А. В. Карабанов, А. Н. Лехмус, Л. Л. Михайлова
С разработкой и промышленным выпуском оксидноцинковой керамики (варисторов), имеющей лучшие характеристики по сравнению с карбидокремниевыми аналогами, появилась возможность замены традиционных защитных аппаратов, таких, как вентильные разрядники, аппаратами без искровых промежутков — ограничителями перенапряжений. Область применения ограничителей перенапряжений достаточно широка: это прежде всего энергетика, энергетическая электроника, электроника систем связи, измерительная техника, транспорт, бытовая электроника. Изготовление защитных аппаратов без искровых промежутков на различные классы напряжения стало возможным благодаря выпуску оксидноцинковых варисторов с классификационным напряжением U1мА от единиц до тысяч вольт. Их параметры позволяют защитить электротехническое оборудование от перенапряжений, имеющих различные длительности — от микросекунд, что соответствует грозовым режимам, до миллисекунд, что характерно для коммутационных режимов. Поэтому при создании защитного аппарата необходимо не только правильно координировать его параметры при рабочем напряжении с заданным уровнем ограничения перенапряжений, но и оценить предельную пропускную способность.
Методика определения характеристик защитного аппарата, содержащего последовательно-параллельную комбинацию варисторов, состоит из трех операций:
- подбора варисторов с таким классификационным напряжением, чтобы защитный аппарат мог длительно выдерживать наибольшее рабочее напряжение схемы;
- определения возможной кратности квазистационарных перенапряжений в схеме и сравнения с допускаемым для варисторов кратковременным превышением напряжения промышленной частоты;
- определения уровня ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений и сравнения его с заданным с учетом пропускной способности, т. е. максимально выдерживаемого импульсного тока, протекающего через варистор, в зависимости от его длительности и повторяемости.
Первая операция заключается в подборе по известному наибольшему рабочему напряжению Uн р одного или нескольких последовательно включенных варисторов для защиты схемы, чтобы при длительно приложенном Uн р активная составляющая тока через варистор не превышала 0,1 мА (цифра определена ТУ завода-изготовителя), что гарантирует сохранение ресурса пропускной способности аппарата.
Для реализации второй операции необходимо учесть приведенную в [1] допустимую кратность перенапряжений Кп = Uдоп/Uн р в зависимости от длительности (рис. 1). Если квазистационарные перенапряжения UK имеют большую амплитуду или длительность, необходимо увеличить классификационное напряжение варистора либо их количество в последовательном соединении таким образом, чтобы выполнялось соотношение UK < Uдоп.
Рис. 2. Вольтамперная характеристика оксидноцинковых варисторов СН2-2 при импульсном токе формой 8/20 мкс.
Выбор классификационного напряжения варисторов задает их вольтамперную характеристику, определяющую уровень ограничения перенапряжений.
Рис. 1. Допустимый уровень квазистационарных перенапряжений в зависимости от их длительности
Приведенная к U1мА вольтамперная характеристика представлена на рис. 2. Учитывая, что классификационное напряжение варистора определено с допуском ±10%, вольтамперная характеристика также может иметь отклонения от представленной на рис. 2. Как видно, наилучшая нелинейность характерна для диапазона токов до 1000 А, он и принят как рабочий. Дальнейшего снижения уровня перенапряжений на защищаемом оборудовании можно достигнуть увеличением количества параллельно соединенных варисторов. Однако для параллельной работы их необходимо специально подбирать, так как различие сопротивлений может привести к перегрузке одного из варисторов.
Как показано в [2], подбор варисторов для параллельной работы необходимо осуществлять сравнением двух точек вольтамперной характеристики, например при токах 100 и 500 А формой 8/20 мкс. Напряжение на варисторе при протекании через него импульсного тока амплитудой 100 A (U100) связано с классификационным напряжением защитным коэффициентом: U100= 1,6U1мΑ, где 1,6 — предельное значение защитного коэффициента, определенного в ТУ завода-изготовителя.
Наиболее трудоемкой является задача определения пропускной способности варисторов в импульсном режиме, т. е. максимально выдерживаемого импульсного тока заданной длительности при некотором количестве воздействий. Такая работа была проделана на кафедре «Техника высоких напряжений» ЛПИ им. М. И. Калинина. В качестве исследуемых были выбраны варисторы типа СН2-2Б с классификационным напряжением 1000 В и средним градиентом напряжения 1,7 кВ/см, полученным при диаметре зерен оксида цинка в варисторах (10... ...20) мкм.
Как известно, пропускная способность варистора уменьшается с уменьшением размера зерна или, что то же самое, с увеличением градиента напряжения. Варисторы с классификационным напряжением от 330 до 1500 В имеют примерно один размер зерен и один диаметр, следовательно, примерно равную пропускную способность. Варисторы с меньшим классификационным напряжением имеют меньший диаметр, поэтому их пропускная способность должна оцениваться отдельно.
Рис. 3. Зависимость пропускной способности варисторов СН2-2Б от времени воздействия
Пропускная способность исследовалась при воздействии импульсных токов различной длительности — 20, 100, 2000 и 30 000 мкс до полуспада. За отказ или выход из строя варистора приняты изменение классификационного напряжения U более чем на ±10%, перекрытие варистора по боковой поверхности либо сквозной пробой.
Предельная амплитуда тока определялась для каждой длительности импульса последовательным приближением на новой группе образцов, состоящей из десяти варисторов.
Испытания проводились с помощью генератора импульсных токов, собранного по известной схеме [2].
Максимально выдерживаемый ток определялся при количестве воздействий N, равном 100, 10 и 1. 100 воздействий подавались сериями по 20 опытов. Между сериями образцы полностью охлаждались. Пропускная способность при 10 воздействиях оценивалась при подаче каждого импульса на полностью охлажденный образец. Изменение классификационного напряжения регистрировалось на охлажденном варисторе.
По результатам испытаний построены зависимости (рис. 3) предельно выдерживаемого импульсного тока от его длительности до полуспада Т и количества воздействий Ν. Зависимости построены в предположении, что при превышении тока In наступает тепловой пробой с необратимым разрушением варистора. Однако при длительности (20... 100) мкс повреждение варистора происходит путем перекрытия по боковой поверхности. Этим объясняется изменение характера зависимости при N — 100, где для токов (2...3) кА перекрытие наблюдается раньше, чем тепловой пробой. На рис. 3 показано пунктиром, при каких токах длительностью от 20 до 100 мкс наступает разрушение варистора. Повышения пропускной способности варисторов в этом диапазоне токов можно достигнуть защитой боковой поверхности различного рода покрытиями. Варисторы типа СН2-2А, полностью покрытые эмалью, выдерживают единичные токи формой 8/20 мкс, амплитудой до 10 кА, что хорошо согласуется с расчетными данными.
Для ориентировочного расчета кривых, приведенных на рис. 3, можно воспользоваться формулой IN' = const [1], где у лежит в пределах 3,2... 4.
Выводы
- Приведенная методика определения характеристик аппарата из последовательно-параллельной комбинации оксидноцинковых варисторов может быть применена при защите от перенапряжений различного оборудования.
- Определение пропускной способности варисторов с классификационным напряжением от 330 до 1500 В в различных режимах позволяет выбрать оптимальное число параллельно включенных элементов для обеспечения надежной работы защитного аппарата.
- Повышенную пропускную способность в режиме ограничения грозовых перенапряжений можно получить, используя варисторы, например типа СН2-2А, предельно выдерживаемый единичный импульсный ток которых достигает 10 кА.
