Descarcatorul cu rezistenta nelineara din oxizi metalici (Zinc oxide varistor)

Cuvantul "varistor" provine de la asocierea a doua cuvinte: "Variable rezistors". Inainte ca descarcatoarele bazate pe varistoare de ZnO sa apara pe piata dispozitivelor de protectie a circuitelor electrice, elementele mai sus mentionate erau folosite, pentru diminuarea avariilor, cu toate dezavantajele lor. Astfel:

- Eclatorul: are doua mari dezavantaje - variatia tensiunii de protectie cu timpul de crestere a supratensiunii (durata frontului undei) si existenta curentului de insotire.

- "Silicon jonction" (precum Diodele, Tiristoarele) sunt utilizate doar in circuite de joasa tensiune si de mica energie (cca. 1 Joule)

- Varistoarele: sunt reprezentate de doua tipuri de materiale - Carbid Siliconic si Oxid de Zinc.

Primul tip de material (SiC) prezinta un ridicat curent de scurgere (peste 10 mA) si o neliniaritate slaba (de 10 ori mai mica decat la varistoarele pe baza de ZnO) - ceea ce a impus la utilizarea lor in serie cu eclatoare de amorsare. Tensiunea de prag a acestui ansamblu serie incepe sa devina foarte sensibil la timpul de crestere a supratensiunii.

Al doilea tip de material (ZnO), de curand intrat pe piata, nu este exceptat de defecte, dar varistoarele bazate pe ZnO reprezinta un compromis acceptabil in domeniul energiei, curentului de scurgere, raspunsului in timp si a costului.

Istoric

In 1958, Kosman si Gesse din fosta URSS, au descoperit, pentru prima data, proprietatile neliniare ale materialelor bazate pe ZnO, insa fara un prea mare ecou pe piata industriala.

Abia in 1968, Matsuoka de la "Matsushita Electronic Components" a anuntat descoperirea efectului de varistor dupa multe cercetari efectuate pe contacte realizate intre o ceramica semiconductoare (ZnO) si un metal (Argint).

La cativa ani dupa publicarea descoperirii lui Matsushita in 1970, principalele companii producatoare de echipamente pentru energetica s-au angajat pentru aceeasi aventura: aplicatii diversificate pentru protectie, incepand de la JT pana la IT - General Electric Company, ABB, Meidensha Company (aceasta din urma beneficiind de colaborarea cu Matsushita).

Cazul GECo este foarte sugestiv de relatat in acest sens

- dupa ce Matsushita a anuntat in 1970 realizarea varistoarelor pe baza de ZnO, GECo se lanseaza in 1971 in cercetarea si dezvoltarea de materiale, prin solutionarea succesiva a problemelor legate de: neliniaritatea varistorului, stabilitatea sub tensiune continua si alternativa, alegerea electrozilor si acoperirea varistoarelor pentru a preveni conturnarea acestora; aceasta munca a durat 5 ani ;

- la sfarsitul lui 1976, GECo a inceput sa produca descarcatoare pentru retele de curent alternativ de la 10 600 kV ;

- primul descarcator cu ZnO de curent alternativ - 588 kV, fara eclatoare, este instalat pentru prima data in sistemul ITAIPU- Brazilia .

Similar cu aceste eforturi de dezvoltare, cercetarile au continuat cu tarie in scopul intelegerii mecanismului de conductie in acest tip de material, al corelarii intre unele elemente de impurificare si proprietatile electrice ale materialului.

In anii '80 au aparut cca. 80 articole/an in reviste stiintifice, avand ca subiect varistoarele cu ZnO, pentru a se stabiliza (in mod curent) la cca. 40 articole/an.

Este foarte dificil de estimat exact aportul economic al varistoarelor bazate pe ZnO, dar se poate preciza cu exactitate ca in Japonia se fabrica cca. 1,2 bilioane unitati/an.

Producatori europeni renumiti: Harris, ABB, Soule, Siemens, Raychem, Iskra, LCC-Thomson .

Compozitie

Intr-un varistor cu ZnO, procentul cel mai mare de material este de peste 90 mol % ZnO si compozitia este echilibrata prin adaugarea de alti oxizi metalici.

Un numar de diferiti oxizi suplimentari poate fi folosit pentru realizarea proprietatilor materialului varistorului: Bi, Pr, Ba, Sr, La, Co, Mn, Ni, Cr, Sb, Si, B, Ti.

Un varistor tipic cu ZnO contine suplimentar - Sb₂O₃ , Bi₂O₃ , CoO , MnO si Cr₂O₃ .

Pudrele de oxizi (obtinute prin macinare) sunt amestecate, uscate si presate apoi in corpuri "brute" care apoi sunt sinterizate la temperaturi in jur de 1200 ⁰C.

Proces de fabricatie

Varistoarele pe baza de ZnO sunt realizate, in general, printr-un proces conventional folosit si la fabricarea ceramicelor.

Oxizii aditionali utilizati pentru impurificare ("dopare") in formarea pudrei cu dimensiuni de cativa microni, sunt cantariti si amestecati cu oxidul de zinc prin intermediul bilelor de macinare. Durata acestei operatii este de cateva ore in mediul umed, cu adaugare de produse organice precum lianti si lubrifianti care sa faciliteze operatiile urmatoare. Aceasta ultima operatie permite obtinerea unei pudre cu "sferoide" de 100 mm diametru. Pudra este presata intr-o matrita cu o forma corespunzatoare si mostrele obtinute sunt apoi sinterizate la 1100-1300 ⁰C. Aceasta operatie este foarte importanta deoarece ea asigura dezvoltarea ("cresterea") cristalina a granulelor de ZnO si formarea microstructurii de care depinde proprietatile electrice ale varistorului .

Microstructura

Microstructurile rezultate constau din granule de ZnO si faze intergranulare, constituite (de fapt) din spineli minerali (de tip Zn₇Sb₂O₁₂) si un numar de faze bogate in Bi; mai sunt si alte faze minore care nu se pot detecta prin tehnica conventionala .

Grauntele de spineli sunt in mod uzual prezente intre granulele de ZnO si sunt considerate a fi izolante electric si nu contribuie direct la caracteristica neliniara curent/tensiune.

Formulele chimice ale produselor sinterizate sunt complexe, complexitatea lor fiind dependenta de natura elementelor de impurificare ("dopare"), care sunt o prezenta invariabila in fiecare faza .

Impurificatorul principal in faza ZnO este cobaltul, dar manganul, cromul nichelul si antimoniul sunt deasemenea prezente in foarte mici concentratii. Componentele principale ale materialului granular sunt toate dopate prin crom, mangan, cobalt si nichel.

Tensiunea de strapungere a varistorului este determinata de dimensiunile granulelor de ZnO din materialul varistorului. Ele variaza de la cativa microni (pentru aplicatii la IT) sute de microni (pentru aplicatii la JT in electronica). Dimensiunile granulelor sunt controlate prin cantitatea si natura oxizilor aditionali.

Blocul de baza introdus in varistor este granula de ZnO formata ca rezultat al sinterizarii.

In timpul acestui proces, variate elemente chimice sunt distribuite in asa fel incat microstructura formata va avea proprietati puternic rezistive in zona de vecinatate a grauntilor de ZnO si proprietati puternic conductive in interiorul grauntilor de ZnO.

Microstructura functionala a varistoarelor de ZnO poate fi descrisa ca fiind constituita din :

- granule de ZnO semiconductoare impurificate;

- interfete ZnO care asigura bariere la conductia electrica si care dau o "crestere" a caracteristicilor neliniare curent/tensiune

- o retea continua asigura o cale alternativa de conductie, si poate aduce o contributie semnificativa la conductivitatea din regiunea de pre-strapungere a caracteristicilor curent/tensiune.   

Mecanismul de conductie in varistorul de ZnO

Datorita microstructurii granulare a varistorului de ZnO, exista bariere de potential intre granulele de ZnO datorate unor electroni captati.

Practic, frontiera unitara dintre doua granule de ZnO reprezinta un semiconductor unic cu caracteristica neliniara si proprietatile rezistorului sunt date de o retea de microvaristoare conectate serie-paralel. La fiecare frontiera, bariera de potential controleaza trecerea curentului de la o granula la alta (se opun trecerii curentului pentru tensiunea de nivel scazut, dand o mare rezistivitate materialului).

Cand tensiunea aplicata pe doua granule adiacente (pe o frontiera unitara) este in jur 3 V, se produce un fenomen de recombinare care neutralizeaza sarcina spatiala si provoaca un colaps al barierei de potential, curentul incepand sa circule prin rezistor. Rezistivitatea materialului descreste puternic si ea este limitata doar de rezistivitatea granulelor de ZnO. Datorita unei foarte pronuntate neliniaritati a rezistentei de ZnO, la o crestere relativ mica a tensiunii, curentul atinge valori de ordinul sutelor-miilor de amperi.

Aplicatii ale varistorului cu ZnO in retele de joasa tensiune

Supratensiunile sunt intotdeauna prezente in retelele electrice (la joasa sau inalta tensiune).

Pentru sistemul de distributie la joasa tensiune, supratensiunile provin de la "surse externe" fata de retea - supratensiuni de trasnet, supratensiuni care provin de la defecte ale sistemului de distributie, precum si de la "surse interne" - arderea sigurantelor in circuite inductive etc .

O statistica arata ca supratensiunile apar, in medie, de 5 ori/an cu o amplitudine care poate creste pana la 4 kV.

Pe de alta parte, luand in considerare faptul ca tensiunea la care se produc strapungerile dielectricului la cele mai uzuale masini electrice nu depaseste 1500 V (regula 2U + 1000), se poate constata usor ca pericolul de deteriorare este mare sau, in cel mai favorabil caz, se va observa o diminuare a duratei de viata a masinii.

Ca urmare, este imperativ necesara utilizarea dispozitivelor de protectie care se amplaseaza in paralel pe intrarea liniei de alimentare. Intr-un sistem trifazat, se plaseaza cate un dispozitiv pe fiecare faza, intre faze si pamant si intre neutrul retelei si pamant.

Caracteristicile "folositoare" ale varistorului de ZnO sunt :

- un foarte bun coeficient de neliniaritate (mai mare de 50);

- un foarte bun coeficient de calitate: V (1 mA) / V (5 kA) = 1.6 - 1.8;

- o mare capacitate de absorbtie a energiei de descarcare (200 J/cm³);

- o slaba diminuare a caracteristicilor datorita imbatranirii.

Componentele folosite in sistemul de protectie (un modul) are, in general, varistoare de ZnO si eclatoare in gaz.

Eclatorul de amorsare este un dispozitiv de protectie folosit in trecut in domeniul telecomunicatiilor. El este compus din electrozi metalici si o anvelopa ceramica umpluta cu un gaz rar. Pe peretele anvelopei se depun linii de grafit care servesc la initierea descarcarii.

Capacitatea de absorbtie a energiei eclatoarelor nu este mare. Interesul pentru ele rezida in valoarea foarte scazuta a capacitatii lor. Din acest motiv, ele sunt folosite la protectie liniilor de semnal.

Modulele de protectie de joasa tensiune sau descarcatoarele de joasa tensiune sunt realizate pentru a fi conectate in sistemul public de distributie sau in instalatiile electrice cu tensiuni sub 1000 V, pentru protectia lor impotriva supratensiunilor atmosferice sau industriale. Modulele sunt realizate doar cu varistoare de ZnO sau prin asociere varistoare ZnO - eclatoare. Eclatoarele sunt foarte rar utilizate singure pentru liniile de putere de 250/400 V, deoarece se pune problema incendiului.

Caracteristici

Limitarea supratensiunilor intr-o retea electrica se poate face prin doua categorii de masuri - masuri tehnice si masuri privind coordonarea izolatiei .

- Masuri tehnice: au rolul de reducere functionala a supratensiunilor si care se practica in special in retelele de IT; ca de exemplu: echiparea LEA cu fire de garda, echiparea statiilor cu paratrasnete Franklin, echiparea intreruptoarelor cu rezistente sunt pentru conectarea LEA, conectarea controlata - sincronizata sau cu control de polaritate;

- Masuri privind coordonarea izolatiei: care au rolul de a permite realizarea unei protectii economice prin dimensionarea corespunzatoare a izolatiei echipamentului si de a asigura continuitatea in functionare a retelei .

Una din principalele masuri, din ansamblul de masuri ce constituie coordonarea izolatiei, este introducerea descarcatoarelor electrice .

Descarcatorul cu rezistenta variabila (drv) reprezinta protectia primara impotriva diferitelor categorii de supratensiuni: exterioare (atmosferice, care se propaga pe LEA ) si interne (de comutatie). El se monteaza in paralel cu echipamentul care va fi protejat, in general intre faza si pamant si, mult mai rar, intre faze .

Elementele active ale drv-ului din ultima generatie sunt realizate dintr-un material rezistiv cu puternic caracter neliniar (caracteristica rezistiva neliniara U-I mult mai "puternica" decat la drv-urile cu SiC si spatii de amorsare), material compus din mai multe parti oxid de zinc si alti oxizi de metal si sinterizate impreuna. In consecinta, drv-ul modern poate fi numit - in mod uzual - descarcator ZnO (cu oxid de zinc ) sau MO (metal oxid).

Rezistenta din oxizi metalici este un semiconductor, proprietatile electrice speciale fiind rezultatul microstructurii acesteia. Granulele de ZnO au o conductivitate electrica foarte buna si fiecare frontiera unitara dintre doua granule de ZnO reprezinta un semiconductor unic cu caracteristica puternic neliniara. Astfel, proprietatile rezistentei sunt date de o retea de microvaristoare conectate serie-paralel si la fiecare frontiera, o bariera de potential controleaza trecerea curentului de la o granula la alta. Cand tensiunea de deschidere este depasita, barierele de potential (care in conditii normale, sub tensiunea de continua functionare Uc, limiteaza circulatia curentului la valori de ordinul zecilor de mA) "cad" si curentul incepe sa circule prin rezistor. Datorita unei foarte pronuntate neliniaritati a rezistentei de ZnO, la o crestere relativ mica a tensiunii, curentul atinge valori de ordinul sutelor - miilor de amperi .

In felul acesta, in cazul aparitiei unor supratensiuni, drv-ul intra in conductie prin cresterea imediata si puternica a curentului, limitand nivelul supratensiunii la valoarea tensiunii reziduale ce se stabileste la bornele descarcatorului prin trecerea curentului de descarcare. Cand supratensiunea dispare, drv-ul revine imediat la starea sa esentiala de "ne-conductie", cu un curent de scurgere extrem de redus (nesemnificativ).

O diferenta majora fata de drv-ul clasic (cu carbura de siliciu) este si aceea ca nu are spatii de amorsare si ca urmare, elementele active sunt acum solicitate continuu sub tensiunea de serviciu a retelei, tot atat de mult ca sub orice conditii anormale de serviciu. In consecinta, drv-ul cu ZnO este dimensionat la solicitari astfel incat el sa poata rezista la aceste solicitari pentru toata viata lui (tinand cont de fenomenul de imbatranire naturala a elementelor active, repartitia neliniara pe blocurile active, supratensiunile de comutatie si atmosferice provocate de trasnet, supratensiuni temporare cu durata lunga, stabilitate termica ) .

Proprietatile electrice ale varistorului ZnO in domeniul curentului de scurgere permit obtinerea unei scheme echivalente, ca in figura 5.38

Fig. 1 Schema echivalenta a varistorului cu ZnO

Pentru un ansamblu drv cu ZnO, in conditii normale de functionare, este predominanta componenta capacitiva a curentului total, in timp ce, componenta rezistiva este minora.

NOTA

In timp ce, pentru drv-urile cu ZnO de inalta tensiune domeniul tipic in care ia valori componenta capacitiva este 0,53 mA (valoare de varf, si este dependenta de capacitatile parazite si de tensiunea de continua functionare Uc) si, in acelasi timp, componenta rezistiva este in domeniul 50250 mA (valoare de varf), la 20 ^oC (ex. marca ABB, tip EXLIM - montate in SEN), pentru drv-urile de medie tensiune limitele maxime sunt: 1 mA - curent total de scurgere si < 10 mA - componenta rezistiva de conductie (ex: marca RAYCHEM, tip HDA).

Specialisti din tarile nordice (ex: Power Gride Company NORWAY) afirma ca, dintr-un util punct de vedere, este de dorit sa se verifice starea drv-ului cu ZnO la intervale regulate de timp, prin "procesarea" curentului de scurgere si fara scoaterea de sub tensiune a drv-ului. Instrumentul uzual folosit la verificarea drv-urilor 'clasice' in serviciu ( mA-metru ) nu este solutia optima pentru verificarea drv-ului cu ZnO, deoarece nu poate diferentia componentele curentului total ; mA - metru va masura curentul total de scurgere. In plus, el nu poate separa curentul de scurgere intern de curentul de scurgere de pe suprafata izolatorului.

Cea mai precisa metoda de verificare a drv-ului, in conditii de serviciu, este de a masura componenta rezistiva de conductie a curentului de scurgere prin drv .

De exemplu: pentru drv-urile de IT, ABB a proiectat un sofisticat aparat cu microprocesor - numit LCM (Leakage Current Monitor - monitorul curentului de scurgere), care poate lucra cu orice tip de drv cu ZnO de IT, dar echipat cu contor - de tip TXC. Metoda optima de masurare consta in analiza armonica a curentului de scurgere prin descarcator, metoda cu care se obtin rezultate de incredere si prin introducerea unei probe in camp, proba ce permite o compensare pentru armonicele de curent generate de armonicele de tensiune.

Evident, si componenta rezistiva a curentului total de scurgere prin drv este dependenta de tensiunea aplicata si de temperatura. Ca urmare, la masuratoarea in conditii de exploatare este necesara cunoasterea metodologiei de corectie a valorilor masurate pentru a putea fi comparate cu cele de referinta .

Pentru drv-urile cu ZnO cu anvelopa din masa polimerica (etanse, fara spatiu de aer), firmele de renume nu recomanda nici macar masurarea curentului total de scurgere sau, altfel spus - free maintenance !

Printre avantajele care impun utilizarea lor rapida in locul celor "clasice" se remarca :

- influenta neglijabila a temperaturii asupra caracteristicii neliniare la ZnO ;

- stabilitatea caracteristicii neliniare la impulsuri de curent repetate ;

- pierderile de putere activa mai reduse cu cca. 35 - 40% ;

- nivele de protectie mult mai coborate, fapt ce permite coeficienti de siguranta mari ;

- atenuarea mai rapida a supratensiunilor temporare, pe care le suporta un timp limitat;

-capacitate de descarcare mai mare si comportare mult mai buna la supratensiuni de comutatie ;

- durata de viata mai mare ;

- constructia anvelopelor din mase polimerice speciale, indeosebi polimer siliconic, asigura excelente caracteristici dielectrice pe suprafata exterioara si o mare rezistenta la conditii severe de poluare (apa de mare, praf, nisip, poluare industriala) - vezi ANEXA 1 .

Constituind piesa vitala a echipamentului la bornele caruia este montat cat si in asigurarea altui echipament din statie impotriva distrugerii, este esential ca drv-ul sa aiba o mare sensibilitate intrinseca in orice conditii de functionare a sistemului.

Drept urmare, sistemul in care va fi introdus drv-ul co ZnO trebuie cunoscut in toate conditiile de functionare, cu accent pe conditiile de supratensiuni temporare (tranzitorii) .

In general, doar supratensiunile temporare aparute in cazul punerilor la pamint si la pierderea sarcinii prezinta interes.

Anumite configuratii de retele pot da (uneori) si supratensiuni de rezonanta, care pot fi evitate prin proiectarea sistemului si nu pot constitui un motiv de baza pentru alegerea capacitatii drv-ului de a suporta supratensiunea temporara. Daca la pierderea sarcinii se produce o punere la pamant, supratensiunile temporare pe fazele sanatoase tind sa creasca mai mult decat ar ajunge daca evenimentele se produc separat.

Dar, aceste situatii fiind rare in exploatare, poate fi justificata acceptarea defectarii drv-ului in loc de alegerea unui drv mai performant si care, avand un inalt nivel de protectie, scade mult marja de protectie a echipamentelor din statie (definita conf. PE 109/ 92 ) .

Pentru a cunoaste marimile ce caracterizeaza noua generatie de drv-uri, si pentru a sublinia necesitatea cunoasterii supratensiunilor temporare din sistemul in care se va introduce drv-ul cu ZnO, trebuie sa definim urmatoarele:

- tensiunea (maxima) de continua functionare Uc, [kVef] (Maximal Continuous Operating Voltage - MCOV sau COV) - valoarea eficace admisa, la frecventa sistemului, care poate fi aplicata in mod continuu intre bornele drv-ului si care trebuie sa indeplineasca conditia minima:

Uc > Um , pentru retele cu neutru izolat sau tratat prin bobina ;

Uc > Um/ 3 , pentru retele cu neutru legat direct sau tratat prin rezistenta,

unde : Um - tensiunea maxima de functionare a sistemului, [kVef] .

- tensiunea nominala Ur, [kVef] (Rated Votage) - tensiunea eficace pe care trebuie sa o suporte drv-ul timp de minimum 10 secunde, dupa ce a fost preincalzit la 60 ⁰C si a fost supus unei injectii mari de energie conform standardelor .

Drept urmare, intr-o retea cu o anumita tensiune maxima de serviciu se pot alege drv-uri cu diferite tensiuni nominale Ur, pentru conditii diferite de supratensiuni .

- capacitatea de absorbtie a energiei E, [kJ/kV din Uc sau Ur] (Energy Capability) - energia electrica maxima pe care drv-ul o poate absorbi la un moment dat, fara sa necesite o pauza pentru racire si fara a diminua stabilitatea termica la care a fost fabricat (si testat) in conditii normale de functionare cu un impuls inalt de curent de amplitudine si durata specificate ;

- nivel admis de supratensiuni temporare Tr sau Tc, [u.r.] (Temporary Overvoltage Withstand Strength Factor) - caracterizeaza rezistenta la solicitarile supratensiunilor temporare si reprezinta cresterea temporara a tensiunii de frecventa industriala pe care drv-ul o poate suporta pe o durata de t secunde.

Comportare la supratensiuni temporare se prezinta sub forma unei curbe: T (calculat ca raport intre valoarea supratensiunii temporare pe descarcator si valoarea efectiva a tensiunii Uc sau Ur a drv-ului, functie de firma) functie de durata timpului de solicitare in tensiune, la o anumita temperatura ambientala si pentru doua situatii - cu impuls anterior prin drv (drv "energizat") si fara impuls anterior .

- nivel de protectie la supratensiuni atmosferice (de trasnet) - tensiunea reziduala generata de un impuls de curent nominal [kA, forma 8/20 ms] .

- caracteristici de protectie - multimea valorilor tensiunii reziduale [kVef] obtinute pentru diferite forme si amplitudini de curent de impuls [kA, 1/10 ms - 8/20 ms - 30/60 ms] .

Daca tensiunea Uc se alege functie de tensiunea maxima de serviciu a retelei, tensiunea nominala Ur a drv-ului se alege functie de conditiile de supratensiuni specifice retelei; deci tensiunea Ur este o masura a capacitatii de a suporta supratensiunile temporare.