Варистор

Для получения требуемых  электрофизических характеристик  бетэла проводят специальный подбор не только связующего компонента, но и диэлектрического наполнителя, например кварцевого песка.

Способность технического углерода к структурированию сохраняется и при использовании цементного связующего. Композиционный материал образует структуру, представляющую собой как бы объемную сеточную матрицу с преобладающим распределением частиц полупроводника вдоль поверхности гранул, образованных цементом и диэлектрическим наполнителем.

Объемные варисторы  из бетэла, основными компонентами которого являются портландцемент, пековый кокс, графит или технический углерод, получили в отечественной электротехнической аппаратуре наиболее широкое применение. На рисунке 11,а показан шунтирующий варистор для наружной установки, применяющийся в воздушных выключателях с газонаполненным отделителем. Бетэловый варистор представляет собой столб, собранный из отдельных галет, помещенных в герметичный фарфоровый корпус. Бетэловый варистор может иметь сопротивление от 10 Ом до 1 кОм в зависимости от состава композиции. Для бетэловых варисторов характерно малое значение индуктивности. Например, индуктивность выпускаемых промышленностью варисторов типа РБШН составляет 15— 20 мкГн, что значительно меньше индуктивности металлических шунтирующих варисторов типа ШС-300, у которых L= 1200 мкГн.

 

 

 

Особенностью полупроводниковых  варисторов на основе бетэла является уменьшение сопротивления с ростом приложенного напряжения, т.е. отрицательный ТКU. Это явление объясняется увеличением электрической проводимости в контактах между отдельными частицами полупроводникового наполнителя, входящего в состав композиции, при увеличении приложенного напряжения.

Особенностью промышленных конструкций высоковольтных варисторов, выполняемых из заданного числа бетэловых галет, является то, что все галеты необходимо механически прочно соединить между собой, так как в точках контактирования плотность тока велика, что приводит к неравномерному нагреву варистора при электрической нагрузке. К особенностям варисторов галетного типа необходимо также отнести то, что они имеют ограниченный диапазон сопротивлений, поскольку на основе бетэла затруднено получение мощных резисторов с сопротивлением в несколько килоом. В связи с этим в последние годы развернулись работы по созданию высоковольтных полупроводниковых варисторов со сплошным резистивным элементом (РЭ). Авторами совместно с канд. технических наук Л. И. Сурогнным в 1980—1985 гг. проведены работы по созданию варисторов с подобными РЭ. Конструкция варистора со сплошным цилиндрическим РЭ приведена на рисунке 11,б.

Для мощных резисторов важным является не только получение малых  значений сопротивления и индуктивности РЭ, но и обеспечение низкого значения TKR, равного (1—10) • 10^-4 1/°С. Авторами проведен комплекс исследований и теоретических расчетов для установления зависимости между нелинейностью РЭ и его индуктивностью. Совместно с канд. техн. наук Л. И. Сурогиным на ЭВМ типа ЕС-1030 проведен расчет индуктивных характеристик РЭ, показано, что скорость проникновения электромагнитной волны в материал существенно зависит от нелинейности полупроводниковой композиции, например с изменением показателя нелинейности вольт-амперной характеристики РЭ от 0,7 до 1 индуктивность РЭ может быть снижена примерно на два порядка.

Оценка индуктивных  свойств РЭ проводилась на основании  решения уравнений

;

.

 

при следующих граничных  условиях:

   ,

где Н_, Е - напряженность магнитного и электрического поля соответственно; В - магнитная индукция; ε_α - абсолютная диэлектрическая проницаемость композиционного материала; σ - электрическая проводимость.

Совместным решением уравнений Максвелла получено уравнение  для напряженности электрического поля в полупроводниковом материале композиционного типа, нелинейность которого можно характеризовать переменной величиной σ '. Зависимость σ ' от напряженности электрического поля может быть найдена с учетом экспериментальных данных:

,

здесь μ_α — магнитная проницаемость композиционного материала; α — показатель нелинейности вольт-амперной характеристики варистора, изготовленного из композиционного материала.

По результатам расчета  скорости проникновения электрического поля в РЭ, выполненный из полупроводниковых  композиций на цементном связующем, с различной степенью нелинейности вольт-амперной характеристики построены  зависимости напряженности электрического поля от времени (рис. 12).

Из приведенных зависимостей следует, что даже при незначительном изменении α существенно меняется время проникновения электрического поля в объем варистора. В связи с этим целесообразно оценивать временные характеристики E=f(x) для резисторов на основе материалов, характеризующихся нелинейной зависимостью электрической проводимости от напряжения. Временные и геометрические координаты приняты в относительных единицах, что дает возможность отнести полученные результаты и к варисторам с различными геометрическими размерами и сопротивлениями.

 

 

 

 

 

 

Применение  варисторов

 

Нелинейная вольт-амперная характеристика варисторов позволяет использовать их для защиты от перенапряжения, ограничения импульсов напряжения, защиты от помех, стабилизации напряжения, искрогашения на разрывных электрических контактах и коллекторах электрических машин.

Обладая нелинейной зависимостью тока от приложенного напряжения, варисторы являются простыми и надежными ограничителями напряжения. Особенно высокие перенапряжения в электрических цепях возникают при коммутации индуктивной или емкостной нагрузки.

При конструировании  электромагнитных устройств постоянного тока большой мощности и высоковольтных устройств переменного тока приходится рассчитывать межвитковую изоляцию с большим запасом электрической прочности. Включение варистора параллельно обмотке может в значительной степени снизить перенапряжения, возникающие при коммутации. Напряжение на катушке индуктивности в момент размыкания цепи можно определить по приближенной формуле

,

где L - индуктивность катушки; I_L - ток в катушке до размыкания;

 τ=L/R - постоянная времени цепи в момент размыкания; R— суммарное сопротивление цепи.

При коммутации обмотки без защитного варистора падение напряжения

.

Суммарное сопротивление  цепи R в момент переключения определяется сопротивлением коммутирующего элемента R_к поэтому

.

При отключении индуктивности, защищенной варистором, аналогично получим

,

где R_B — сопротивление варистора; R_K — сопротивление коммутирующего элемента.

Сопротивление варистора

Следовательно,

.

Параметры варистора  следует выбирать так, чтобы ток через варистор в статическом режиме составлял небольшую часть тока в обмотке:

, причем .

После преобразований имеем

.

Кратность перенапряжения λ по отношению к номинальному напряжению катушки для случая без варистора равна

Λ₁₌R_K/R_L,

а для случая с варистором

.

Из сравнения видно, что всегда больше λ₂, причем кратность перенапряжения λ₂ меньше, если

>>1/

Для снижения перенапряжения в n раз (λ₁/λ₂=n) необходимо параллельно катушке индуктивности присоединить варистор с коэффициентом нелинейности:

,

где λ_ДОП -допустимая кратность перенапряжения.

Классификационное напряжение варистора можно определить из соотношения

.

Допустимая мощность рассеяния варистора Р_в должна удовлетворять соотношению

,

где f- частота отключений индуктивности.

Наиболее распространенным и эффективным методом ограничения искры на контактах, коммутирующих цепи постоянного тока, является метод шунтирования контактов (или обмотки индуктивности в их цепи) контуром RC, состоящим из последовательно соединенных емкости и линейного резистора.

Защита разрывных электрических  контактов может быть также осуществлена путем включения варистора либо параллельно контактам, либо параллельно источнику перенапряжения. Варистор выполняет роль нелинейного шунта, имеющего небольшое сопротивление при всплесках напряжения в момент размыкания контактов и значительное сопротивление при отсутствии перенапряжения.

На рис. 13,а и б приведены две схемы включения варисторов для искрогашения на контактах. Работу схемы можно описать дифференциальным уравнением

,

 

 

 

где L - индуктивность нагрузки; R- сопротивление нагрузки; r- внутреннее сопротивление источника питания; R_B— статическое сопротивление варистора RU; i—мгновенное значение тока в цепи; U—напряжение источника питания.

Величина R_B является функцией тока. Решение этого уравнения должно удовлетворять следующим трем граничным условиям:

 при замкнутых контактах  в установившемся режиме справедливы соотношения

; ; ,

в момент размыкания контактов  справедливы соотношения

;

;

где U_K — напряжение на контактах.