ГЛАВА ВТОРАЯ
НЕЛИНЕЙНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
1. Общие представления о нелинейных сопротивлениях
Нелинейные сопротивления (НС) составляют класс твердых полупроводниковых изделий, сопротивление которых практически мгновенно уменьшается при увеличении приложенного напряжения.
Различают два типа нелинейных сопротивлений. В сопротивлениях, получивших название варисторов, плотности тока составляют величины порядка 10-6 — 1а/см2. Напряжение к таким сопротивлениям может быть приложено длительно, и нагрузка лимитируется главным образом нагревом и теплоотдачей.
Второй тип нелинейных сопротивлений составляют сопротивления, используемые преимущественно для больших кратковременных нагрузок. К ним относятся сопротивления для вентильных разрядников и для других устройств защиты от перенапряжений, а также мощные шунтирующие сопротивления для высоковольтных аппаратов. Эти сопротивления подвергаются кратковременным нагрузкам длительностью 10-5—10-1 сек. Плотности тока и градиенты напряжений у них могут достигать 102—103 а/см2 и 2—4кв/см соответственно. Токи нагрузки в таких сопротивлениях лимитируются уже не средним нагревом нелинейного сопротивления, а его пробоем.
Нелинейные сопротивления являются симметричными сопротивлениями, т. е. вольт-амперная характеристика их практически не зависит или слабо зависит от полярности напряжения.
Как правило, нелинейные сопротивления являются двух- трех-компонентными системами и в литературе иногда именуются комплексными полупроводниками.
В данной главе рассматриваются нелинейные сопротивления, которые используются в качестве последовательных и шунтирующих сопротивлений в вентильных разрядниках высокого напряжения.
Назначение последовательного нелинейного сопротивления и основные требования к нему.
Последовательное сопротивление вентильного разрядника должно обладать нелинейной вольт-амперной характеристикой и способностью многократно пропускать токи, текущие через разрядник. Оба эти требования вытекают из назначения последовательного сопротивления.
С одной стороны, последовательное сопротивление должно уменьшать сопровождающие токи разрядника до величин, при которых искровые промежутки будут надежно обрывать дугу сопровождающего тока. Очевидно, что чем меньше сопровождающий ток, тем надежнее происходит его гашение. Вследствие этого сопротивление разрядника Rr при наибольшем допустимом напряжении (напряжение гашения) должно быть возможно большим.
С другой стороны, при протекании максимального нормированного тока грозового перенапряжения сопротивление разрядника должно быть минимальным для того, чтобы остающееся напряжение на разряднике не превышало наперед заданной величины, которая определяется принятым защитным уровнем разрядника, зависящим от класса напряжения и типа разрядника. Чем выше номинальное напряжение сети, тем относительно ниже выбирается его уровень. Таким образом, последовательное сопротивление Rн, должно быть достаточно мало для того, чтобы обеспечить при больших токах малую величину Uн= Iн/Rн. Оно должно быть возможно больше при малых токах, чтобы обеспечить малое значение сопровождающего тока Iс=Uн.д/Rг. Чем меньше Rн и чем больше Rг, тем совершеннее характеристика сопротивления, а следовательно, и разрядника в целом.
Из сказанного следует, что сопротивление разрядника не может быть линейным. В самом деле, отношение Uн/Uн.д—так называемое защитное отношение разрядника для разных типов разрядников лежит в пределах от 1,4 до 2,5—2,8. Нормированные токи грозового перенапряжения зависят от типа сетей и класса напряжения. В СССР нормируются импульсные токи от 5 до 10 ка. Для того чтобы снизить токи гашения до десятков или сотен ампер требуется, чтобы сопротивление разрядника изменялось в десятки раз при изменении напряжения всего лишь в 1,4—2,8 раза, т. е. сопротивление разрядника должно обладать нелинейной вольт-ампер ной характеристикой.
Кроме того, последовательное сопротивление, как и разрядник в целом, должно выдерживать без повреждения и без изменения характеристик (или с небольшим нормированным изменением характеристик) многократную нагрузку импульсами тока различной формы и длительности с последующим протеканием сопровождающих токов. Нормированное число нагрузок предельно допустимым током обычно составляет 20 или 50.
Как будет показано ниже, чем больше длительность волн тока, тем меньше величина допустимых его амплитуд. Для каждого типа нелинейного материала существует своя зависимость I(τ) амплитуды тока от длительности его протекания, характеризующаяся крутизной спадания I с ростом τ. При этом у материалов высокой нелинейности пропускная способность при нагрузках токами большой длительности (порядка миллисекунд и более) мала.
В разрядниках, отстроенных от коммутационных перенапряжений и являющихся в основном грозозащитными, последовательное сопротивление должно выдерживать без повреждений, помимо нормированных импульсных токов, только сопровождающие токи. Величина этих токов определяется нелинейностью самого сопротивления. Для материалов высокой нелинейности пропускания способность в области сопровождающих токов может быть мала.
Иначе обстоит дело в разрядниках, срабатывающих при коммутационных перенапряжениях, длительность которых, как правило, составляет миллисекунды и десятки миллисекунд. Амплитуды волн тока зависят от уровня возможных коммутационных перенапряжений; от уровня, до которого они должны быть ограничены; от величины сопротивления как самого разрядника, так и линии; от места подключения разрядника. В этих случаях пропускная способность последовательного сопротивления неоднозначно зависит от его нелинейности и в области длинных волн тока должна превышать пропускную способность грозозащитных разрядников в несколько раз.
Однако в нелинейных сопротивлениях разрядников обоих типов рационально иметь высокую нелинейность, если она сочетается с высокой же пропускной способностью.
