HP изготавливаются из материалов, получивших наименование вилита, тервита и тирита (табл. 3).
Вилит — масса, состоящая из зерен карбида кремния (84 %) и связующего (16 %). Последним является эмульсия мела в жидком стекле плотностью 1,48 г/см3. Из этой массы прессуются изделия требуемой формы (обычно диски) и затем подвергаются обжигу при 380 °С.
Показатель нелинейности вилита а = 0,18- 0,22 при токах в пределах 30—3000 А; уменьшается при увеличении тока за 3000 А.
Тервит — масса, состоящая из зерен карбида кремния (82 %) и связующего (18 %). Последнее является эмульсией глинозема в жидком стекле. Изделия из тервита подвергаются обжигу в среде водорода при 1280—1300 °С. Показатель нелинейности тервита а = 0,35-у 0,36 при токе 100—500 А и а = 0,22:0,26 при токе 1500—5000 А. Тервит обладает повышенной электропроводностью и высокой удельной пропускной способностью по сравнению с вшитом. Поэтому он применяется для ИРР в коммутационных ВР. Тервит влагостоек.
Тирит — масса, содержащая 74 % мелких фракций порошка карбида кремния и 26 % связующего (глина + вода). Изделия из тирита подвергаются обжигу в среде водорода при 1270 °С.
Таблица 3. Характеристики нелинейных резисторов на основе карбида кремния при 15—20 °С
* Определяется током (максимальное, значение), выдерживаемым HP при данном числе воздействий.
По сравнению с вилитом и тервитом этот материал имеет меньшую нелинейность. Элементы из тирита с поперечным сечением 7 X 14 = 98 мм² имеют а = 0,30-0,35 при токе 60—600 мкА, а у элементов 14 X 14 = 196 мм² а = 0,30—0,45 при токе 120— 1200 мкА. Тирит влагостоек. Он используется для изготовления ШНР.
Основные характеристики нелинейных материалов на основе карбида кремния.
1. Вольт-амперная характеристика в диапазоне токов от десятков ампер до десятков килоампер хорошо аппроксимируется кривой, в логарифмическом масштабе представляемой двумя прямолинейными наклонными участками, для каждого из которых действительно уравнение (10-1) с некоторой переходной областью (условной точкой пересечения этих отрезков). Значения а1 больше значений а2 в области больших токов, т. е. а1> а2.
Вольт-амперная характеристика является функцией электрической проводимости материала и температуры окружающей среды, причем с увеличением проводимости материала или температуры окружающего воздуха и а2 растут, а точка перегиба сдвигается в сторону больших токов. Особенно заметен рост а1 и а2 при температурах, больших 100 °С. В пределах до 100 °С и а2 можно считать неизменными. При повышении температуры остающееся напряжение уменьшается, а при снижении температуры до минус 55—60 °С (нижняя граница рабочих температур для исполнения ХЛ1 по ГОСТ 15150—69) остающееся напряжение повышается примерно на 10 %.
Ток через резистор сопровождается выделением теплоты, которая увеличивает температуру как отдельных зерен, так и точек их контактирования. При коротком импульсе нагрев контактов будет меньше, чем при длинном, т. е. вольт-амперная характеристика зависит от длительности импульса. При коротких импульсах эта характеристика расположена выше, чем при длинных. Разница между этими характеристиками тем больше, чем больше сравниваемые тонн.
Так, например, остающееся напряжение на тервитовых дисках диаметром 70 мм при импульсе с длительностью фронта 8 мкс, полной длительностью 20 мкс и при максимальном токе 600 А на 6 % больше остающегося напряжения на этих же дисках, но при длительности фронта 3000 мкс и полной длительности 8000 мкс. С увеличением тока до 950 А эта разница достигает 20 %.
Для расчетов вольт-амперных характеристик резисторов принятых в промышленности размеров (характеристики материала:
и а2, достигнутый промышленностью средний градиент напряжения, удовлетворяющий заданной пропускной способности) удобно пользоваться выражением 
где известные, соответствующие друг другу напряжение и ток; U2 — напряжение, соответствующее защитному отношению; I2 — искомая характеристика.
- Пропускная способность. Большие импульсные токи через резистор могут вызвать его разрушение ·— пробой. Число импульсов (ударов), которое резистор выдерживает без разрушения, зависит от высоты и длительности нагрузочного импульса. Эмпирическая формула связывает число ударов до пробоя пуп с максимальным током I при одной и той же форме воздействующего тока:
(10-2)
где k — постоянная, зависящая от волны и конкретного материала. С ростом длины волны увеличивается и k (см. табл. 10-3).
Эмпирическую зависимость между высотой нагрузочного импульса I и его длительностью описывает уравнение
(10-3)
где т — постоянная, зависящая от материала и его удельного сопротивления.
Это уравнеие справедливо для вилита при длительности полного импульса до 1 мс, а для тервита — при длительности до 10 мс. При токах промышленной частоты большой длительности (от — 0,01 с до = 7 с) и при яуд = 20 зависимость между I и определяется формулой = А ехр (/b), где А и b — постоянные.
Суммарную энергию, воздействие которой НРР могут выдержать без разрушения, принято называть пропускной способностью НРР. Так как пропускная способность НРР резко зависит от длительности воздействий и их формы, принято ее характеризовать с указанием формы импульса. Нормированное число воздействий предельным допустимым током обычно равно двадцати.
- Емкость нелинейных резисторов зависит от частоты. С ее увеличением емкость существенно уменьшается. Например, если емкость дискового резистора при частоте 50—2000 Гц составляла 5000—10 000 пФ, то при увеличении частоты до 143 кГц емкость уменьшилась до 200—1000 пФ.
- Старение HP происходит при многократном воздействии больших нагрузочных токов различной длительности. Оно проявляется в увеличении остающегося напряжения во всем диапазоне нагрузочных токов, т. е. в смещении вольт-амперной характеристики HP вверх. Чем больше нагрузочные токи, тем больше увеличение остающегося напряжения. На старение материала HP влияют также полярность и длительность импульса, вид материала и влажность окружающей среды.
- Стабилизация HP осуществляется импульсами тока большой плотности. После таких воздействий повышается электропроводность материала, уменьшается остающееся напряжение при заданном токе, а емкость и пропускная способность HP увеличиваются.
Нелинейные рабочие резисторы (НРР) должны многократно пропускать токи, проходящие через разрядник. При каждом токовом воздействии в НРР происходит выделение большого количества энергии. Эта энергия зависит от максимального тока и и его длительности. НРР должны выдерживать совокупность этих многократных нагрузок без изменения своих характеристик (или с нормированными малыми изменениями).
В грозовых разрядниках воздействие, т. е. токовая нагрузка, определяется нормированным максимальным импульсным током, длительностью этого тока н сопровождающим током. В разрядниках, работающих от коммутационных перенапряжений, воздействие определяется максимальным импульсным током большой длительности (десятки миллисекунд). Оно зависит от уровня возможных коммутационных перенапряжений; уровня, которым они должны быть ограничены; параметров разрядника и сети.
Шунтирующие нелинейные резисторы применяются для выравнивания распределения напряжения между комплектами ИП, образующими блок ИП. Комплект из двух или трех ШНР охватывает цилиндр, в котором находятся единичные ИП. Концы ШНР металлизированы алюминием и служат как для электрического соединения отдельных ШНР, так и для присоединения их к электродам. Распределение напряжения по ИП тем равномернее, чем больший ток проходит через ШНР. В нормальном режиме работы через ШНР проходят очень малые токи. В режиме, предшествующем срабатыванию ИП, в результате воздействия перенапряжений происходит резкое увеличение тока проводимости ШНР, что гарантирует более равномерное распределение напряжения по ИП.
По токовым нагрузкам ШНР работают в следующих режимах:
- При фазном напряжении, определяющем тепловой режим резистора, токи через ШНР составляют единицы миллиампер.
- При наибольшем допустимом напряжении, определяющем распределение напряжения в режиме гашения (одна из предпосылок успешного гашения), токи через ШНР в 2,5—3 раза превышают токи в предыдущем режиме и составляют примерно 10 мА.
- При напряжении, предшествующем пробою искровых промежутков разрядника и определяющем пробивное напряжение при частоте 50 Гц (и других низких частотах), токи возрастают до 50—S0 мА.
Наблюдается зависимость тока от температуры окружающей среды. С ростом температуры увеличиваются и токи. Температурный коэффициент тока составляет 0,3—0,6 % на 1 °С в зависимости от электропроводности материала.
Для ШНР предельным является градиент 1,4 кВ/см при нагрузке токами промышленной частоты; это значение можно несколько повысить, увеличивая ток стабилизации. Поскольку ШНР оказывается в течение всего срока службы под воздействием тока проводимости, определяемого напряжением сети, то ШНР должны быть достаточно термостойкими. Кроме того, тепловыделение в ШНР определяет тепловой режим работы других элементов ВР, а значит, в некоторой степени предопределяет выбор конструкционных материалов, применяемых для изготовления внутренних деталей разрядника.