Zinkoxidové varistory pro svodiče přepětí

Varistory z oxidu zinečnatého jsou polovodičové produkty se symetrickými nelineárními charakteristikami proudového napětí (CVC). Takové varistory jsou nejpoužívanější. v přepěťových ochranách (SPN), zejména pro ochranu elektrických zařízení před bleskem a spínacími přepětími. O parametrech a vlastnostech tohoto zařízení — v článku publikovaném níže.

Varistor oxidu zinečnatého (OZV) je hlavním pracovním prvkem konstrukce nelineárního svodiče přepětí (SPD), proto jsou na elektrické charakteristiky varistoru kladeny zvýšené požadavky na stabilitu při různých ovlivňujících faktorech.

Varistory tedy musí být odolné vůči stárnutí při trvalém provozním napětí, musí být schopny rozptýlit uvolněnou energii při průchodu určitých proudových impulsů a omezit napětí na bezpečnou hodnotu v případě přepětí.

Výzkum a vývoj ve vývoji varistorů pro omezovače na bázi oxidu zinečnatého začal již v 80. letech v oddělení ochranných zařízení Všeruského elektrotechnického institutu.

hlavní parametry

Omezovač přepětí nelineární — elektrické zařízení určené k ochraně izolace elektrického zařízení před bleskem a spínacími rázy.

Výhodou těchto zařízení je, že v nich nevznikají jiskry. Taková zařízení dokážou omezit jak bleskové, tak spínací přepětí v elektrických instalacích jakékoli napěťové třídy a jsou velmi spolehlivá.

Svodič přepětí je sloupec sériově zapojených jednotlivých varistorůa jeho hlavní parametry jsou současně parametry vysoce nelineárních varistorů.

Zinkoxidové varistory, které jsou hlavním prvkem svodičů přepětí, mají vysoké požadavky na stabilitu proudově-napěťové charakteristiky. Vzhledem k tomu, že varistory jsou neustále pod napětím, mají také vysoké požadavky na tepelnou stabilitu.

Jedním z nejdůležitějších parametrů je zbytkové napětí, která je definována jako maximální hodnota napětí omezovače (varistoru), když jím procházejí proudové impulsy dané amplitudy a tvaru.

Pro názornost je zvykem pracovat s relativními hodnotami, tedy uvažovat zbytková napětí vzhledem ke zbytkovému napětí při daném proudovém impulsu (např. při proudovém impulsu 500 A, 8/20 μs).

Dalším důležitým parametrem, který charakterizuje schopnost svodiče absorbovat spínací energii přepětí bez poškození, je propustnostschopnost varistorů opakovaně (obvykle 18-20krát) odolávat proudovým impulsům určité amplitudy a trvání (obvykle 2000 μs) bez porušení a změny jejich charakteristiky.

Propustnost je výrobcem stanovená maximální hodnota pravoúhlého proudového impulsu o délce 2000 μs (propustný proud). Svodič musí odolat 18 takovým vlivům s přijatým sledem jejich použití bez ztráty výkonu. Svodiče přepětí jsou rozděleny do tříd podle své kapacity. Měrná energie pulzu odpovídá každé třídě.

A konečně důležitou vlastností moderních varistorů na bázi oxidu zinečnatého je stabilita při dlouhodobém vystavení střídavému napětí.

Při zkouškách zrychleného stárnutí by varistory měly mít klesající závislost výkonových ztrát ve varistorech (P) na době expozice (t) střídavého napětí při zvýšené teplotě. Takové „nestárnoucí“ varistory umožňují delší životnost za stejných podmínek ve srovnání s omezovači, které používají „stárnoucí“ varistory.

Výroba varistorů

Varistory mají nelineární charakteristiku proud-napětí v důsledku polovodičových vlastností materiálu, ze kterého jsou složeny. Tyto vlastnosti jsou určeny vlastnostmi mikrostruktury varistoru a chemickým složením jeho materiálu.

I malá změna poměru prvků tvořících materiál varistoru nebo přidání malého množství nových nečistot může vést k výrazné změně jeho proudově-napěťové charakteristiky a dalších elektrických parametrů.

Mikrostruktura a elektrické vlastnosti varistorů jsou rovněž ovlivněny změnami ve výrobním procesu varistorů. Pro získání kvalitních varistorů je nesmírně důležitá stabilita všech ukazatelů technologického postupu jejich výroby.

Varistory z oxidu zinečnatého jsou vyráběny keramickou technologií. Existuje však řada charakteristik způsobených tím, že u polovodičové keramiky nejsou elektrické vlastnosti určeny hlavní složkou mikrostruktury (krystality), ale interkrystalickými hranicemi. Proto jsou při výrobě nelineárních polovodičů pomocí keramické technologie stanoveny dva hlavní úkoly.

Nejprve je nutné zajistit hutnou strukturu pečeného materiálu s minimální pórovitostí. Za druhé je nutné vytvořit mezikrystalovou bariérovou vrstvu.

Bariérová vrstva je kontakt mezi dvěma sousedními krystality, jejichž povrchy obsahují lokalizované elektronové stavy vytvořené dopingem a adsorpcí. Varistorová technologie proto musí splňovat řadu specifických požadavků na čistotu, disperzi výchozích materiálů a režim míchání prášku. Jako výchozí suroviny se používají prášky s obsahem zásaditých látek nejméně 99,0 — 99,8 %.

Vsázka (směs výchozích látek) se skládá převážně z oxidu zinečnatého s přídavkem různých oxidů kovů. Homogenizace a míchání vsázkových materiálů s destilovanou vodou se provádí v dispergačních mlýnech a kulových bubnech.

Při dané koncentraci skluzu je jeho viskozita řízena viskozimetrem.Sušení kaše a granulace se provádí v rozprašovací sušárně při optimálním provozním režimu, ze kterého se získávají granule lisovacího prášku v rozmezí 50 - 150 mikronů. V této fázi se kontroluje velikost granulí, obsah vlhkosti a tekutost prášku. Varistory jsou lisovány pomocí hydraulického lisu.

Lisy musí splňovat určité požadavky na hustotu, rozměry a rovinnou rovnoběžnost. Výlisky procházejí předběžným vypalováním k odstranění pojiva a závěrečným vypalováním, během kterého se tvoří potenciální bariéry a mezifáze.

Výpal se provádí v komorových pecích. Po konečném vypálení se díly brousí, na koncovou plochu se nanese metalizace a na boční plochu se nanese speciální nátěr.