НС для вентильных разрядников, как уже указано выше, изготовляются из электротехнического карбида кремния и связующего. Характеристики порошка карбида кремния нормируются по сопротивлению и нелинейности, вследствие чего укладываются в некоторые пределы.
Роль связующего очень велика. Связующее влияет на электропроводность, нелинейность и пропускную способность НС.
Пропускная способность НС зависит от его диаметра и от однородности материала, определяемой не только однородностью зернового состава карбида кремния, но и рядом факторов, связанных с технологией изготовления НС. В неоднородном материале появляются цепочки контактов повышенной электропроводности, в которых пробой развивается гораздо раньше того момента, когда средняя нагрузка контактов приблизится к разрушающей. С увеличением диаметра НС удельная пропускная способность уменьшается но той же причине. В диске НС большой площади вероятность появления локальной неоднородности увеличивается, поскольку, начиная уже с его прессования, увеличиваются трудности точного выполнения технологических операций изготовления.
Таким образом, в тех случаях, когда для разрядника требуется пропускная способность, которую можно получить, соединяя в параллель 2—3 диска малого размера, один диск большого диаметра с площадью, равной сумме площадей малых дисков, этой пропускной способности не обеспечит.
Ниже даны технические характеристики дисков НС тех габаритов, которые используются в современных конструкциях отечественных разрядников: вилитовые сопротивления диаметром 55, 100, 130 мм; сопротивления типа тервит-1 диаметром 70 мм и типа тервит-2 диаметром 70 и 115 мм, отличающегося от тервита-1 улучшенной нелинейностью и более высокой удельной пропускной способностью НС. Приведены также основные характеристики шунтирующих сопротивлений.
Технические характеристики вилитовых и тервитовых последовательных сопротивлений.
Технические характеристики дисков последовательных сопротивлений вентильных разрядников представлены в табл. 2-2. Помимо данных, касающихся нелинейности и пропускной способности этих дисков, в таблице даны коэффициенты k в уравнении
позволяющие пересчитывать амплитуды допустимых нагрузочных токов в тех случаях, когда в требованиях к пропускной способности разрядника n>20 и известны значения токов при п=20.
Таблица 2-2
Технические характеристики вилитовых и тервитовых сопротивлений при 15—20° С
Можно показать, что, для того чтобы увеличить число ударов до пробоя, например, в 10 раз, напряжение на диске потребуется изменить всего лишь на 10—12%, причем такое изменение будет иметь место при всех длинах волн от 40 до 8000 мксек.
Такое изменение напряжений (10—12%) будет сопровождаться различным изменением токов, если токи соответствуют разным ветвям вольт-амперной характеристики, В самом деле, при α=α2= 0,15 (см. стр. 74) изменению напряжений на 12% будет соответствовать изменение токов в 2,1 раза. Такому же изменению напряжений при a — 0,36 будет соответствовать уменьшение тока примерно в 1,4 раза. В первом случае k — 3, во втором k — 7,2.
Таким образом, можно думать, что увеличение констант k при увеличении длительности импульса τ связано с тем, что допустимые токи нагрузки при разных τ имеют разную величину и лежат на разных ветвях вольт-амперной характеристики НС. Этим же различием значений а объясняется различие констант k у разных материалов.
Рис. 2-32. Пропускная способность НС и функции длительности импульса тока: а — тервит-2, диаметр 70 мм, Е0,5 = 1,0 (кривая 1); диаметр 70 мм, Е0,5= 0,8(2); диаметр 115 мм, Е0,5 = 0,6 (3); 6—вилит, диаметр 100 мм (кривая 4), диаметр 130 мм (5)
Для практических целей можно рекомендовать у всех материалов при длинах волн до 10 мсек во всех тех случаях, когда число допустимых нагрузок требуется довести до 100—200, напряжение, соответствующее току при п = 20, уменьшить на 10%, а ток, соответствующий этому напряжению, считать равным току, при котором п = 100= 200.
В табл. 2-2 даны также значения коэффициентов т в формуле Iτm= const, позволяющие оценивать амплитуды токов, не разрушающих диски в пределах 20 ударов при разных длинах волн нагрузочных импульсов.
Как указано в табл. 2-2, в диапазоне длин волн тока 40 мксек— 8 мсек (см. рис. 2-19 и 2-32, а) константы т у тервитовых дисков составляют 0,65—0,71 [57]. У вилитовых дисков крутизна спадания амплитуд токов I при удлинении волн больше, и т составляет 1,0—1,2 (рис. 2-32, б) [82].
После перегиба кривых I (τ), при временах порядка сотых и двух-трех десятых секунды, константы т у тервитов уменьшаются до 0,30—0,37.
Более медленное спадание тока при увеличении длительности нагрузочных токов можно, по-видимому, приписать тому обстоятельству, что при таких временах уже сказывается отвод тепла от контактов зерен карбида кремния в толщу кристаллов за счет теплопроводности. При этом температура контактов, а следовательно, и ее разрушающее действие уменьшаются.
Имея значения токов пропускной способности при какой-либо одной длительности τ, можно с помощью констант т определить допустимый ток нагрузки при других длинах волн тока.
Приведенные в табл. 2-2 технические характеристики НС характеризуют их свойства при температурах 15—20° С, При повышении температуры окружающей среды остающиеся напряжения понижаются (см. рис. 2-11), вследствие чего защитное отношение разрядника Uн/Uн.д улучшается. Увеличение сопровождающих токов, возникающее при этом, должно быть учтено при конструировании разрядника. Так, при температуре окружающей среды 50° С остающиеся напряжения будут на 4—6% ниже, а сопровождающие токи на 15—20% выше, чем при температуре 15—20° С.
Иначе обстоит дело с остающимися напряжениями на разрядниках при низких температурах: для грозозащитных разрядников условия работы не меняются, так как грозы бывают летом. Но коммутационные разрядники работают и зимой, и тогда может происходить увеличение остающихся напряжений, перекрывающее их снижение, которое получается при воздействии длинных нагрузочных воли тока. Это необходимо учитывать, конструируя последовательные сопротивления разрядника, который должен работать при низких температурах.
В процессе эксплуатации разрядника нужно учитывать его старение. Для разрядника существенно при нормированных импульсных токах, так как характеристика разрядника в процессе его работы не должна превысить нормированный уровень. Увеличение Uост в области малых токов (в области вольт-амперной характеристики, определяемой коэффициентом нелинейности) несущественно, так как приводит к уменьшению токов гашения, что является положительным фактором, если только старение не сопровождается существенным уменьшением пропускной способности.
Максимальное увеличение возможно при нагрузке НС импульсами тока одной и той же полярности. При перемене полярности Uост уменьшаются, достигают начального уровня и при дальнейшем увеличении числа ударов опять возрастают. У вилита увеличение при нагрузке импульсами одной полярности более интенсивно, чем у тервита, однако и тервит старится. На рис. 2-33 представлено старение вилита и тервита, т. е. увеличение Uоств процентах от его начального значения при нагрузке импульсами тока одинаковой амплитуды.
При токах 10 и 5 ка диски из материала тервит-2 практически не старятся. Старение тервита-2 проявляется в увеличении остающихся напряжений при малых токах (500 а и менее), достигающем 3—5% за 100 ударов током 10 ка с волной 10/20 мксек.
Старение вилитовых НС во времени при их нахождении в сухой среде незначительно. Но пребывание в среде с высокой относительной влажностью (95—100%) в течение 6 мес. приводит к возрастанию U3000 на 5% и уменьшению пропускной способности по числу ударов в 1,5—2 раза. В процессе эксплуатации вилитовые сопротивления, находящиеся в разрядниках в течение 5—6 лет, также старятся. Ревизия [81] показала, что остающиеся напряжения при токе 5 ка увеличились до 10%, что объясняется набуханием связующего.
Транспортировка и хранение вилитовых дисков должны осуществляться вследствие этого в герметичной таре.
В материалах, получаемых спеканием при высокой темпера
туре, эффект набухания связующего отсутствует. Тервит поэтому влагостоек, и временные нарушения герметичности конструкции разрядника или увлажнение тервита практически не влияют на остающиеся напряжения.
При изготовлении последовательного сопротивления из материалов с малой удельной пропускной способностью для получения требуемой пропускной способности необходимо использовать диски большого диаметра. При этом нагрев дисков сопровождающим током мал, и при типовых испытаниях разрядников на дугогашение тепло, выделяющееся в разряднике, не влияет на его характеристики.
При использовании материалов с большой удельной пропускной способностью для получения требуемых токов можно брать диски малого диаметра. При этом нагрев дисков сопровождающим током значителен. Нагрев возрастает от удара к удару, а вместе с ним возрастают и токи гашения. При типовых испытаниях разрядников на дугогасящую способность, когда на испытуемый образец подается по пять воздействий с небольшим интервалом (см, § 3-6), необходимо считаться с возрастанием токов вследствие нагрева образца (см. стр. 80 и рис. 2-12) и выбирать пропускную способность НС с учетом того, что диск должен выдерживать сопровождающий ток пятого удара.
Одновременно с этим необходимо учитывать то обстоятельство, что в разряднике выделяется тепло, которое влияет на пробивное напряжение искровых промежутков и ограничивает выбор конструктивных материалов разрядника требованиями по термостойкости и напряжением перекрытия при повышенных температурах.
Рис. 2-34. Изменение характеристик последовательного сопротивления в функции диаметра диска D
Uост= const; Н — высота последовательного сопротивления; Iпр — ток пропускной способности на волне 3/8 мсек, Iг—сопровождающий ток; v — объем последовательного сопротивления
Таким образом, выбор материала и габаритов последовательного сопротивления (особенно для коммутационных разрядников) определяется не только нелинейностью и требованиями к пропускной способности, которым сопротивление должно удовлетворять само по себе, но и требованиями к нему как к элементу, генерирующему тепло и влияющему в силу этого на остальные элементы разрядника. Порядок выбора последовательных сопротивлений грозовых и комбинированных разрядников приведен в § 4-7 и 4-8.
Влияние условного удельного сопротивления материала НС и его диаметра на характеристики последовательного сопротивления разрядника иллюстрируют рис. 2-34—2-36. Расчет проведен для опытного комбинированного разрядника 500 кВ, пропускная способность которого должна составлять не менее 1,5 ка, а защитное отношение Uн/Uн.д — 1,8. Тепловые эффекты при этом не учитывались.
Влияние диаметра НС на токи гашения, пропускную способность (при волне 3/8 мсек), объем и высоту рабочего сопротивления иллюстрирует рис. 2-34. При этом материал НС во всех случаях одинаков.
Рис. 2-35 иллюстрирует влияние удельного сопротивления материала (характеризуемого остающимся напряжением U0,16 при токе 160 α) на характеристики разрядника. С ростом удельного сопротивления материала сопровождающие токи, пропускная способность и габариты последовательного сопротивления уменьшаются.
Для случаен, когда должна быть получена определенная пропускная способность последовательного сопротивления, влияние материала на габариты и сопровождающий ток представлено на рис. 2-36. С ростом сопротивления материала сопровождающий ток и высота последовательного сопротивления уменьшаются, а диаметр и объем увеличиваются.
Рис. 2-35. Зависимость между характеристиками последовательного сопротивления и условным сопротивлением материала дисков U0,16 при D— const
Рис. 2-36. Влияние условного сопротивления материала U0,16 на габариты последовательного сопротивления при заданной величине пропускной способности, Iпр= const Обозначения те же, что на рис. 2-34
Обозначения те же, что на рис. 2-34
Технические характеристики шунтирующих сопротивлений для разрядников.
Шунтирующие сопротивления (ШС) искровых промежутков изготовляются из тирита. Для этого используются мелкие фракции электротехнического карбида кремния, с помощью которых достигается большая величина удельного сопротивления этих изделий.
Вольт-амперная характеристика ШС нелинейна. Коэффициент нелинейности а в диапазоне токов 60—600 мка, измеряемых на постоянном напряжении, составляет для одних сопротивлений 0,30—0,35, для других 0,35—0,45. Промышленность выпускает два вида ШС, внешний вид которых представлен на рис. 2-4.
При нагрузке токами промышленной частоты длительностью 0,1 сек на ШС появляются искорки, если градиент напряжения на них превышает примерно 1,4 кВ/см. Таким образом, при τ= 0,1 сек градиент напряжения 1,4 кВ/см является предельным. При нагрузке токами длительностью 10—20 мксек ШС выдерживает градиенты напряжений до 2,5 кВ/см. При увеличении тока стабилизации предельно допустимые градиенты ШС увеличиваются.
В табл. 2-3 для примера сопоставлены приблизительные величины амплитуд токов, текущих через ШС при фазном напряжении Uф, при наибольшем допустимом напряжении Uн.д и перед пробоем искровых промежутков разрядников, т. е. при Uпp. Расчеты сделаны в предположении, что а между токами комплектовки (600 или 1200 мки) и токами при указанных напряжениях составляет 0,33.
Таблица 2-3
Токи, текущие через шунтирующие сопротивления разрядников при разных напряжениях
Перед пробоем искровых промежутков токи, текущие через ШС, составляют десятки миллиампер. Токи шунтировки при гашении составляют 2—10 ма. При фазном напряжении длительно протекающие через ШС токи составляют примерно 1—4 ма. С увеличением температуры окружающей среды токи шунтировки увеличиваются. Температурный коэффициент ШС по току составляет 0,3— 0,6% на 1° С в зависимости от электропроводности сопротивления.
При понижении температуры окружающей среды до отрицательных температур (зимние условия) будет происходить обратное — значительное снижение токов шунтировки.
