Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Вентильные разрядники высокого напряжения

Материал и конструкции нелинейных сопротивлений - Вентильные разрядники высокого напряжения

Оглавление
Вентильные разрядники высокого напряжения
Введение
Назначение искровых промежутков
Принцип действия и конструкции искровых промежутков
Искровые промежутки с самовыдувающейся дугой
Искровые промежутки с вращающейся дугой
Искровые промежутки с растягивающейся дугой
Искровые промежутки с делением дуги на части
Пробивные напряжения искровых промежутков
Дугогасящая способность искровых промежутков
Методика исследования дугогасящей способности искровых промежутков разрядников
Дугогасящая способность искровых промежутков с неподвижной дугой
Дугогасящая способность искровых промежутков с вращающейся дугой
Методика расчета восстанавливающейся прочности искровых промежутков с вращающейся дугой
Дугогасящая способность искровых промежутков с растягивающейся дугой
Дугогасящая способность многократного искрового промежутка
Методы повышения восстанавливающейся прочности многократного искрового промежутка
Нелинейные сопротивления вентильных разрядников
Материал и конструкции нелинейных сопротивлений
Закономерности, характеризующие свойства нелинейных сопротивлений
Механизмы явлений, происходящих в нелинейных сопротивлениях
Стабилизация нелинейных сопротивлений
Старение и пропускная способность нелинейных сопротивлений
Технические характеристики нелинейных сопротивлений
Характеристики современных вентильных разрядников
Пробивное напряжение разрядников
Импульсное пробивное напряжение разрядников
Остающееся напряжение разрядников
Пропускная способность разрядников
Дугогасящая способность разрядников
Прочие характеристики разрядников
Стабильность характеристик разрядников в процессе эксплуатации
Координация характеристик изоляции с характеристиками вентильных разрядников
Испытания вентильных разрядников в процессе производства
Классификация вентильных разрядников
Вентильные разрядники с искровыми промежутками с неподвижной дугой
Магнитно-вентильные разрядники грозового типа
Разрядники с токоограничивающими искровыми промежутками
Магнитно-вентильные комбинированные разрядники
Зарубежные конструкции вентильных разрядников
Разрядники HKF
Разрядники Алюгард
Расчет последовательного сопротивления и искровых промежутков
Расчет последовательного сопротивления и искровых промежутков комбинированных разрядников
Выбор и расчет шунтирующих сопротивлений разрядников
Регулирование вольт-секундной характеристики разрядников
Механический расчет разрядников
Расчет и конструирование покрышек разрядников
Вентильные разрядники для глубокого ограничения перенапряжений
Выбор вентильных разрядников
Монтаж вентильных разрядников и эксплуатационный надзор
Регистрация работы вентильных разрядников
Токи в вентильных разрядниках
Отказы вентильных разрядников и их повреждения
Особенности применения вентильных разрядников в районах повышенного загрязнения
Литература

Нелинейные сопротивления для вентильных разрядников в настоящее время изготовляются из электротехнического черного карбида кремния и связующего материала.
Первые нелинейные сопротивления для вентильных разрядников, разработанные в 1930 г. [172], также были выполнены из черного карбида кремния.
С течением времени, однако, в соответствии с требованиями к разрядникам свойства карбида кремния совершенствовались, в результате чего в разных странах были созданы электротехнические типы карбида кремния. Одновременно с этим разрабатывались и совершенствовались связующие материалы.

Позднее появились новые типы нелинейных материалов, выполненные на основе титанатов [29] и станатов [28], однако в качестве последовательных сопротивлений для вентильных разрядников они не получили применения.
Как известно, карбид кремния SiC получается из окиси кремния SiO2 путем восстановления ее углеродом С при температурах порядка 2000—2500° С.
Реакция идет по уравнению:

В зависимости от типа примесей и их количества получаются различные цветовые градации зеленого и черного карбида кремния, причем цвет и электропроводность связаны между собой только относительно. Для нелинейных сопротивлений наиболее пригоден карбид кремния с р-проводимостью, которая создается путем введения в шихту для получения SiC определенного количества окиси алюминия. Несмотря на наличие в техническом карбиде кремния многих других примесей, соответствующим количеством окиси алюминия, нормируемой чистотой исходных материалов и температурным режимом изготовления SiC удается получать карбид кремния р-проводимости с электропроводностью и нелинейностью, лежащими в заданных пределах.
Электропроводность и нелинейность сопротивления порошков карбида кремния можно определять различным образом.
В СССР принята методика [41], по которой сопротивление порошка характеризуется градиентом напряжения при токе 20 а, а нелинейность — коэффициентом а из уравнения
(2-1)
где С — постоянная, численно равная напряжению при токе 1 а.
По данной методике 10 г порошка определенного зернового состава насыпается в изолирующую пресс-форму диаметром 22 мм со стальными пуансонами, на которые ступенями подается давление от 100 до 2000 кГ/см2 (от 107 до 2-108 н/м2). При каждом давлении на порошок подается один импульс тока с амплитудой 20 а и второй — с амплитудой 1 а. По экрану катодного осциллографа отсчитываются напряжения при этих токах U20 и U1, а затем по формуле

определяется а. При этом I2 = 20 а, а Iх = 1 а.
По величине U20 и толщине слоя порошка при данном давлении получают величину градиента Е20. Измеряя E20 и а при разных давлениях, получают кривую а (E20), характеризующую порошок. Форма кривой а (E20) зависит от размеров зерен порошка, вследствие чего измерения, проведенные на порошках различной крупности, дают семейство кривых а (E20). Такое семейство представлено на рис. 2-1. Каждая фракция получается просеиванием порошка через два сита; сквозь одно из них порошок проходит целиком, на другом сите задерживается. По мере уменьшения номера сита уменьшается размер его ячейки и, следовательно, средний размер зерен порошка.
Как следует из рис. 2-1, с уменьшением размеров зерна Е20 возрастает, а а уменьшается.

Рис. 2-1. Зависимость между коэффициентом нелинейности α и градиентом напряжении Е20 при токе 20 а у порошков карбида кремния различной крупности
1- остаток на сите 0160, прошедший сквозь сито 0200; 2 — остаток на сите 0063, прошедший через сито 0100; 3 — порошок, прошедший через сито 0050, I — слой друзы карбида кремния, примыкающий к керну (высокотемпературный); II — средний слой друзы; III — слой друзы, примыкающий к аморфу (низкотемпературный)

Влияние температуры, при которой выращивается друза, также иллюстрируется рис. 2-1. Высокотемпературные слои друзы карбида кремния дают порошки повышенной нелинейности (а = 0,16-0,22 для слоев I и II на рис. 2-1), а низкотемпературные слои, прилегающие к аморфу, т. е. к слабо прореагировавшим участкам шихты (слой III), дают порошки, обладающие повышенной электропроводностью и пониженной нелинейностью (α = 0,24 и более).
Влияние примесей на нелинейность и сопротивление порошков иллюстрирует рис. 2-2.

Как следует из рисунка, наименьшие значения а были измерены при введении в шихту для получения карбида кремния окиси алюминия. Наибольшие значения а и Е20 были получены при введении в качестве примеси окиси бора. Окислы кальция, магния и железа влияют по-разному, но нелинейность порошков с содержанием этих примесей существенно меньше, чем нелинейность, определяемая присадкой алюминия.

Рис. 2-2. Влияние примесей, вводимых в шихту для получения карбида кремния, на нелинейность и сопротивление его порошков
1 — окись алюминия; 2 — окись железа; 3—окись кальция; 4—окись магния; 5 — окись бора

Параллельно с работами технологического направления, в которых разрабатывались способы управления нелинейностью и
электропроводностью карбида кремния, в СССР и за рубежом проводились работы по исследованию механизма нелинейности карбида кремния и изделий из него.
В общем виде соотношение между удельным сопротивлением порошка карбида кремния и плотностью текущего через него тока может быть представлено кривыми рис. 2-3 [81 ]. При малых плотностях тока порядка 10-7—10-5 а,см2 сопротивление порошка не зависит от напряжения. С увеличением плотности тока и градиента напряжения сопротивление порошка начинает уменьшаться. Плотность тока, при которой начинается падение сопротивления порошка с ростом удельного сопротивления, также уменьшается.
Одновременно с повышением плотности тока возникает ряд специфических явлений, связанных отчасти с действием сильного поля, отчасти с нагревом контактов зерен порошка SiC. Уже в тридцатых годах было показано [67, 154], что толща зерен и монокристаллов карбида кремния обладает сравнительно малым сопротивлением и все сопротивление SiC сконцентрировано на его поверхности. Это же подтвердил ряд последующих исследований [43, 122, 155]. Эффект нелинейности у карбида кремния обусловлен наличием этого поверхностного сопротивления — запорного слоя, выяснению природы которого посвящен ряд работ.
Наряду с экспериментальными исследованиями приконтактных явлении в карбиде кремния разрабатывались и теории его нелинейности, признанные объяснить совокупность явлений, наблюдаемых у порошков карбида кремния и изготовленных из них нелинейных сопротивлении при воздействии коротких и длинных импульсов тока.

Рис. 2-3. Зависимость удельного сопротивления порошка карбида кремния ρ от плотности тока j
Цифры, стоящие у кривых, относятся к порошкам разного удельного сопротивления

Необходимо отметить, что почти все закономерности, обнаруженные на порошках карбида кремния, проявляются и в нелинейных сопротивлениях. Различия здесь в основном количественные. Лишь некоторые закономерности, наблюдаемые у порошков, в нелинейных сопротивлениях вуалируются связующим. В силу этого при рассмотрении в § 2-2 общих закономерностей, свойственных нелинейным сопротивлениям, мы используем и явления, наиболее четко проявившиеся при исследовании порошков.
Cвязующим для нелинейных сопротивлений, используемых в разрядниках, служат керамические материалы, стекла и клеющие вещества. Различаются связующие, не требующие для своего упрочнения высокотемпературного обжига, и связующие, спекающиеся при высоких температурах. На количественных характеристиках нелинейных сопротивлений сказываются и вид связующего, и температура, и газовая среда, в которой происходит термообработка.
Имеются нелинейные сопротивления, изготовляемые на связках, не требующих высоких температур обжига. Из отечественных нелинейных материалов к ним относится вилит.
К нелинейным сопротивлениям, изготовляемым на связках с применением высокотемпературного обжига, относятся тирит и тервит. Последний имеет несколько модификаций.
Из вилита и тервита изготовляются последовательные сопротивления для разрядников. Тирит используется для шунтирующих сопротивлений; тирит и тервит используются также и для некоторых специальных типов нелинейных сопротивлений. За рубежом тирит используется и в качестве последовательного сопротивления для разрядников. Вилит представляет собой материал высокой нелинейности, но малой пропускной способности, вследствие чего он применяется только в грозозащитных разрядниках.
Тервит является материалом повышенной электропроводности и пониженной нелинейности, но обладает высокой удельной пропускной способностью. В силу этого тервит применяется в первую очередь для изготовления последовательных сопротивлений коммутационных разрядников, а также малогабаритных последовательных сопротивлений грозозащитных разрядников.
Последовательные сопротивления разрядников обычно выполняются в виде дисков различного диаметра (от 55 до 130 мм у вилита и от 70 до 115 мм у тервита), высотой от 10 до 60 мм. Торцевые плоскости дисков металлизируются алюминием.
Боковая поверхность дисков покрывается изолирующими обмазками как неорганического, так и органического характера, препятствующими перекрытиям дисков но поверхности. Край диска является тем местом, где наиболее часто происходит его пробой. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что электрическое поле на границе металлизации неоднородно, напряженность поля здесь повышена, с другой стороны, технологическими причинами. Каждая фирма, изготовляющая нелинейные сопротивления, имеет свои методы упрочнения края диска (см., например, [162]).
Нелинейные сопротивления можно изготавливать в виде колец с малым и большим отверстием. Им можно придать форму секторов и усеченных конусов. Иногда сопротивлениям придается форма дисков, имеющих по краям бортик высотою в несколько миллиметров или, наоборот, срезанный край, вследствие чего боковая поверхность имеет бочкообразную форму, и т. д. Разнообразие форм обусловлено конструктивными требованиями и необходимостью повышения напряжений перекрытия, что зависит от назначения данного типа нелинейного сопротивления.
Нелинейные последовательные сопротивления отечественных разрядников выполняются в виде дисков, которые в случае необходимости соединяются последовательно и параллельно.
Габариты последовательных сопротивлений определяются требованиями к пропускной способности, нелинейности и термической нагрузке сопротивлений в заданном типе разрядника.
Шунтирующие сопротивления (ШС), как уже было указано, служат для выравнивания напряжений по искровым промежуткам и изготовляются из тирита высокого сопротивления. Шунтирующие сопротивления отечественных разрядников имеют форму дужек различной толщины. Такая форма ШС диктуется тем, что комплект из двух или трех дужек удобно охватывает стакан, и котором размещаются искровые промежутки. Фото шунтирующих сопротивлений для разрядников РВС и РВМГ представлено на рис. 2-4. Концы ШС металлизированы и служат для подвода тока.
Для крепления шунтирующих сопротивлений между собой и с искровыми промежутками на концах их в ряде случаев делают отверстия.

ШС могут быть также выполнены в виде полых цилиндров, стержнем круглого и прямоугольного сечения и дисков различного диаметра. Некоторые фирмы применяют ШС в виде стержней (США), в виде дисков диаметром 30 мм (ФРГ, Швеция), в виде колец (Венгрия). Форма шунтирующих сопротивлений диктуется общей компоновкой деталей разрядника, его конструкцией и требованиями к токам шунтировки.



 
« Вакуумная сильноточная дуга в магнитном поле   Влияние конструкции экранов на характеристики вакуумных дугогасительных камер »
электрические сети