Металлооксидные ограничители перенапряжений

Разработка металлооксидных ограничителей перенапряжений (ОПН) обозначила прорыв в защите от перенапряжений. Стало возможным проектировать ограничители перенапряжений без использования разрядников, которые были необходимы в обычных вентильных разрядниках, которые использовали нелинейные резисторы, изготовленные из карбида кремния (SiC) и искровых разрядников. На рис. 4.34 показана блок-схема расположения элементов в двух типах ограничителей перенапряжений. На (рис. 4.34, а) нелинейные элементы и искровые разрядники соединены последовательно. На (рис. 4.34, б) элементы собраны в ограничителе без искровых разрядников.

Идеальный ограничитель грозовых перенапряжений должен проводить электрический ток при некотором напряжении выше номинального, удерживать напряжение с небольшим изменением в течение длительности перенапряжения и существенно приостанавливать проводимость при очень близких к тому напряжениях, при котором проводимость началась [25]. На (рис. 4.34, а) эти три функции обеспечиваются комбинацией последовательно соединенных искровых разрядников элементов из карбида кремния. На (рис. 4.34, б) металлооксидные вентильные элементы выполняют все три функции из-за их исключительно нелинейного сопротивления.

Металлооксидные варисторы, состоящие из компактных и спеченных гранул оксида цинка с небольшим количеством других тщательно подобранных металлооксидных добавок (Bi₂O₃, Мno, Сг₂,O₃, Sb₂O₃) для улучшения вольт-амперных характеристик нелинейности, были внедрены в электронную промышленность в 1968 г. компанией Мацушита Электрик Индастрил (Matsushita Electric Industrial, Япония). Зерна оксида цинка имеют низкое сопротивление, в то время как добавки (окислы), формирующие границы между зернами, обеспечивают высокое сопротивление. Эти два компонента сильно связываются в процессе спекания при высокой температуре. На рис. 4.35 показана микро - структура металлооксидного варистора.

Рис. 4.34 Блок-схема расположения элементов в вентильном разряднике (а) и в металлооксидном ограничителе перенапряжений (б)

Впоследствии эти вещества использовались в качестве заменителя SiС вентильных блоков в ограничителях всплесков компанией Дженерал Электрик (General Electric) [1]. Элементы производятся в форме дисков нескольких размеров. Уровень напряжения диска увеличивается с улучшением технологии производства и состава микроструктуры, например, на рис. 4.36 сравниваются вольт - амперные характеристики старого типа ZnO элемента с элементом нового типа, разработанным компанией Мицубиши (Mitsubishi) [27].

Рис. 4.35 Микрошлифы структуры нелинейных элементов ОПН:

а новейшие образцы; б — обычные образцы

Видно, что максимальное напряжение единичного вентиля примерно удвоилось. Для высоких уровней напряжений и токов диски комбинируются последовательно и параллельно. На рис. 4.47 показана схематическая структура конфигурации из трех колонн нелинейных элементов ограничителя перенапряжений в усовершенствованной металлооксидной компактной структуре, производимой компанией Мицубиши (Mitsubishi) [2].

На рис. 4.38 показана часть собранного усовершенствованного ОПН на 500 кВ. Проценты указывают снижение размеров при замене старого типа ОПН на усовершенствованный тип ОПН, чьи вольт - амперные характеристики показаны на рис. 4.36.

Рис.4.36. Сравнение вольт - амперных характеристик усовершенствованного нелинейного (а) и традиционного линейного (б) элементов ОПН

Рис. 4.37. Схематическая структура последовательной конфигурации из трех колонн элементов в усовершенствованном ОПН

Рис. 4.38. ОПН класса напряжения 500 кВ компании Мицубиши (Mitsubishi)

В этой конструкции индивидуальные ограничители импульсов соединены путем свободных от короны электродов. Модульная конструкция и небольшой вес позволяют осуществить монтаж на месте, а в случае отказа любой поврежденный блок может быть легко заменен.

Преимущества ограничителей перенапряжения в полимерном корпусе над их фарфоровыми прототипами заключаются в следующем:

• нет риска для персонала или находящегося рядом оборудования в случае повреждения;

• простой легкий модульный блок исключает необходимость в подъемных приспособлениях;

• простое монтирование;

• конструкция высокой прочности исключает неожиданное повреждение при транспортировке.

Использование полимера и/или кремниевой смолы снижает проблемы загрязнения при пробое.

Таким образом, появление ограничителей перенапряжений и общее признание электрическими сетями в конце 1980-х гг. и их использование в 1990-е гг. на подстанциях высокого напряжения значительно уменьшило проблемы с защитой энергетических систем. На рис. 4.39 показаны поперечное сечение ограничителя перенапряжений с полимерным корпусом и модульная конструкция с последовательно и параллельно срединными ОПН с полимерными корпусами [3].

Рис. 4.39. Поперечное сечение ограничителя перенапряжений с полимерным корпусом и модульная конструкция с последовательно и параллельно срединными ОПН с полимерными корпусами