Исследование электрических характеристики микроструктуры варисторов для ограничения перенапряжений в кабельных сетях

Перенапряжения неизбежны в системах электроснабжения. Данные явления могут быть вызваны как ударами молний, так и переключениями в сети [1–3], приводящими к возникновению в ней коммутационных перенапряжений. По причине износа электрооборудования воздействие подобных явлений, например, на изоляцию кабелей приводит к частому пробою с последующим возникновением межфазных коротких замыканий, однофазных замыканий на землю и бросков напряжения, приводящих к повреждению не только кабельной линии, в которой произошло первоначальное техническое нарушение, но и выходу из строя смежных участков сети. Таким образом, основной практической задачей современных исследований в данной области является уменьшение степени влияния перенапряжений на изоляцию электрооборудования посредством их ограничения.

На текущий момент одними из наиболее эффективных устройств по снижению уровней перенапряжений являются ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) [1–4], которые подключаются параллельно защищаемому оборудованию [1, 3]. ОПН выполнен на основе металлооксидных варисторов, которые изготавливаются из оксида цинка и дополнительных оксидов, благодаря чему ОПН обладает резко нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) [1–3]. ВАХ подобных устройств состоит из трех областей – зоны малых токов (токов утечки), зоны нелинейности и отрезка высоких токов, что и обеспечивает защитное действие ОПН [1, 4–9].

Стандартный варистор изготавливается методом спекания ZnO с другими оксидами [5]. Микроструктура варисторов определяется конкретной формулой, используемой производителем. При изготовлении подобных нелинейных устройств в состав добавляются легирующие элементы в количестве нескольких процентов. На данный момент известно о возможном использовании более 30 оксидов различных элементов, которые добавляются для контроля одного или нескольких параметров [5, 9]. Чаще всего эти оксиды используются в комбинации, что позволяет добиться лучших характеристик конечного продукта. Условно их можно разделить на несколько групп: основопо- лагающие, без которых невозможно производство; увеличивающие проводимость, нелинейность, энергопоглащение и способствующие образованию потенциального барьера; уменьшающие токи утечки; улучшающие стабильность варисторов, стойкость к старению и деградации; оказывающие влияние на рост и уплотнение зерен (однородность) и т. д.

Широкое распространение получили варисторы с использованием оксида цинка, легированные оксидами висмута и сурьмы (т. е. варисторы на основе тройной системы ZBS) [4, 5, 9–12]. Микроструктура варистора в основном состоит из высоко-проводящих зерен n -типа ZnO [4–14]. Размеры зерен ZnO обычно варьируются в диапазоне 5–20 μм и зависят от состава и условий технологического процесса (температура и длительность спекания) [5, 7]. В местах стыка зерен ZnO присутствуют фазы, богатые висмутом. Подобная непрерывная сеть переходов через всю микроструктуру варистора обеспечивает нелинейную ВАХ [5–8, 12]. По принципу действия каждый подобный переход напоминает принцип работы двойного барьера Шоттки со средним напряжением пробоя 2,7–3,5 В на один барьер. Для варистора напряжение пробоя определяется суммарным количеством границ зерен между металлизированными электродами, следовательно, и их размерами ZnO [5].

Основным недостатком современных варисторов является их тенденция к старению и деградации, что приводит к увеличению токов утечки и асимметрии ВАХ [6]. Здесь и далее под деградацией понимается процесс ухудшения характеристик варисторов, связанный с разрядными процессами, а под старением – ухудшение стабильности рассеиваемой мощности вследствие длительного воздействия напряжения тока промышленной частоты. Подобный износ в основном определяется [5, 6]: превышением длительно допустимого рабочего напряжения, скачками напряжения, продолжительными перенапряжениями (в т. ч. квазистацио-нарными перенапряжениями), повышенными значениями температуры, внешними факторами (влажность, давление, влияние озона и оксидов азота).

Таким образом, текущие исследования в области изготовления варисторов направлены на усовершенствование технологии производства варисторов (изучение процессов деградации структуры, уменьшение токов утечки, увеличение однородности микроструктуры и исключение пор), определение факторов, влияющих на проводимость, и роли легирующих элементов в процессе изготовления. В ряде источников, например, в [7, 13, 15] приводятся результаты исследований зависимости состояния ОПН от микроструктуры варисторов, однако они не дают ответа на вопрос, какая формула и технология изготовления варисторов может быть оптимальной для той или иной задачи применения ОПН. Кроме того, сам характер воздействия на варистор неотрывно связан с типом ОПН (NGLA, EGLA), видом тока (постоянный, переменный), условиями эксплуатации [5, 6, 11], что, в конечном итоге, определяет воздействие на микроструктуру варистора и ее поведение в тех или иных условиях.

Целью настоящей работы является исследование связи между электрическими характеристиками варистора и его микроструктурой и химическим составом.

Экспериментальное получениехарактеристик «E–σ»

Снятие зависимости тока от приложенного напряжения в зоне токов утечки производилось с помощью определения падения напряжения на шунте. Методом осциллографирования получена зависимость I ( U ) . Испытательное напряжение

U _исп подавалось на варистор при помощи трансформатора напряжения, последовательно с которым включался резистор R _ш со значением сопротивления 1 кОм. Величина испытательного напряжения определялась через измерительный трансформатор с коэффициентом деления K = 1000 на первом канале осциллографа; падение напряжения U _ш на резисторе получено напрямую со второго канала. Значение тока определялось при условии соблюдения следующих равенств:

Uисп (t) = max; Uш /R ш = I, где Uисп – амплитуда испытательного напряжения; Uш – падение напряжения на резисторе; Rш – сопротивление резистора.

Зависимость напряжения от протекающего тока проводилась методом воздействия импульсных токов и измерения остающегося напряжения на варисторе. ВАХ образцов определялась в следующих поддиапазонах:

' I ( U ) , ( 0,2 <  U с _КВ <  3,4 ) - V2";

U - I = ^

и 1 ( 1 30/60 ) , ( 0,25 <  I <  2 ) - 10³;

U2 (18/20), (2,5 < I < 20)-103, где Uскв – среднее квадратическое значение приложенного напряжения переменного тока; Uj (I30/60) -остающееся напряжение при воздействии тока импульса 30/60 амплитудой I; U2 (I8/20) - остающееся напряжение при воздействии тока импульса 8/20 амплитудой I.

Определение остающегося напряжения U _ост производилось при воздействии на образцы импульсов тока 30/60 и 8/20 амплитудами 0,125–1 кА и 2,5–0 кА соответственно. Испытательный токовый импульс формировался при помощи емкостного накопителя (параллельно включенные высоковольтные импульсные конденсаторы суммарной емкостью 14 мкФ). Используя трансформатор тока и последовательно включенный диодный мост, было создано зарядное напряжение постоянного тока, величина которого подбиралась с целью формирования токового импульса необходимой амплитуды. Значение зарядного напряжения измерялось при помощи резистивного делителя. Форма требуемого импульса определялась разрядной L - R -цепью. Измерение тока производилось импульсным трансформатором тока, величина остающегося напряжения – резистивным делителем напряжения. За фактические значения тока и напряжения принимались соответственно амплитуды импульсов тока и остающегося напряжения.

Поскольку образцы варисторов обладают разными геометрическими размерами, что оказывает влияние на ВАХ, то для сравнения характеристик, оценки свойств материала варисторов и получения значений нелинейной проводимости произведен пересчет экспериментальных данных для перехода к зависимости удельной проводимости варистора от напряженности электрического поля о ( E ) согласно следующим формулам:

E = v , исп , (3) h где Uисп – испытательное напряжение; h – высо-

та варистора;

" ( ^E ) = ТГ • о - E

где I – ток проводимости; S – площадь поперечного сечения; E – напряженность электрического поля.

Зависимости о ( E ) для образцов представлены на рис. 1.

Исходя из рис. 1, можно сделать вывод, что на текущий момент технологии производства вари-

Рис. 1. Зависимость проводимости варистора от напряженности электрического поля Fig. 1. Varistors “ E –σ ” characteristic

сторов достаточно стабильны. Это следует из того, что для образцов от одного и того же производителя полученные зависимости практически совпали.

Валидация экспериментальных данных производилась путем моделирования варистора методом конечных элементов. При моделировании была определена геометрия варистора, аналогичная ранее испытанному образцу; проводимость о ( E ) была задана в виде кусочной функции согласно экспериментальным данным. Результат моделирования показал сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Состав и микроструктуры образцов

Параметры металлооксидных варисторов связаны с их морфологией, которая характеризуется: средним размером зерен и пор, границами, вторичными фазами вдоль границ и т. д. С целью выявления зависимости между размерами зерен ZnO и электрическими характеристиками в работе были проанализированы 10 варисторов, по 2 образца каждого от различных производителей ОПН, представленных на рынке Российской Федерации. Геометрические размеры варисторов приведены в табл. 1. Микроскопия производилась при помощи растрового электронного микроскопа Jeol JSM-2100 в режиме отраженных электронов (рис. 2).

Химический состав образцов был определен с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра Oxford INCA X-max 80 (табл. 2). В составе варисторов были обнаружены типичные легирующие элементы, которые приводятся в литературе [4–11]. Анализ морфологии представлен на рис. 3 в виде количества зерен на изображении (см. рис. 2), их среднего размера d и среднего квадратического отклонения σ от среднего размера зерен (см. рис. 3). Размеры зерен образцов находятся в диапазоне от 8–15 μм. При этом некоторые варисторы состоят из крупных зерен ZnO (№ 4, 8 и 9). Согласно [8, 10, 14], наличие больших зерен приводит к ухудшению характеристик варистор, что объясняется уменьшением количества барьеров и путей протекания тока, приводящих к локальному нагреву и ускоренному износу.

Таблица 1

Геометрические размеры варисторов

Table 1

Geometrical dimensions of varistors

Образец	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
D , мм	42,0	32,0	34,0	40,5	45,8	44,8	61,5	59,0	59,5	60,5
h , мм	22,0	20,5	32,5	22,6	4,2	18,0	21,5	26,0	44,4	23,7

Образец № 1             Образец № 2             Образец № 3             Образец № 4

Образец № 5             Образец № 6             Образец № 7             Образец № 8

Образец № 9            Образец № 10

Рис. 2. Морфология металлооксидных варисторов (размер снимка 45 х 60 рм)

Fig. 2. Morphology of metal oxide varistors (image size 45 х 60 pm)

Таблица 2

Химический состав варисторов, масс. %

Chemical composition of varistors, mass. %

Рис. 3. Характеристики морфологии зерен ZnO: количество на снимке, средний размер d и среднее квадратическое отклонение размера σ

Fig. 3. ZnO grain size: quantity in the image, average size d and standard deviation σ

Table 2

Образец	ZnO	Bi 2 O 3	Sb 2 O 3	Cr 2 O 3	MnO 2	CoO	NiO	CuO	Al2O 3	Ga 2 O 3	ZrO 2	SiO 2
1	83,5	6,15	3,73	0,56	0,65	1,805	0,47	0,5	0,13	0,15	0,36	2,1
2	87,91	5,22	2,62	0,66	0,41	1,45	0,04	0,2	0,08	0,08	0,27	1,16
3	85,08	7,6	4,02	0,15	0,71	1,35	0,46	0,02	0,09	0,12	0,24	0,26
4	90,86	3,84	2,55	0	0,41	0,89	0,71	0,29	0,08	0,15	0,24	0,04
5	81,81	7,6	3,84	0,95	0,52	1,92	0,013	0,73	0,06	0,17	0,22	2,27
6	76,74	13,75	4,88	0,69	0,65	2,07	0,026	0,6	0,12	0,16	0,14	0,3
7	83,96	7,13	4,91	0	0,82	0,93	1,26	0,5	0,13	0,15	0,26	0,11
8	84,46	9,96	2,59	0,42	0,41	1,16	0,013	0,025	0,08	0,09	0,2	0,24
9	72,26	16,83	5,57	1,23	0,63	0,9	1,17	0,21	0,12	0,17	0,3	0,71
10	85,16	6,06	4,64	0,53	0,62	2,06	0,026	0,16	0,09	0,17	0,26	0,32

Обработка и анализ результатов

Одним из важнейших параметров варисторов является коэффициент нелинейности а , который позволяет описать область и степень нелинейности ВАХ. Данный коэффициент обеспечивается благодаря большому количеству переходов Шоттки и

где V_n – напряжение при разрядном токе, V _{1 mA} –

напряжение при токе амплитудой 1 мА.

С учетом (2) данную формулу можно переписать как

определяется по нижеприведенному выражению [5, 6, 8–11]

K = U I 8/20 ^{- 10кА} U I - 1 мА

а =

Результаты расчета приведены в табл. 3.

Использование данного коэффициента удобно в первую очередь тем, что значения UI=1 mA (клас

где I ₁ , I ₂ – принятые занижения токов в зоне нелинейности ВАХ варистора; U ₁ , U ₂ – напряже-

ния, соответствующие принятым токам.

С практической точки зрения защитная функция ОПН определяется именно коэффициентом нелинейности. Ограничитель должен выдерживать большие значения приложенного напряжения при малых токах утечки при работе в зоне ВАХ токов утечки ( ст <  1 e ⁶ См/м) и обеспечивать малое значение остающегося напряжения при больших токах пропускной способности в зоне ВАХ разрядных токов ( ст >  1 e ¹ См/м).

Измерение полноценной ВАХ на практике производится редко. Оценить нелинейность ВАХ можно путем использования коэффициента остающегося напряжения согласно следующей фор-

муле

K -

^Vn _, V 1 mA

сификационное напряжение [16]) и UI _20-10к д являются как паспортными значениями ограничителя, так и параметрами, по которым производится подбор ограничителя и его координация с защищаемой изоляцией. Таким образом, по данным табл. 3 можно сделать вывод, что снижение коэффициента нелинейности приводит к увеличению коэффициента остающегося напряжения.

Анализ экспериментальных данных (см. табл. 2) позволяет сделать вывод, что между массовой долей ZnO и суммой массовых долей основных добавок Bi 2 O 3 и Sb 2 O 3 наблюдается корреляционная связь с коэффициентом корреляции R = 0,967. Ввиду большого разброса содержаний различных легирующих оксидов, массовая доля ZnO является общим параметром состава всех многокомпонентных образцов, по которому их удобно сравнивать.

Взаимосвязь массовой доли ZnO и размера зерна показана на рис. 4а (точки). Варисторы были разделены по двум факторам: размер зерна (менее 12 и более 12) и массовая доля оксида цинка (менее 80 % и более 80 %) и проведен двухфакторный анализ. В результате можно заключить,

Таблица 3

Коэффициенты α и K для образцов

a)

b)

8     10     12     14     16

d, цт

c)

Table 3

Coefficient α and K for the samples

Образец	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
а , %	67	36	42	39	32	36	49	46	47	52
K	1,62	1,91	1,9	1,92	1,99	–	1,62	1,78	1,71	1,62

Рис. 4. Зависимость массовой доли ZnO (a), напряженности поля на границе зоны проводимости (b) и коэффициента нелинейности (c) от размера зерна для эксперимента (точки) и аппроксимационных функций (линии) Fig. 4. Dependence of the mass fraction of ZnO (a), the electric field at the boundary of the conduction band (b) and the nonlinearity coefficient (c) on the grain size for the experiment (points) and approximation functions (lines)

что размер зерна значимо влияет на напряженность поля (с уровнем значимости 0,1), а изменение массовой доли – фактор незначимый. Для коэффициентов нелинейности оба фактора незначимы (с уровнем значимости 0,1). С увеличением доли ZnO в среднем увеличивается и размер зерна. Таким образом, размер зерна также удобно рассматривать как критерий рабочих характеристик образца.

Основными электрическими параметрами, характеризующими варистор, являются напряженность поля в начале зоны проводимости и коэффициент нелинейности. Из зависимости напряженности поля на границе зоны проводимости от размера зерна (рис. 4b) видно, что общая тенденция заключается в уменьшении напряженности с увеличением размеров зерна. Без образца 2 коэффициент корреляции для такой зависимости R = 0,811. В целом нельзя выявить явной зависимости между коэффициентом нелинейности и размером зерна (рис. 4c), что подтверждается коэффициентом корреляции R = 0,211 и согласуется со сделанным ранее выводом двухфакторного анализа.

Заключение

Полученные данные позволяют производить расчет и подбор варисторов для ОПН с учетом их защитной функции и координации с изоляцией. Определенная взаимосвязь между размером зерен ZnО и ВАХ позволяет дать оценку свойств и электрических характеристик варистора без применения непосредственных измерений в случае, когда данные измерения произвести невозможно (разрушен-

ные образцы, анализ аварийных ситуаций и т. д.).

Были проведены испытания и подтверждены характеристики варисторов в соответствии с требованиями п. 8.4 [16]. На основании полученных коэффициентов можно оценить возможность применения варисторов того или иного производителя для разработки и изготовления защитных аппаратов согласно предъявляемым к аппарату требованиям [17, 18]. Использованный в исследовании метод можно применять для анализа и получения коэффициентов для импульсов другой формы и силы тока (импульсы коммутационных перенапряжений и т. д.).

Измерение классификационного напряжения и ВАХ в зоне токов утечки для полностью собранного ОПН, несмотря на трудозатраты, является относительно простой задачей, в отличие от измерения остающегося напряжения. Оценку защитных свойств ОПН в сборе можно косвенно производить, используя коэффициент нелинейности. Помимо этого, полученные результаты можно использовать при разработке и корректировке рецептов как имеющихся, так и вновь разрабатываемых металлооксидных варисторов.

Конечной целью исследований являются подбор металлооксидных варисторов для установки в кабельных сетях. Полученные ВАХ будут использованы для выбора варистора по способности рассеяния мощности импульсного воздействия, оптимизации конструкции и технологии производства ОПН, удовлетворяющих максимальным токам и длительности импульса, возникающих в сетях 6 (10)–20 кВ.