Лабораторная работа № 6 исследование нелинейных характеристик керамических полупроводников

Цель работы: изучение керамических полупроводников, которые нашли широкое применение в качестве резисторов вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений.

Теоретические положения

К полупроводникам относятся материалы, которые по величине удельной электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

У большинства используемых в технике полупроводников ширина запрещенной зоны ΔW = 0,05–3,2 эВ. Благодаря сравнительно небольшой ширине запрещенной зоны под влиянием поглощения некоторого количества энергии отдельные возбужденные электроны могут быть переброшены через запрещенную зону в зону проводимости (передача энергии электронам может происходить посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий и т. д.). На месте электронов, ушедших из заполненной зоны, остаются свободные места – электронные дырки.

Полупроводники можно разделить на собственные и примесные. В чистом (собственном) полупроводнике число электронов и дырок равно между собой. Место дырок могут занимать другие электроны из валентной зоны. Таким образом, дырка может перемещаться по полупроводнику. При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля электроны перемещаются в одном направлении, а дырки – в другом. Поэтому электропроводность полупроводников складывается из двух составляющих:

γ = γ_ē + γ_д,

где γ_ē – электронная электропроводность; γ_д – дырочная электропроводность.

Электропроводность чистых полупроводников носит в основном электронный характер; эффект дырочной электропроводности, эквивалентной электропроводности положительных зарядов, выражен слабо. Одна из причин это­го – разная подвижность электронов и дырок из-за отличия в эффективных массах электронов (m_n) и дырок (m_p).

Для полупроводников характерна особенность – исключительная чувствительность проводимости к различным примесям, которые сильно изменяют энергетическую диаграмму полупроводника.

В таблице 6.1 приведено сравнение некоторых характеристик проводников, полупроводников и диэлектриков при t = 20 [2].

Таблица 6.1

Класс материалов	ρ, Ом м	Число порядков по значениям ρ	Знак αρ в широком интервале температур	Тип электропроводности
Проводники	10-8–10-5	3	Положительный	Электронная
Полупроводники	10-6–108	14	Отрицательный	Электронная
Диэлектрики	107–1016	9	Отрицательный	Ионная и электронная

Процесс перехода электронов из заполненной зоны в свободную сопровождается обратным явлением, т. е. возвратом электронов в заполненную зону на нормальные орбиты. В результате в полупроводнике наступает равновесие, т. е. количество электронов, переходящих в свободную зону, становится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в заполненную зону.

С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением до абсолютного нуля – убывает, вплоть до нуля. Таким образом, электропроводность полупроводников сильно зависит от температуры.

Используемые в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на следующие группы [2]:

1) простые (собственные, чистые) полупроводники – это полупроводники, не содержащие примесей;

2) примесные полупроводники, их можно разделить на две подгруппы:

– примеси замещения;

– примеси внедрения.

3) сложные полупроводники (бинарные полупроводники) – это соединения элементов различных групп (n и m) из таблицы Менделеева, имеющие общую формулу AⁿB^m;

4) сложные полупроводниковые композиции, содержащие более двух химических элемента: к этой группе относятся керамические полупроводники.

В керамическом полупроводнике зерна бинарного полупроводника скреплены керамической связкой. Керамические полупроводники нашли применение в качестве ограничителей перенапряжений и резисторов вентильных разрядников, которые используются для защиты изоляции электрооборудования подстанции от грозовых перенапряжений.

Вентильные разрядники устанавливаются на подстанциях, если к ним подходят линии электропередач. При ударе молнии в линию электропередач по линии на подстанцию бегут волны, опасные для изоляции электрооборудования (рис. 6.1) и особенно – для изоляции трансформаторов. Поэтому перед трансформатором на подстанции должен стоять вентильный разрядник [10] (или ограничитель перенапряжений).

Рис. 6.1. Защита электрооборудования подстанции от волны, бегущей с линии, вентильным разрядником

Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток (ИП) и резистор (НР) с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 6.1). При набегании на разрядник грозовой волны и увеличении на нем напряжения до U_имп пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора (рис. 6.2). Сопротивление резистора нелинейно, поэтому напряжение на нем мало изменяется в широком диапазоне импульсных токов.

Требования к характеристикам вентильных разрядников устанавливает ГОСТ 16357-83, по которому разрядники разделены на четыре группы:

I) РВТ и РВРД;

II) РВМ;

III) РВС;

IV) РВО, РВП.

Рис. 6.2. Срабатывание вентильного разрядника при набегании грозовой волны

Наилучшими защитными свойствами обладают разрядники I группы, на­и­худ­шими – IV группы. На рисунке 6.3 приведены фотографии разрядников РВО (а) и РВМ (б).

а) б)

Рис. 6.3. Вентильные разрядники

На рисунке 6.4 приведены зависимости U = f(I) и R = f(I) для вентильного разрядника РВП-10 кВ.

Рис. 6.4. Зависимости U = f(I) и R = f(I) для вентильного разрядника РВП-10 кВ

На рисунке 6.5 приведены для сравнения вольтамперные характеристики разрядников I и IV группы. Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение U_ост, т. е. напряжение при определенном токе (3−10 кА для разных разрядников), который называется током координации. Остающееся напряжение U_ост должно быть на 20−25 % ниже пробивного напряжения защищаемой изоляции.

Рис. 6.5. Вольтамперные характеристики РВП-10 кВ и РВТ-10 кВ

Вслед за грозовым импульсным током через разрядник начинает течь сопровождающий ток промышленной частоты. Сопротивление нелинейного резистора из-за снижения напряжения резко возрастает, сопровождающий ток уменьшается и при переходе его через нулевое значение гасится искровым промежутком. Ток промышленной частоты, который способен надежно разорвать искровой промежуток разрядника, называется током гашения I_гаш.

Вольтамперная характеристика нелинейного резистора в логарифмических координатах хорошо аппроксимируется двумя отрезками прямых (рис. 6.6). Для каждого отрезка действительна зависимость

lg U = lg A + α∙lg I,

где А – постоянная; α – коэффициент нелинейности (α = tg F).

Первый участок вольтамперной характеристики соответствует области промышленной частоты, а второй – области больших грозовых токов. На втором участке нелинейность больше, т. е. коэффициент α меньше.

Основу нелинейного резистора вентильного разрядника (рис. 6.8) составляет порошок из зерен карборунда (SiC). Удельное сопротивление карборунда SiC невелико, но на поверхности зерен имеется тонкий слой из окиси кремния, который обладает нелинейными свойствами. Для связи зерен применяются добавки, в зависимости от которых получают резисторы из вилита и тервита.

Вилит получают из зерен карборунда и эмульсии мела в жидком стекле путем обжига при температуре 380 ºС. Коэффициенты нелинейности вилита α₁ = 0,28−0,3 и α₂ = 0,11−0,2.

Тервит получают из зерен карборунда и эмульсии глинозема в жидком стекле путем обжига при температуре 1280−1300 ºС, при этом часть окиси кремния выгорает, что повышает пропускную способность по сравнению с вилитом (с 300 до 1500 А), но уменьшает степень нелинейности (у тервита коэффициенты нелинейности α₁ = 0,35−0,38 и α₂ = 0,15−0,25).

Рис. 6.6. Вольт-амперная характеристика разрядника в логарифмических координатах

Сравнение вольтамперных характеристик нелинейных резисторов разрядников разных групп (рис. 6.5) показывает, что чем меньше номер группы, тем ниже остающееся напряжение U_ост, но больше ток гашения I_гаш. Снижение U_ост достигается ценой значительного усложнения и удорожания искровых промежутков.

Разработанные в 70-е годы в СССР и за рубежом резисторы на основе окиси цинка (ZnO) обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата без искрового промежутка – нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).

На рисунке 6.7 приведены фотографии нелинейных ограничителей перенапряжений ОПН-6 кВ и ОПН-10 кВ.

Оксидно-цинковая (металлооксидная) керамика (рис. 6.8в) – это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (до 1300 ºC) смеси, состоящей из оксида цинка (ZnO) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т. п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка). Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет α = 0,02−0,1 и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала.

Рис. 6.7. Ограничители перенапряжений ОПН-6 кВ и ОПН-10 кВ в полимерных корпусах

а) б) в)

Рис. 6.8. Нелинейные резисторы вентильных разрядников (а и б) и ограничителей перенапряжений (в)

Такая высокая нелинейность обуславливает прохождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера, что позволяет исключить искровой промежуток и подключить резистор ОПН непосредственно к сети (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Защита электрооборудования подстанции от волны, бегущей с линии, ограничителем перенапряжений

Применительно к ОПН отсутствуют понятия напряжения срабатывания и напряжения гашения. Когда напряжение на ОПН увеличивается, то ток через ограничитель непрерывно возрастает без задержки согласно вольтамперной характеристике. Пробоя не происходит, резисторы постепенно переходят в проводящее состояние. Когда перенапряжение затухает, ток снова уменьшается в соответствии с характеристикой протекания и гашения сопровождающего тока не наблюдается.

Однако длительное воздействие резонансных перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость и привести к аварии. В связи с этим для ОПН установлены допустимые длительности приложения повышенных напряжений, которые должны быть скоординированы с действием релейных защит.

На рисунке 6.10 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики, а на рисунке 6.11 – Ом-амперные характеристики резисторов ОПН-10 кВ и РВТ-10 кВ.

Рис. 6.10. Вольт-амперные характеристики ОПН-10 кВ и РВТ-10 кВ

Рис. 6.11. Ом-амперные характеристики ОПН-10 кВ и РВТ-10 кВ