Металлооксидные варисторы — ключевые элементы выключателей HVDC
Металлооксидные варисторы выполняют важнейшие функции ограничения перенапряжений и поглощения энергии в твердотельных выключателях сетей HVDC (постоянного тока высокого напряжения). В статье — история, структура, параметры варисторов и примеры их применения.
Ожидается, что передача электроэнергии по HVDC (постоянный ток высокого напряжения) будет играть более значимую роль в будущих системах распределения энергии. Размыкание цепи в системах HVDC — более сложная задача. Твердотельные выключатели и ограничители перенапряжений на основе металлооксидных варисторов (MOV) являются ключевыми элементами при создании выключателей, которые можно успешно интегрировать в сети генерации и распределения HVDC.
История и структура металлооксидных варисторов
В 1968 году инженеры компании Matsushita Electric Industrial (ныне часть Panasonic) в Японии впервые обнаружили сильно нелинейные проводящие свойства керамики на основе оксида цинка (ZnO) — благодаря аварии с тепловым разгоном в одной из своих печей для спекания. Этот зависящий от напряжения резистор (варистор) был запатентован и выведен на рынок под торговой маркой ZNR. Лицензию на эту технологию приобрела General Electric (GE). Последующая новаторская работа инженеров GE привела к доработкам и коммерциализации прибора GE MOV в начале 1970-х годов. Он применялся в таких областях, как защита источников питания и низковольтной электроники от переходных перенапряжений, а также защита жилых домов от импульсов при ударах молнии.
Варисторы на ZnO — это поликристаллические полупроводниковые керамические приборы, в которые для настройки свойств могут добавляться различные оксиды металлов. Типичная вольт-амперная характеристика такого металлооксидного варистора показана на рисунке 1.
В нормальном режиме варистор пропускает лишь очень малый ток утечки. Выше определённого напряжения наблюдается высокая степень нелинейности вольт-амперной характеристики. Варистор становится хорошо проводящим, пропуская большие токи при очень малом изменении напряжения вблизи этого напряжения ограничения. Эффект обратим, с пренебрежимо малым гистерезисом, и воспроизводим. В отличие от стабилитрона, металлооксидный варистор двунаправленный.
ZnO может составлять более 90 % состава коммерческих варисторов. Добавки оксидов металлов — висмута, сурьмы, кобальта, алюминия, хрома или марганца — выполняют жизненно важную функцию управления ростом зёрен, вольт-амперной характеристикой и стабильностью. После смешивания этих добавок с ZnO порошок прессуется и спекается при температурах свыше 1000 °C. Пассивация и нанесение электродов завершают процесс. Считается, что высокое сопротивление в выключенном состоянии обусловлено границами зёрен, создающими область обеднения с пространственным зарядом. Выше определённого напряжения эти энергетические барьеры разрушаются, порождая нелинейное протекание тока.
Стадии работы варистора
Рассмотрим эквивалентную схему, показанную на рисунке 1. В выключенном состоянии доминирует сопротивление RSTBY. Оно может быть порядка 10⁹ Ом. В качестве защитного прибора в цепи постоянного тока варистор включается параллельно главному выключателю. Поскольку главный выключатель в норме замкнут (включён), малый ток утечки через параллельное сопротивление RSTBY несущественен по сравнению с током нагрузки через выключатель. Ёмкость C обусловлена тонким межзёренным диэлектриком. По сути, она делает варистор низкоимпедансным при быстром переходном процессе.
В диапазоне варисторного напряжения ток растёт быстро и может изменяться на несколько порядков при очень малом изменении напряжения. Такое нелинейное поведение вольт-амперной характеристики описывается уравнением. Сопротивление RV — зависящее от напряжения сопротивление из этого уравнения; оно доминирует в суммарном сопротивлении варистора, поскольку значительно меньше RSTBY, но при этом значительно больше RPP. Динамическое сопротивление в этой области, выделенной на рисунке 1 синим цветом, можно записать соответствующим выражением. Нелинейный коэффициент α — важная метрика варистора: чем он выше, тем лучше ограничение напряжения при заданном токе. Напряжение в этой области также называют остаточным напряжением, или напряжением, наведённым переходным процессом (TIV), на варисторе. У варисторов на ZnO α может составлять 30–80.
При ещё больших токах, превышающих максимальный импульсный ток (выше IPEAK на рисунке 1), сопротивление приближается к линейному объёмному сопротивлению RPP зёрен ZnO, которое может составлять от 1 до 100 Ом.
Параметры варисторов и примеры
Наиболее важные параметры варистора для защиты от перенапряжений:
MCOV/Uc: максимальное длительное рабочее напряжение, то есть напряжение на верхней границе зелёной области на рисунке 1.
Варисторное напряжение: определяет область перегиба при токе 1 мА и, следовательно, лежит выше максимального рабочего напряжения.
Напряжение ограничения/Up: остаточное напряжение, которое может дойти до защищаемого оборудования во время импульса перенапряжения. При выборе Uc и Up существует неизбежный компромисс. Выбор более высокого Uc для расширения нормального рабочего диапазона напряжений может означать и более высокое пропускаемое напряжение Up. Отношение Up/Uc называется коэффициентом ограничения.
IPEAK: номинальный пиковый ток одиночного импульса, как правило, для импульса 8/20 мкс.
Jmax: максимальная безопасная энергия импульса в джоулях при заданной форме импульса. Энергия импульса преобразуется в тепло внутри варистора, и рост температуры при многократных импульсах может быть важным параметром надёжности.
Собственное время отклика варистора может лежать в диапазоне единиц наносекунд. В практическом металлооксидном ограничителе перенапряжений (MOSA), где множество варисторов соединено последовательно в общем корпусе, паразитная индуктивность сборки и выводов может увеличить суммарное время отклика до единиц микросекунд.
Металлооксидные варисторы коммерчески доступны в широком диапазоне рабочих напряжений и номиналов защиты по импульсному току. На рисунке 2 показаны два примера. Слева — варистор с радиальными выводами от Eaton. Его серия MOV07xxxx представляет собой диск диаметром 7 мм и выпускается с различными номиналами Uc(DC) от 170 до 670 В и номиналом IPEAK 1,2 кА. Справа — ограничитель перенапряжений среднего напряжения 3EK7 от Siemens с номиналами Uc до десятков киловольт и номиналами IPEAK в десятки килоампер.
Металлооксидные варисторы в выключателях HVDC
Варистор/MOSA выполняет в выключателе HVDC две жизненно важные функции: ограничивает импульсное напряжение до уровня Up/TIV, безопасного для конечного оборудования, и поглощает энергию переходного процесса от результирующего IPEAK, вызванного индуктивностью системы при срабатывании выключателя. В отличие от сетей переменного тока, варистор пассивен и в нормальном режиме шунтируется проводящим выключателем. Большая индуктивная энергия в сетях HVDC означает, что длительность импульса может достигать десятков миллисекунд — примерно в 10 раз дольше, чем в системах переменного тока.
Пример двунаправленного твердотельного выключателя (SSCB) постоянного тока на встречно-параллельных IGCT с обратной блокировкой (RB-IGCT) и металлооксидных варисторах показан на рисунке 3. Для выполнения требований системы по IPEAK здесь показаны две ветви.
Петер Хок и его коллеги из Технического университета Дармштадта (Германия) продемонстрировали устройство с энергией 2 МДж и TIV 40 кВ при номинальном IPEAK 16 кА, используя конструкцию MOSA из 12 параллельных колонн, включающую в общей сложности 72 варистора. Было показано, что равномерное распределение тока между колоннами критически важно для предотвращения перегрева и отказа.
Повторяющиеся импульсы или воздействие постоянного напряжения выше номинального Uc могут вызывать постепенную деградацию и в конечном итоге приводить к тепловому разгону. Термозащищённые варисторы (TMOV) для безопасности оснащаются встроенным тепловым размыкателем-предохранителем.