Вольт-амперные характеристики резисторов РНС-60 при напряжении промышленной частоты

УДК 621.316.8

 Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, вып. 91, с. 99-105.
Приведены экспериментальные данные вольт-амперных характеристик (ВАХ) оксидно-цинковых резисторов РНС-60 по амплитудам активной составляющей тока при синусоидальном напряжении частоты 50 Гц и зависимости ВАХ от температуры. Оценены разбросы ВАХ колонок резисторов при различных методах комплектовки колонок для ограничителей перенапряжений.
Библиогр.: 3.

В. В. Шматович, И. И. Заморников, В. К. Пугачев

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫХ ОКСИДНО-ЦИНКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ РНС-60 ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
Разработанные в ВЭИ резисторы РНС-60 [1 ] предназначены для создания аппаратов защиты от перенапряжений и изготовляются в виде дисков диаметром 60 и высотой около 10 мм, на торцовых частях которых методом шоопирования нанесены электроды.

Рабочее сопротивление защитного аппарата комплектуется соединением единичных резисторов в виде колонок. В тяжелых аппаратах могут использоваться несколько параллельных колонок. Высокая нелинейность резисторов позволяет создать защитный аппарат без искровых промежутков, который заменяет традиционные вентильные разрядники. При этом резисторы, пропускающие через себя большие токи при перенапряжениях и тем самым ограничивающие перенапряжения, все время находятся под действием рабочего напряжения сети. Это обусловливает необходимость изучения и нормирования электрических характеристик резисторов при воздействии на них напряжения, которое может быть длительно к ним приложено. Для воздействия постоянного напряжения такие электрические характеристики известны и представлены в виде вольт-амперных характеристик (ВАХ) при различных температурах [2]. Эти характеристики снимаются при сравнительно длительном (около 1 мин) приложении напряжения вплоть до токов в несколько миллиампер. По установившейся практике резисторы характеризуются остающимся напряжением при постоянном токе 10-3 А (U10-3). При воздействии на резисторы синусоидального напряжения промышленной частоты с амплитудой менее U10-3 , как следует из осциллограмм рис. 1, а, ток несинусоидален и имеет явно выраженный емкостный характер. Естественно предположить простейшую электрическую схему замещения резистора в виде параллельных емкости и активного нелинейного сопротивления (рис. 2). В соответствии с этим представляет интерес определить параметры этих двух элементов схемы замещения.
Измерения емкостной составляющей (рис. 1, в) показали, что емкость при изменении амплитуды напряжения  изменяется не более чем на 5%, составляя при Т = 20°С около 2400 пФ на единичный резистор.
Рис. 1. Осциллограммы напряжения и токов промышленной частоты, протекающих через резисторы РНС-60 при U=0,9U10-3 и Т = 50°С:
а — суммарный ток; б — активная составляющая тока; в - емкостная составляющая  тока

Динамическая ВАХ активной составляющей тока при синусоидальном напряжении помимо явно выраженной нелинейности (рис. 1, 6) имеет петлевой характер. Статическая (по амплитудным значениям тока и напряжения) ВАХ активной составляющей тока при 20°С представлена по усредненным данным измерений 66 резисторов (11 колонок) при токах менее 1-10-3 А в долях М10-3 кривой 2 (рис. 3), а ВАХ на постоянном токе — кривой 1.
При токе менее 10-3 А статическая ВАХ при напряжении частотой 50 Гц существенно отличается от ВАХ на постоянном токе, причем расхождение усиливается по мере снижения тока. При постоянном токе около 1-10-3 А и при частоте 50 Гц ВАХ пересекаются, а в области токов более 1-10-3 А ВАХ при 50 Гц лежит даже несколько выше по напряжению (примерно на 2—3%). Аналогичный результат получен в [3] .

Рис. 2. Схема замещения высоконелинейного резисторе

Резкое расхождение ВАХ при токе менее 10-3 А означает, что принятое в схеме замещения (рис. 2) активное нелинейное сопротивление существенно ниже измеренного на постоянном токе и принятая простейшая схема и ее параметры пригодны только для синусоидального напряжения промышленной частоты. Следует отметить, что ВАХ отдельных колонок (в колонке шесть последовательных резисторов) как при постоянном, так и при переменном напряжении могут заметно отличаться от средней ВАХ. Однако вариации тока при синусоидальном напряжении промышленной частоты и относительных напряжениях менее 0,9 существенно меньшие, чем при постоянном напряжении. Например, при напряжении 0,9 отклонения тока от среднего значения составляют +180 и —80% при постоянном напряжении и +40 и —25% при синусоидальном напряжении промышленной частоты той же амплитуды. При снижении напряжения относительные отклонения тока при синусоидальном напряжении несколько снижаются, в то время как при постоянном имеется тенденция роста разброса. Зоны разброса ВАХ показаны на рис. 3 как огибающие по результатам измерений отдельных колонок. Оценка коэффициента вариации тока при напряжении 0,9U и 0,8U по измерениям на 11 колонках составляет соответственно 26 и 20%. Таким образом, при комплектовке колонок с одинаковым U на постоянном токе токи, протекающие через резисторы при напряжении промышленной частоты могут различаться и довольно существенно.
Учитывая, что в колонке было шесть последовательных резисторов, можно в первом приближении считать, что при произвольном числе nпоследовательных резисторов в колонке коэффициент вариации будет
изменяться пропорционально , .Такая оценка позволяет заключить, что полученная нами усредненная ВАХ по 66 резисторам имеет коэффициент вариации присоответственно 9 и 6%.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики резисторов РНС-60:
1 — на постоянном токе; 2, 3 — на переменном токе; 4 - на волне 8/30 мкс;            -ВАХ 66 резисторов; .■.■.■ — огибающие предельных значений ВАХ из шести резисторов каждая, скомплектованных на постоянном токе;                   —то же, скомплектованных по U500.

Колонки с равными значениями при постоянном токе даже с 30—40 последовательными резисторами в каждой при амплитуде напряжения (0,8:0,9) U10-3 будут иметь разброс амплитуд активной

составляющей тока около 125%. В этом же плане целесообразна и оценка разброса ВАХ в области больших токов. Например, те же 11 колонок с шестью последовательными резисторами, скомплектованными по V10-3 , имеют разброс с оценкой коэффициента вариации 4% (пределы разброса от среднего составляют +9,3 и —6,0%, a —6,4% (пределы разброса +16,5 и —9,6%). Есть основания полагать, что пределы разброса и оценка коэффициента вариации несколько завышены, так как одна из колонок имеет отношение U500/U10-3 выше, чем это предусмотрено ТУ на резисторы PHС-60 [3] и ее исключение резко снизит коэффициент вариации (например, для U10-4 от 6,4 до 3,6%). Естественно, что и здесь увеличение количества резисторов в колонке сократит разброс ВАХ. Таким образом, при комплектовке защитного аппарата на постоянном токе необходимо считаться с разбросом как токов при рабочем напряжении, так и остающихся напряжений в области 500 А и более, характеризующих защиту от коммутационных и грозовых воздействий. При этом потребуется принимать остающееся напряжение при нормированном токе даже для аппаратов, комплектуемым из одной колонки резисторов, с запасом, обусловленным имеющимся разбросом остающегося напряжения. При комплектовке защитных аппаратов с несколькими параллельными колонками становится весьма актуальным распределение нагрузки по колонкам при токах, близких к пропускной способности резисторов на волне длительностью несколько миллисекунд. Отсюда очевидна необходимость комплектовки таких защитных аппаратов, где 500 А — значение, близкое к пропускной способности резистора на длинных волнах. При имеющемся характере зависимости разброса токов, как меньших 10-3 А (рис. 3, кривые б и в), так и больших (рис. 3, кривая г), можно было ожидать, что у колонок, скомплектованных по U500 , разброс ВАХ в области рабочих напряжений (токи примерно 10-4 А) должен заметно возрасти. Однако (рис. 3) разброс тока при 0,8U и ниже остался практически без изменения. Это открывает возможность комплектовки защитных аппаратов с параллельным включением колонок резисторов по без существенного увеличения неравномерности распределения токов при рабочем напряжении.
Поскольку снятие ВАХ при переменном токе безусловно сложнее, чем при постоянном, была сделана попытка оценить взаимосвязь ВАХ при постоянном и переменном токах. Для партии резисторов, скомплектованных по средним ВАХ, такое соотношение существует однозначно. Однако оценка ВАХ колонок на переменном токе по данным этой зависимости и по результатам измерений на постоянном токе дает зону разброса ВАХ на переменном токе в относительных единицах не менее, чем на постоянном. Поскольку разброс напряжений 0,9U10-3 и ниже на постоянном токе значительно больше, чем на переменном (рис. 3, а, б), такая оценка резко завышает и без того значительный реальный разброс и, следовательно, не имеет практического смысла. Кроме того, для оценки ВАХ на переменном токе в области рабочего напряжения оказывается необходимым его измерение при постоянном токе 1 мкА и менее. Результаты этих измерений не стабильны и, кроме того, зависят от влажности окружающей среды, в связи с чем они и не включены в ТУ на резисторы РНС-60.
В данной работе, чтобы исключить влияние влажности на электрические характеристики, все колонки резисторов перед испытаниями были выдержаны в муфельной печи в течение 3—4 ч. при температуре 150— 180°С и в горячем состоянии обмазаны эпоксидным компаундом К-115.
Как при постоянном, так и при переменном напряжении промышленной частоты и менее увеличение температуры резисторов приводит к увеличению тока, причем относительное увеличение тока тем больше, чем меньше напряжение. Температурный коэффициент по току К принято [1] определять как(где
I20— ток при начальной температуре 20°С и заданном напряжении U; IТ- ток при температуре Т и том же напряжении U).
Таким образом, называя значение К данного резистора, следует оговаривать температуру и напряжение.
Если ввести понятие дифференциального температурного коэффициента по токуи принять его независимым от температуры в исследуемом диапазоне ( 7 = 20 100°С), получим
(f)
Экспериментальные зависимости логарифма активной составляющей тока промышленной частоты от температуры при фиксированной амплитуде напряжения в долях V10-3 подтверждают сделанное предположение о постоянстве дифференциального температурного коэффициента по току при изменении температуры. Действительно, зависимость логарифма тока от температуры при фиксированной амплитуде напряжения практически линейна в пределах рассмотренных напряжения и температуры и может быть выражена зависимостью
(2)
При этом расхождение расчетных и экспериментальных данных по току практически не превышает 110%, что равносильно точности измерения напряжения 10,5%.

Коэффициент η (2) не зависит от температуры, но зависит от напряжения. Эта зависимость для партии из 66 резисторов может быть представлена в виде

Список литературы

1. Александров В. В., Пружинима В. И. Электрические характеристики оксидно-цинковых резисторов РИС-60. — Электротехника, 1979, № 7, с. 29-32.
2. Kobagashi М., Mizuno М., Aizawa Т. etal. development of zinc—oxide non-linear resistors and their applications to gapless surge arresters. — IEEE Trans. Power Appar. and Syst., 1978, vol. 97, №4, p. 1149-1157.
3. Tоminaga S., Shibuya Y., Fujiwara Y., Ni11a T. Electrical properties of zinc-oxide valve element for a surge arrester.— IEEE Power Eng. Soc. Summer meeting, Los Angeles, july 16—21, 1978, p. 1-8.