7.3. Материалы с нелинейной проводимостью. Оцк, силит, вилит.

Материалы с нелинейной проводимостью очень важны для энергетики. Дело в том, что с их помощью подавляются паразитные волны перенапряжений в линиях и на подстанциях. Представьте себе такое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление, как диэлектрик, при рабочем напряжении, а при повышении напряжения начинает проводить ток, причем по мере превышения становится все более подобным проводнику. Напряжение на нем, практически невозможно поднять выше некоторого значения. Если такое устройство присоединить параллельно защищаемому аппарату, например трансформатору напряжения, то волна перенапряжений как-бы погасится на этом элементе и защищаемый аппарат не почувствует повышения напряжения. Это, вкратце, идея ограничителя перенапряжений, т.н. ОПН.

Для того, чтобы эффект был значимым, нелинейность должна быть как можно выше. Она характеризуется коэффициентом нелинейности a: отношением статического сопротивления  Rст = U/I к динамическому сопротивлению Rд = dU/dI

Если считать, что коэффициент a постоянен, можно получить, что ток с напряжением в нелинейном элементе связан простым степенным соотношением

где I₀ , U₀ ток через и напряжение в какой-либо точке. На рисунке 7.2. показана зависимость тока от напряжения для нелинейного элемента.

 

Рис.7.2. Поведение тока через нелинейный элемент в зависимости от напряжения при различных коэффициентах нелинейности, 1, 7, 50.

 Видно, что при токе большим, чем I₀ напряжение практически не отличается от U₀ при сильной нелинейности (50), а при коэффициенте нелинейности 7 рост напряжения заметен. Поэтому высоконелинейные элементы хорошо ограничивают перенапряжения, чем больше нелинейность, тем лучше ограничение.

Нелинейные элементы, у которых сопротивление сильно уменьшается с ростом напряжения называются варисторами.

Из материалов, обладающих нелинейностью, достаточной для применения в ограничителях перенапряжений получили распространение два: карбид кремния и оксид цинка.

Карбид кремния SiC полупроводниковый материал со следующими свойствами

Плотность, кГ/м³ 3200

Т плавления,°С отсутствует, разлагается при температуре более 2000 °С

Теплоемкость, кДж/(кг×К) 0.62-0.75

Теплопроводность, Вт/( м×К) 10-40

Энергия активации, эВ 2,8-3.1

Цвет - прозрачный, в зависимости от примесей от черного до голубого и зеленого.

Он приготавливается при высокотемпературном нагреве смеси диоксида кремния и углерода. В результате их реакции улетает кислород и вырастают кристаллы SiC. Затем их размалывают до размера 40-300 мкм. Электропроводность порошка имеет нелинейный характер, однако она нестабильна, зависит от степени сжатия, крупности помола, меняется при тряске и т.п. Поэтому порошок скрепляют связующим веществом. 

Если в качестве связующего используют глину, то полученный материал называют тиритом. Здесь мелкоизмельченного карбида кремния 74%, остальное - глина. Смесь прессуется и обжигается при температуре 1270 °С.

Если используют жидкое стекло (75% SiO₂ + 24% Na₂O + вода, что составляет силикатный клей)  то полученный материал называют вилитом.  Здесь SiC 84%, связующего 16%. Смесь прессуется и обжигается при температуре 380 °С.

Для применения в качестве ограничителей напряжения нелинейность карбида кремния невелика - всего 7, а изготовленные из него материалы имеют еще меньшую нелинейность - от 3 до 5. Поэтому, при включении параллельно защищаемому аппарату такой ОПН либо не будет защищать, если сделать его сопротивление при рабочем напряжении большим, либо будут значительные потери на рабочем напряжении. Для решения этой проблемы последовательно с варистором в цепь устанавливают разрядник.

Вторым, в настоящее время наиболее важным материалом для варисторов, является оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешение со связкой, прессование, спекание с выжиганием связки, размол, вторичное спекание, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью до 50-70. Такая нелинейность позволяет обходиться без разрядников. ОПН набирают из последовательно-параллельного соединения варисторов, заключают в диэлектрическую рубашку и присоединяют параллельно к защищаемому аппарату.