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.
