Biến trở oxit kẽm cho thiết bị chống sét lan truyền

Biến trở oxit kẽm là sản phẩm bán dẫn có đặc tính điện áp dòng điện phi tuyến tính (CVC) đối xứng. Các varistor như vậy được sử dụng rộng rãi nhất. trong thiết bị chống sét lan truyền (SPN), đặc biệt là để bảo vệ các thiết bị điện khỏi sét và đột biến chuyển mạch. Về các thông số và đặc điểm của thiết bị này — trong bài báo được xuất bản dưới đây.

Điện trở oxit kẽm (OZV) là yếu tố làm việc chính trong thiết kế của bộ chống sét phi tuyến tính (SPD), do đó, các yêu cầu về độ ổn định tăng lên được đặt ra đối với các đặc tính điện của varistor dưới các yếu tố ảnh hưởng khác nhau.

Vì vậy, các biến trở phải có khả năng chống lão hóa khi tiếp xúc với điện áp hoạt động liên tục, có thể tiêu tán năng lượng được giải phóng trong quá trình truyền các xung dòng điện nhất định và giới hạn điện áp ở giá trị an toàn trong trường hợp quá điện áp.

Nghiên cứu và phát triển trong việc phát triển các biến trở cho bộ hạn chế dựa trên oxit kẽm đã bắt đầu ngay từ những năm 1980 tại Phòng Thiết bị Bảo vệ của Viện Kỹ thuật Điện Toàn Nga.

thông số chính

Bộ hạn chế đột biến phi tuyến tính - một thiết bị điện được thiết kế để bảo vệ lớp cách điện của thiết bị điện khỏi sét và đột biến chuyển mạch.

Ưu điểm của các thiết bị này là không có tia lửa trong chúng. Các thiết bị như vậy có thể hạn chế cả sét và đột biến chuyển mạch trong việc lắp đặt điện ở bất kỳ loại điện áp nào và rất đáng tin cậy.

Bộ chống sét lan truyền là một cột gồm các biến trở đơn nối tiếp, và các tham số chính của nó đồng thời là các tham số của các biến trở phi tuyến tính cao.

Biến trở oxit kẽm, là thành phần chính của thiết bị chống sét lan truyền, có yêu cầu cao về tính ổn định của đặc tính điện áp dòng điện. Do thực tế là các biến trở liên tục chịu điện áp, chúng cũng có yêu cầu cao về độ ổn định nhiệt.

Một trong những thông số quan trọng nhất là ứng suất dư, được định nghĩa là giá trị điện áp tối đa của bộ giới hạn (varistor) khi các xung dòng điện có biên độ và hình dạng nhất định đi qua nó.

Để rõ ràng, người ta thường làm việc với các giá trị tương đối, tức là xem xét điện áp dư so với điện áp dư ở một xung dòng điện nhất định (ví dụ: ở xung dòng điện 500 A, 8/20 μs).

Một thông số quan trọng khác đặc trưng cho khả năng hấp thụ năng lượng chuyển mạch của các xung đột biến mà không bị hư hại của bộ chống sét là thông lượngkhả năng của các biến trở lặp đi lặp lại (thường là 18-20 lần) chịu được các xung hiện tại có biên độ và thời lượng nhất định (thường là 2000 μs) mà không bị đứt và thay đổi đặc tính của chúng.

Thông lượng là giá trị tối đa do nhà sản xuất chỉ định của xung dòng điện hình chữ nhật có thời lượng 2000 μs (dòng thông lượng). Bộ chống sét phải chịu được 18 tác động như vậy với trình tự ứng dụng được chấp nhận mà không làm giảm hiệu suất. Thiết bị chống sét lan truyền được chia thành các loại theo khả năng của chúng. Năng lượng xung cụ thể tương ứng với từng lớp.

Cuối cùng, một tính năng quan trọng của các biến trở oxit kẽm hiện đại là ổn định khi tiếp xúc kéo dài với điện áp xoay chiều.

Trong các thử nghiệm già hóa cấp tốc, biến trở phải có sự phụ thuộc giảm dần của tổn thất điện năng trong biến trở (P) vào thời gian tiếp xúc (t) của điện áp xoay chiều ở nhiệt độ cao. Các biến trở "không lão hóa" như vậy cho phép tuổi thọ sử dụng lâu hơn trong cùng điều kiện so với các bộ giới hạn sử dụng biến trở "lão hóa".

Sản xuất biến trở

biến trở có đặc tính dòng điện-điện áp phi tuyến tính do đặc tính bán dẫn của vật liệu cấu tạo nên chúng. Các tính chất này được xác định bởi các tính năng của cấu trúc vi mô của varistor và thành phần hóa học của vật liệu của nó.

Ngay cả một thay đổi nhỏ về tỷ lệ của các phần tử tạo nên vật liệu của varistor hoặc thêm một lượng nhỏ tạp chất mới, có thể dẫn đến thay đổi đáng kể về đặc tính điện áp hiện tại và các thông số điện khác của nó.

Cấu trúc vi mô và đặc tính điện của varistor cũng bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong quy trình sản xuất varistor. Để có được các varistor chất lượng cao, sự ổn định của tất cả các chỉ số của quy trình công nghệ sản xuất chúng là vô cùng quan trọng.

Biến trở oxit kẽm được sản xuất bằng công nghệ gốm. Tuy nhiên, có một số đặc điểm do thực tế là trong gốm bán dẫn, các tính chất điện không được xác định bởi thành phần chính của cấu trúc vi mô (tinh thể), mà bởi các ranh giới giữa các tinh thể. Vì vậy, trong việc sản xuất chất bán dẫn phi tuyến bằng công nghệ gốm, hai nhiệm vụ chính được đặt ra.

Đầu tiên, cần đảm bảo cấu trúc dày đặc của vật liệu nung với độ xốp tối thiểu. Thứ hai, cần phải tạo ra một lớp rào cản giữa các hạt.

Lớp rào cản là sự tiếp xúc giữa hai tinh thể liền kề có bề mặt chứa các trạng thái điện tử cục bộ được tạo ra bằng cách pha tạp và hấp phụ. Do đó, công nghệ varistor phải đáp ứng một số yêu cầu cụ thể về độ tinh khiết, độ phân tán của nguồn nguyên liệu và chế độ trộn bột. Bột có hàm lượng chất cơ bản ít nhất 99,0 - 99,8% được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu.

Điện tích (hỗn hợp các nguyên liệu ban đầu) bao gồm chủ yếu là oxit kẽm với việc bổ sung các oxit kim loại khác nhau. Quá trình đồng nhất và trộn các vật liệu tích điện với nước cất được thực hiện trong các máy nghiền phân tán và trống hình cầu.

Ở một nồng độ trượt nhất định, độ nhớt của nó được kiểm soát bằng nhớt kế.Quá trình sấy khô và tạo hạt được thực hiện trong máy sấy phun, ở chế độ vận hành tối ưu, từ đó thu được các hạt bột ép trong khoảng 50 - 150 micron. Ở giai đoạn này, kích thước hạt, độ ẩm và khả năng chảy của bột được kiểm soát. Các biến trở được ép bằng máy ép thủy lực.

Máy ép phải đáp ứng các yêu cầu nhất định về mật độ, kích thước và độ song song của mặt phẳng. Các miếng được ép trải qua quá trình nung sơ bộ để loại bỏ chất kết dính và nung lần cuối trong đó các rào cản tiềm năng và một pha trung gian được hình thành.

Quá trình nung được thực hiện trong lò buồng. Sau lần nung cuối cùng, các bộ phận được mài, quá trình kim loại hóa được áp dụng cho bề mặt cuối và một lớp phủ đặc biệt được phủ lên bề mặt bên.