Лабораторная работа 12 электрические характеристики полупроводниковых ограничителей напряжения

Цель работы – изучение конструкций и исследование характеристик аппаратов защиты от перенапряжений.

Общие сведения. Ограничители напряжения предназначены для защиты изоляции электрических установок от перенапряжений. Они подключаются параллельно защищаемой изоляции. В большинстве случаев одной из точек подключения ограничителей напряжения является земля или заземленные конструкции установки.

Ограничители напряжения подразделяются на разрядники и полупроводниковые ограничители напряжения. К разрядникам относятся защитные воздушные промежутки, трубчатые и вентильные разрядники. Последние имеют наиболее совершенные характеристики и пока применяются в промышленности.

Элементы вентильного разрядника: искровые промежутки (ИП), рабочее сопротивление, постоянные магниты, высоковольтные сопротивления, служащие для равномерного распределения напряжения между ИП, корпус и детали крепления.

ИП отделяют рабочее сопротивление разрядника от токоведущих частей установки при отсутствии перенапряжений. При появлении опасных для изоляции перенапряжений, превышающих импульсное пробивное напряжение разрядника, между электродами ИП возникает искровой разряд, в результате чего рабочее сопротивление оказывается включенным в цепь разрядного тока. Ток разрядника имеет две составляющих: вызванную волной перенапряжения и обусловленную действием рабочего напряжения установки. Вторая составляющая называется сопровождающим током разрядника.

Рабочее сопротивление разрядника выполняется на базе электротехнического корборунда, обладающего свойствами полупроводниковых материалов. В зависимости от составляющих и технологии изготовления получают вилит или тервит. От названия материала рабочего сопротивления, применяемого в разряднике, получили название и сами вентильные разрядники – вилитовые, тервитовые.

Постоянные магниты создают в зоне ИП магнитное поле, в результате чего на электрическую дугу, возникающую между электродами ИП при их пробое, действуют электромагнитные силы, которые вызывают перемещение и удлинение дуги. Это способствует гашению дуги сопровождающего тока.

Принцип действия вентильного разрядника можно рассмотреть с помощью принципиальной схемы (рис. 1). При отсутствии перенапряжений рабочее сопротивление R разрядника отключено от токоведущей части установки ИП. Воздействие опасной для изоляции защищаемого объекта (ЗО) волны импульса перенапряжения приводит к пробою ИП. При этом все напряжение прикладывается к рабочему сопротивлению R, величина которого резко уменьшается из-за вентильных свойств материала. Импульсный ток разрядника составляет сотни и тысячи ампер. По мере уменьшения волны перенапряжения рабочее сопротивление R возрастает, что приводит к уменьшению тока, протекающего через разрядник.

Рис. 1. Принципиальная схема включения разрядника

В конце процесса по цепи разрядника протекает лишь сопровождающий ток, величина которого для вилитовых разрядников составляет 80–90 А. Дуга сопровождающего тока гасится в ИП.

Напряжение срабатывания разрядника U_{ср.разр.} – это напряжение, при котором пробиваются воздушные ИП. На рис. 2 показаны кривые волн напряжения. Напряжение на разряднике после его срабатывания называется остающимся напряжением (U_ост). Время от начала воздействия волны перенапряжения до момента пробоя ИП называется предразрядным временем (t_{ср.разр.}).

Рис. 2. Вид напряжений, воздействующих на изоляцию без подключения

и с подключением разрядника: 1 – воздействующая на установку

при отсутствии разрядника (U_гин), 2 – напряжение пробоя изоляции (U_пр.из.),

3 – после срабатывания подключенного разрядника

Вольт-секундная характеристика – это зависимость пробивного напряжения от предразрядного времени (рис. 3). Условия правильной координации изоляции требуют, чтобы вольт-секундная характеристика ограничителей напряжения располагалась ниже вольт-секундной характеристики изоляции ЗО на 20–25 %.

В

Рис. 3. Вольт-секундные

характеристики изоляции

защищаемого объекта (ЗО)

и аппарата защиты

от перенапряжений (РВ)

настоящее время в условиях эксплуатации электрооборудования находят широкое применение нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Основным элементом данного типа защитных аппаратов являются оксидно-цинковые варисторы (ОЦВ). ОЦВ – это нелинейные резисторы, обладающие свойством резко изменять свое сопротивление при изменении напряжения, обеспечивая пропуск больших токов при высоком напряжении (превышающем величину напряжения лавинообразования) и практически не пропуская токи при низком напряжении.

По сравнению с разрядниками ОПН обладают некоторыми преимуществами:

● не имеют ИП;

● практически исключают возможность протекания сопровождающего тока;

● малое время срабатывания;

● обладают более высокой надежностью и требуют меньших эксплуатационных затрат.

Схема замещения ОЦВ (варистора) может быть представлена упрощенной моделью (рис. 4).

Рис. 4. Схема замещения оксидно-цинкового варистора

При приложении к варистору номинального напряжения промышленной частоты ток, протекающий через варистор I_t, может быть разделен на емкостную I_c (преобладающую) и активную I_r составляющие.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) оксидно-цинковых варисторов – это зависимость остающегося напряже­ния на ОЦВ от максимального значения импульсов тока различной формы: τ_ф/τ_в (грозовых 8/20 и 4/10, коммутационных 30/60). В области малых значений токов ВАХ ОЦВ представляет зависимость амплитудного напряжения промышленной частоты или постоянного напряжения от амплитудного значения активной составляющей тока.

ОЦВ применяются в ограничителях перенапряжений, работающих в линиях электропередачи и контактных сетях электрифицированных железных дорог переменного и постоянного токов, поэтому ВАХ варисторов в области длительно допустимых напряжений исследуются при постоянном и переменном напряжении.

Программа работы

1. Изучение конструкции вентильного разрядника и ОПН;

2. Снятие статической ВАХ варисторного ограничителя перенапряжений;

3. Исследование зависимости величины остающегося напряжения на ограничителе от величины воздействующего перенапряжения;

4. Экспериментальное определение вольт-секундной характеристики изоляции ЗО;

5. Определение вольт-секундной характеристики разрядника;

6. Определение вольт-секундной характеристики полупроводникового ограничителя напряжения.

Порядок выполнения работы

По п. 1. Изучить конструкции указанных ограничителей напряжения и выполнить их эскизы с использованием фронтального разреза.

По п. 2. Статическая ВАХ при напряжении промышленной частоты снимается на установке, принципиальная схема которой приведена рис. 5.

Для получения на выходе установки высокого напряжения (до 7,5 кВ_действ) промышленной частоты необходимо:

● открыть верхнюю крышку установки;

● на правой стороне снять пластмассовую панель с металлическими ограничителями и надписями «АС» и «DC»;

● переключить тумблер в положение «АС»;

● установить пластмассовую панель так, чтобы металлические ограничители попали в соответствующие пазы;

● закрыть верхнюю крышку установки (подробная инструкция на рабочем месте).

S₂

Рис. 5. Принципиальная схема для экспериментального определения статической вольтамперной характеристики ОПН

Напряжение регулируется с помощью ручки регулятора на передней панели высоковольтной установки. Контроль напряжения, подаваемого на первичную сторону источника высокого напряжения (ИВН), проводится при помощи вольтметра V на передней панели установки.

Для получения вольтамперной характеристики варистора необхо­димо:

● поместить исследуемый варистор в зажим испытательной камеры;

● плотно закрыть крышку камеры;

● устано­вить переключатель S₂ в положение «R_ш»;

● соединить измерительные кабели с электронным осциллографом С1-93;

● кабель № 1 для измерения напряжения состыковать с входной клеммой первого канала осциллографа;

● кабель № 2 для измерения тока подсоединить ко входу второго канала;

● снять заземляющую штангу с зажима испытательной камеры;

● включить установку ИВН выключателем S₁ (тумблер на передней панели установки), прове­рить по вольтметру V наличие напряжения. Если напряжение не равно ну­лю, то при помощи регулятора Т₁ установить нулевое значение напряжения;

● уста­новить чувствительность пластин осциллографа таким образом, чтобы напряжение, равное произведению сопротивления шунта R_ш (его значение указано на установке под переключателем S₂) на минимальное значение измеряемого тока, дало отклонение луча первого канала ос­циллографа порядка 1 см;

● при помощи регулятора напряжения Т₁ под­нять напряжение до получения небольшого отклонения луча.

Величина измеряемого тока определяется из соотношения

где Y₁ – отклонение первого луча, см;

к₁ – чувствительность пластин ос­циллографа, определяемая по шкале на передней панели, В/см;

R_ш – сопро­тивление шунта, Ом.

Величина измеряемого напряжения равна

U_m = Y₂ k₂ k_д,

где Y₂ – отклонение второго луча, см;

k₂ – чувствительность пластин вто­рого канала осциллографа, В/см, с учетом дополнительного делителя, рас­положенного у осциллографа;

k_д – коэффициент деления делителя напряжения (его значение указано под переключателем S₂).

Для построения зависимости величины тока от напряжения не­обходимо провести 10–15 измерений при изменении приложенного напряжения, причем величина тока не должна выходить за пределы 5∙10^–3 А. Полученные значения напряжения и тока занести в табл. 1.

Таблица 1