0PS1 характеристики на проверка и приложение
„Варисторните отводители на пренапрежения 0PS1 се използват успешно от дълго време за изграждане на защита и предотвратяване на повреда на електрозахранващи мрежи и електрически инсталации от опасни пренапрежения. Моля, разкажете ми по-подробно как работи тази защита и какво е варистор?“
Олег КАЛИКА, Мариупол, Украйна
0PS1 се отнася за устройства за защита от пренапрежение (SPD) и се използва за защита на електрическата мрежа от краткотрайни, изключително високи напрежения за дадена електрическа мрежа, които възникват между фази или между фаза и земя. Причините за импулсни пренапрежения могат да бъдат както вътре в електрическата мрежа, така и извън нея. Вътрешните източници на импулсно пренапрежение обикновено са превключване на реактивни товари, електростатичен разряд, разрушаване на изолацията и др. От особена опасност в този случай са импулсите, които възникват, когато индуктивният товар е изключен, тъй като по време на превключване цялата съхранена енергия се „хвърля“ в мрежата под формата на импулс с високо напрежение. Електростатичният разряд е опасен най-вече защото се натрупва по време на работа на технологичното оборудване и при достигане на критичната енергия може да се разреди на непредсказуемо място, което ще предизвика импулс на пренапрежение.
Има няколко вида устройства за защита от пренапрежение: изолиращи трансформатори, отводители, защитни диоди. Ако говорим за най-често срещаните SPD за домашна употреба в разпределителни табла, входящи разпределителни уредби на жилищни и промишлени помещения, тогава това несъмнено са устройства, базирани на варистори. Основното предимство на този тип SPD са малките му габаритни размери,липса на излъчване на горещ газ при задействане на защитата, както и лекота на използване.
Какво е варистор?
Варисторът е полупроводников резистор, чието съпротивление зависи от приложеното напрежение. Една от характеристиките на варистора е нелинейна симетрична характеристика ток-напрежение (CVC) (виж фиг. 1).
Тоест, когато се подаде малко напрежение към варистора, токът не тече през варистора, но ако напрежението се увеличава постепенно, тогава ще дойде момент, в който токът започва да тече през варистора. Именно тази функция на варистора се използва за защита от пренапрежения.
За производството на варистори се използват полупроводникови материали с висока стабилност при повишени температури, тъй като по време на работа на варистора цялата мощност се освобождава в малък обем. Има няколко вида варистори, но най-често срещаните са два вида: варистори, направени от силициев карбид SiC и варистори, направени от цинков оксид ZnO. Варисторите от цинков оксид имат силно нелинейна волт-амперна характеристика, но са много по-трудни за производство от варисторите от силициев карбид.
Принципът на работа на варистора
За да разберем по-добре как работи варисторът, нека разгледаме производствената му технология, използвайки примера на варистори от силициев карбид (тъй като, нека ви напомня, технологията на производство на варистори от цинков оксид е много по-сложна). За производството на варистори от силициев карбид се използва полупроводников силициев карбид SiC с нелинейна характеристика ток-напрежение. Силициевият карбид се смила на прах до кристален размер от няколко десетки микрометра и този прах се използва катооснови на варистора. Самият прах вече има нелинейна CVC, но тази нелинейност е изключително нестабилна и силно зависи от степента на компресия на праха, размера на частиците на праха, промените при разклащане и т.н. За стабилизиране на параметрите прахът се свързва със свързващо вещество - глина, стъкло, смола. Прахообразният силициев карбид и свързващото вещество се пресоват във форма и се синтероват при високи температури. Повърхността на пресованата проба е метализирана и към нея са запоени изводи. Външно варисторите са направени под формата на пръти или дискове.
Нелинейността на характеристиката ток-напрежение на варистора е свързана с процесите, протичащи по време на протичането на ток в контактните точки на повърхностите на кристалите от силициев карбид. Повърхностите на кристалите имат разнообразна форма и са подредени произволно. При малко приложено напрежение токът протича само през областите на кристалите, които са в контакт един с друг. С увеличаване на напрежението, токът, протичащ през тези контактни зони, пропорционално се увеличава и токът започва да тече между кристалните зони с малки пролуки между повърхностите, докато зоните, предаващи ток, започват да се нагряват. Нови проводящи вериги от кристали са свързани паралелно, броят им се увеличава. Колкото по-високо е напрежението, толкова повече ток преминава през кристалите, което води до още по-голямо нагряване в точките на контакт. Увеличаването на температурата на полупроводниковия силициев карбид води до намаляване на съпротивлението, т.е. при определено приложено напрежение съпротивлението на варистора ще намалее толкова много, че през него ще тече ток.
Ориз. 1. Нелинейна токово-напреженова характеристика на варистора
Така при изграждане на защита от пренапрежение е необходимо да се избере такававаристори, които няма да пропускат ток през себе си при номиналното напрежение на електрическата инсталация. И когато напрежението се повиши, те ще се „отворят“, преминавайки опасен импулс на напрежение през себе си, като по този начин защитават инсталацията.
При продължителна работа на варистора като част от разрядник за пренапрежение, влошаването на работните характеристики и промените в характеристиката на тока и напрежението са неизбежни.
Причините за тези промени са дългосрочното прилагане на номиналното напрежение и импулсни въздействия.
В режим на непрекъснато прилагане на номиналното напрежение, промяната в характеристиките се дължи на дългосрочната работа на варистора при номиналното напрежение и номиналната честота. За промените в характеристиките на варистора при този режим на работа отговаря свързващото вещество, което свързва кристалите от силициев карбид.
Импулсно въздействие върху варистора. По време на работа ограничителят и варисторът, който е част от него, многократно са изложени на светкавични и превключващи ефекти, което несъмнено води до влошаване на характеристиката ток-напрежение. В този случай импулсът на напрежението не трябва да бъде по-висок от прага на работа на варистора, практиката показва, че основната промяна в I–V характеристиката се случва в областите с ниски токове.
Класификационен стрес тест
Измерването на класификационното напрежение е надежден начин за проследяване на промяната във волт-амперната характеристика на варистор. Класификационното напрежение 11k е напрежението на клемите, при което даден ток започва да тече през варистора. По правило за варисторите се посочва класификационно напрежение, при което през него преминава ток от 1 mA.
Тоест напрежението, при което варисторът се "отваря" и пропуска през себе си опасен импулс на напрежение, напримерза I–V характеристиката на варистора, показан на фиг. 1, класификационното напрежение ще бъде 60V.
Няма нищо сложно в измерването на класификационното напрежение. Към ограничителя се прилага напрежение и постепенно се повишава до стойност, при която през варистора започва да тече ток от 1 mA. По този начин измерването на класификационното напрежение е контрол, който не разрушава работата на варистора. И може да се извърши както на нови варистори, така и на варистори по време на работа.
Специалисти от техническия отдел на групата компании IEK извършиха статистически измервания на класификационното напрежение за отводители 0PS1 от марката IEK®. Пробата се състои от 100 броя от всеки тип 0PS1: 0PS1-V, 0PS1-S, OnCl-D.
Класификационният стрес беше измерен по два начина. Първо, на тестов стенд за измерване на класификационното напрежение 0PS1 на производителя. На този щанд заводът извършва 100% проверка на работата на всички произведени разрядници. И второ, с помощта на устройството E6-24, произведено от NPF Radio Service. Устройството представлява преносим мегаомметър с функция за измерване на класификационното напрежение. Устройството измерва класификационното напрежение на варисторите в автоматичен режим, когато се прилага постоянно напрежение и постепенно се увеличава и токът, протичащ през варистора, се следи постоянно. По този начин с помощта на E6-24 е възможно да се тества работоспособността на 0PS1 с минимални разходи за труд.
Ориз. 2. Плътност на вероятността за класификационен стрес
Според резултатите от измерванията на класификационния стрес са построени графики на плътността на вероятносттакласификационни стойности на напрежението за всеки тип 0PS1 (фиг. 2). Разликата в измерените стойности на класификационното напрежение на двата уреда не надвишава 1 процент и се дължи на грешките на вградената в уредите измервателна апаратура. Чрез осредняване на получените данни и опростяване на проверката на производителността на 0PS1 за потребителя, можем да вземем следните класификационни стойности на напрежението: 0PS1-V - 710 V, 0PS1-S - 670 V и 0nCl-D - 420 V.