Основные узлы вентильных разрядников и ОПН - Материалы на основе оксида цинка
Оксидно-цинковая (металлооксидная) керамика — это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (до 1300 °С) смеси, состоящей из оксида цинка (п) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т. п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка). Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики одного и того же образца а составляет 0,02—0,06 в интересующих нас режимах и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала. Зависимость между напряжением, приложенным к образцу такого материала, и током в нем определяется формулой (10-1).
Вольт-амперные характеристики единичного резистора из этой керамики, используемого для НРР отечественных ОПН, в относительных единицах, представлены ниже:
Из приведенных данных видно, что коэффициент нелинейности а увеличивается с увеличением тока. Единой теории, объясняющей природу нелинейности оксидно-цинковой керамики, нет. Особенности поведения этого материала в электрическом поле, по-видимому, следует связывать со сложностью его структуры.
Зависимости свойств металлооксидной керамики от рода воздействий хорошо эквивалентируются схемой замещения, состоящей из трех параллельных ветвей: первой, содержащей нелинейное сопротивление с вольт-амперной характеристикой, одинаковой при постоянном токе и при импульсах; второй ветви с линейной емкостью 700—1000 пФ, определяющей работу резистора при переменном напряжений в пределах 0 < иир <С 0,5 (характер проводимости емкостный; ток — синусоида, сдвинута по фазе относительно напряжения на 90°); третьей ветви, определяющей работу схемы в области 0,5 < Ucp < 0,75 и содержащей последовательное нелинейное сопротивление с а « 0,15 и линейную емкость около 6000 пФ (при больших напряжениях начинает расти активная составляющая тока, на кривой тока видны два максимума: совпадающий с максимумом напряжения и сдвинутый относительно него на 90°).
Вольт-амперная характеристика НРР из металлооксидной керамики зависит от темпера!уры окружающей среды; при повышении температуры остающееся напряжение уменьшается, температурный коэффициент тока (ТК 1) и коэффициент нелинейности а увеличиваются. Уменьшение остающегося напряжения при коротких импульсах несколько меньше, чем при длинных.
Зависимость числа воздействий (ударов) от максимального тока определяется формулой (10-2) при одной и той же форме импульса; при грозовых воздействиях принимают k = 2:2,2, а при коммутационных k = 3,2:4.
Зависимость между максимальным током I и его длительностью определяется формулой (10-3), в которой принимают т — 0,65.
Пропускная способность НРР характеризуется числом воздействий с определенным максимальным значением и длительностью, которые НРР выдерживает без разрушения. Обычно нормируют два режима воздействий, соответствующих: 1) грозовым воздействиям (импульс 8/20 мкс или 16/40 мкс) и 2) коммутационным воздействиям (импульс 1200/2500 мкс).
Параметры материала НРР в значительной степени определяют срок службы разрядника. Решающее значение имеют градиент напряжения (р)> температурный коэффициент тока (ТК 1), температура окружающей среды, условия теплоотдачи, приложенное напряжение. В процессе старения возрастает активная составляющая тока и соответственно активная мощность.
Конструкция НРР, Как указывалось выше, НРР набирается из того или иного числа единичных дисковых резисторов, соединенных последовательно пли последовательно-параллельно. Надежный электрический контакт между единичными резисторами при их последовательном соединении обеспечивается металлизацией их торцевых поверхностей и контактным нажатием.
При последовательном соединении единичных высоконелинейных резисторов имеет место существенная неравномерность распределения напряжения между ними, которая обусловливается не только емкостным распределением напряжения, но и различной электрической проводимостью отдельных резисторов, (градиентом напряжения при заданном токе), tg . Градиент напряжения при гарантированной пропускной способности резистора при импульсе тока 3/8 мкс с максимальным значением 70 А составляет 1,45—1,8 кВ/см. При этом температурный коэффициент сопротивления составляет 0,03 К-1, a tg 0,09.
Увеличение числа последовательно соединенных резисторов уменьшает неравномерность распределения напряжения. Выравнивание его по высоте разрядника посредством электростатических экранов облегчает работу НРР.
При последовательно-параллельном соединении ЕР должно быть обеспечено возможно более равномерное распределение тока по параллельным ветвям. Для этого каждая ветвь должна иметь одинаковое остающееся напряжение при определенном токе и ток проводимости при определенном напряжении. Кроме того, при подборе каждая из колонок сравнивается с эталоном (по напряжению на колонке при заданном импульсе). К параллельной работе допускаются колонки, отличающиеся от эталона не более чем на ±3 %.
Боковая поверхность дисков из вилита до обжига покрывается изоляционной обмазкой, приготовленной из жидкого стекла, мела и талька. Диски из тервита покрываются обмазкой после обжига. Обмазка сушится при температуре около 180 °С. Назначение обмазки — препятствовать перекрытию по боковой поверхности дисков. Обмазка невлагостойка.
Диски из оксидно-цинковой керамики помещаются в специальную термоусаживаемую трубку (трубка полиэтиленовая радиационно-модифицированная), которая при нагревании (вместе с дисками) до температуры 170— 180°С плотно облегает колонку из дисков, создавая продольное и поперечное давление. Первое обеспечивает электрический контакт между отдельными дисками, а второе создает из разрозненных дисков конструктивное целое, т. е. колонку.
Пропускная способность НРР определяется площадью поперечного сечения ЕР и градиентом. Ее увеличение достигается увеличением диаметра дисков. Но увеличение диаметра диска не всегда приводит к увеличению его пропускной способности.