Нелінійні резистори - основні вузли вентильних розрядників і ОПН

Сторінка 2 з 3

Нелінійні резистори (HP) виготовляються з матеріалів, опір яких зменшується при підвищенні проходить по ній струму. Залежність між напругою U, прикладеним до такого матеріалу, і струмом в ньому визначається рівнянням, яке є вольт-амперної характеристикою цього матеріалу;
(1)
де а - коефіцієнт нелінійності матеріалу; # 946; = 1 - а - коефіцієнт вентильну; З - постійна, що залежить від матеріалу і геометричних розмірів зразка резистора.
Якщо а = 1, то напруга прямо пропорційно току. Якщо а = 0, напруга не залежить від струму. чим менше # 945; -, тим більше нелінійність матеріалу. Матеріали у яких а = 0,1 (в області робочих режимів), можна називати високонелінейнимі. Значення а залежить від температури матеріалу. При підвищенні температури а збільшується, а при зниженні - зменшується.
Для виготовлення HP використовуються матеріали на основі карбіду кремнію і окису цинку (оксидно-цинкова кераміка).

Матеріали на основі карбіду кремнію.

Карбід кремнію (або чорний карборунд) SiC використовується у вигляді дрібнозернистого порошку (розміри зерен порядку 10-10-2-3 см). Кожне зерно карбіду кремнію покрито тонким шаром оксиду кремнію SiО2 (товщина порядку 10-5 см), що володіє р-провідністю і обумовлює нелінійність властивостей матеріалу. Питомий опір карбіду кремнію близько 1 -му-см, а оксиду кремнію лежить в межах 10 + 6-10 + 8 Ом-см. Перехідний опір в місці зіткнення окремих зерен (запірний шар) виявляється різним в залежності від зовнішніх умов: щільності струму через контакти, швидкості його наростання і тривалості, домішок в матеріалі, температури, при якій формувалися зерна. Для зв'язку зерен карборунда при пресуванні з нього елементів (дисків) резистора застосовуються сполучні добавки (скла, клейкі речовини, керамічні матеріали). Вони дещо змінюють кількісні характеристики нелінійних матеріалів і визначають технологічний процес їх виготовлення (високо-або низькотемпературний випал, характер середовища при випалюванні - окислювальний або відновний та ін.).
Численні робочі гіпотези про природу і механізми явищ, що проявляються при роботі HP, не є вичерпними, оскільки жодна з них не може пояснити всього комплексу властивостей і залежностей, яким підкоряються нелінійні опори. Що стосується самих властивостей матеріалу HP, то вони добре вивчені і емпірично знайдені кількісні співвідношення між величинами.
На характеристиках матеріалу HP позначається і вид сполучного, і температура, і газове середовище, в якій відбувається його термічна обробка. Елементи HP виготовляються з матеріалів, які отримали найменування віліта, тервіта і Тирита (табл. 3).
Віліт - маса, що складається з зерен карбіду кремнію (84%) і сполучного (16%). Останнім є емульсія крейди в рідкому склі щільністю 1,48 г / см3. З цієї маси пресуються вироби необхідної форми (зазвичай диски) і потім піддаються випалу при 380 ° С.
Показник нелінійності віліта а = 0,18 0,22 при токах в межах 30-3000 А; зменшується при збільшенні струму за 3000 А.
ТЕРВЕЙ - маса, що складається з зерен карбіду кремнію (82%) і сполучного (18%). Останнє є емульсією глинозему в рідкому склі. Вироби з тервіта піддаються випалу в середовищі водню при 1280-1300 ° С. Показник нелінійності тервіта а = 0,35-у 0,36 при струмі 100-500 А і а = 0,22: 0,26 при струмі 1500-5000 А. ТЕРВЕЙ має підвищену електропровідність і високою питомою пропускну спроможність в порівнянні з вшитим. Тому він застосовується для ИРР в комутаційних ВР. ТЕРВЕЙ влагостоек.
Тіріт - маса, що містить 74% дрібних фракцій порошку карбіду кремнію і 26% сполучного (глина + вода). Вироби з Тирита піддаються випалу в середовищі водню при 1270 ° С.

Таблиця 3. Характеристики нелінійних резисторів на основі карбіду кремнію при 15-20 ° С

* Визначається струмом (максимальне, значення), що витримується HP при даному числі впливів.

У порівнянні з вілітом і тервітом цей матеріал має меншу нелінійність. Елементи з Тирита з поперечним перерізом 7 X 14 = 98 мм 2 мають а = 0,30-0,35 при струмі 60-600 мкА, а у елементів 14 X 14 = 196 мм 2 а = 0,30-0,45 при струмі 120 - 1200 мкА. Тіріт влагостоек. Він використовується для виготовлення ШНР.

Основні характеристики нелінійних матеріалів на основі карбіду кремнію.
1. Вольт-амперна характеристика в діапазоні струмів від десятків ампер до десятків кілоампер добре апроксимується кривою, в логарифмічному масштабі представленої двома прямолінійними похилими ділянками, для кожного з яких дійсно рівняння (10-1) з деякою перехідною областю (умовної точкою перетину цих відрізків) . Значення а1 більше значень А2 в області великих струмів, т. Е. А1> а2.
Вольт-амперна характеристика є функцією електричної провідності матеріалу і температури навколишнього середовища, причому зі збільшенням провідності матеріалу або температури навколишнього повітря і А2 ростуть, а точка перегину зсувається в бік більших струмів. Особливо помітне зростання а1 і А2 при температурах, великих 100 ° С. В межах до 100 ° С і А2 можна вважати незмінними. При підвищенні температури залишається напруга зменшується, а при зниженні температури до мінус 55-60 ° С (нижня межа робочих температур для виконання ХЛ1 по ГОСТ 15150-69) залишається напруга підвищується приблизно на 10%.
Струм через резистор супроводжується виділенням теплоти, яка збільшує температуру як окремих зерен, так і точок їх контактування. При короткому імпульсі нагрів контактів буде менше, ніж при довгому, т. Е. Вольт-амперна характеристика залежить від тривалості імпульсу. При коротких імпульсах ця характеристика розташована вище, ніж при довгих. Різниця між цими характеристиками тим більше, чим більше порівнювані тонн.
Так, наприклад, яке залишається напруга на тервітових дисках діаметром 70 мм при імпульсі з тривалістю фронту 8 мкс, повної тривалістю 20 мкс і при максимальному струмі 600 А на 6% більше залишається напруги на цих же дисках, але при тривалості фронту 3000 мкс і повної тривалості 8000 мкс. Зі збільшенням струму до 950 А ця різниця досягає 20%.
Для розрахунків вольтамперних характеристик резисторів прийнятих в промисловості розмірів (характеристики матеріалу:
і А2, досягнутий промисловістю середній градієнт напруги, що задовольняє заданій пропускній здатності) зручно користуватися виразом
де відомі, відповідні один одному напруга і струм; U2 - напруга, відповідне захисному відношенню; I2 - шукана характеристика.

1. Пропускна здатність. Великі імпульсні струми через резистор можуть викликати його руйнування · - пробою. Число імпульсів (ударів), яке резистор витримує без руйнування, залежить від висоти і тривалості навантажувального імпульсу. Емпірична формула пов'язує число ударів до пробою пуп з максимальним струмом I при одній і тій же формі впливає струму:

(10-2)
де k - постійна, що залежить від хвилі і конкретного матеріалу. З ростом довжини хвилі збільшується і k (див. Табл. 10-3).
Емпіричну залежність між висотою навантажувального імпульсу I і його тривалістю # 964; описує рівняння
(10-3)
де т - постійна, що залежить від матеріалу і його питомої опору.
Це рівняння справедливо для віліта при тривалості повного імпульсу до 1 мс, а для тервіта - при тривалості до 10 мс. При токах промислової частоти великої тривалості (від # 964; - 0,01 с до # 964; = 7 с) і при яуд = 20 залежність між I і # 964; визначається формулою # 964; = А ехр (# 921; / b), де А і b - постійні.
Сумарну енергію, вплив якої НРР можуть витримати без руйнування, прийнято називати пропускною спроможністю НРР. Так як пропускна здатність НРР різко залежить від тривалості впливів і їх форми, прийнято її характеризувати із зазначенням форми імпульсу. Нормоване число впливів граничним допустимим струмом звичайно дорівнює двадцяти.

Нелінійні робочі резистори (НРР) повинні багаторазово пропускати струми, що проходять через розрядник. При кожному струмовому впливі в НРР відбувається виділення великої кількості енергії. Ця енергія залежить від максимального струму і і його тривалості. НРР повинні витримувати сукупність цих багаторазових навантажень без зміни своїх характеристик (або з нормованими малими змінами).
У грозових розрядниках вплив, т. Е. Струмовий навантаження, визначається нормованим максимальним імпульсним струмом, тривалістю цього струму н супроводжуючим струмом. У розрядниках, що працюють від комутаційних перенапруг, вплив визначається максимальним імпульсним струмом великої тривалості (десятки мілісекунд). Воно залежить від рівня можливих комутаційних перенапруг; рівня, яким вони повинні бути обмежені; параметрів розрядника і мережі.

Шунтуючі нелінійні резистори застосовуються для вирівнювання розподілу напруги між комплектами ІП, що утворюють блок ВП. Комплект з двох або трьох ШНР охоплює циліндр, в якому знаходяться поодинокі ВП. Кінці ШНР металізовані алюмінієм і служать як для електричного з'єднання окремих ШНР, так і для приєднання їх до електродів. Розподіл напруги по ІП тим рівномірніше, чим більший струм проходить через ШНР. У нормальному режимі роботи через ШНР проходять дуже малі струми. У режимі, що передує спрацьовуванню ІП, в результаті впливу перенапруг відбувається різке збільшення струму провідності ШНР, що гарантує більш рівномірний розподіл напруги по ІП.

За струмовим навантаженням ШНР працюють в наступних режимах:

1. При фазному напрузі, що визначає тепловий режим резистора, струми через ШНР складають одиниці міліампер.
2. При найбільшому допустимому напрузі, який визначає розподіл напруги в режимі гасіння (одна з передумов успішного гасіння), струми через ШНР в 2,5-3 рази перевищують струми в попередньому режимі і складають приблизно 10 мА.
3. При напрузі, що передує пробою іскрових проміжків розрядника і визначальному пробивну напругу при частоті 50 Гц (і інших низьких частотах), струми зростають до 50-S0 мА.

Спостерігається залежність струму від температури навколишнього середовища. З ростом температури збільшуються і струми. Температурний коефіцієнт струму становить 0,3-0,6% на 1 ° С в залежності від електропровідності матеріалу.
Для ШНР граничним є градієнт 1,4 кВ / см при навантаженні струмами промислової частоти; це значення можна трохи підвищити, збільшуючи струм стабілізації. Оскільки ШНР виявляється протягом всього терміну служби під впливом струму провідності, що визначається напругою мережі, то ШНР повинні бути досить термостійкими. Крім того, тепловиділення в ШНР визначає тепловий режим роботи інших елементів ВР, а значить, в деякій мірі визначає вибір конструкційних матеріалів, що застосовуються для виготовлення внутрішніх деталей розрядника.