POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I MATERIAŁÓW ELEKTROTECHNICZNYCH
LABORATORIUM – MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE ROK I
TEMAT: BADANIE MATERIAŁÓW STOSOWANYCH DO BUDOWY WARYSTORÓW
WYKONAŁ: Xxxxxxx xxxxxx Nr: 111111111

1. Wstęp teoretyczny

Warystory są powszechnie stosowanym elementem zabezpieczającym przed przepięciami sieć energetyczną. Jakość tych elementów jest bardzo istotna, aby zabezpieczenie było skuteczne. Warystory są wykonywane z taniego i powszechnie stosowanego materiału – tlenku cynku wraz z dodatkami innych substancji, stanowiących zwykle tajemnicę producenta i decydujących o końcowej jakości wyrobu. Produkty opuszczające fabrykę spełniają narzucone wymogi dotyczące charakterystyki prądowo-napięciowej, zapewniając w ten sposób odpowiednią ochronę przed przepięciami. Niestety, w trakcie eksploatacji, w wyniku narażeń na atmosferyczne czynniki zewnętrzne oraz przewodzenie dużych prądów, podczas losowej liczby występujących przepięć, struktura warystora ulega stopniowej degradacji. W efekcie warystor może przestać pełnić skutecznie swoją funkcję zabezpieczającą. Dlatego istnieje konieczność testowania skuteczności ochrony przepięciowej warystorów stosowanych w sieci energetycznej niskiego napięcia. Warystory są obecnie powszechnie stosowanym elementem zabezpieczającym sieć energetyczną przed szkodliwym działaniem przepięć powodowanych głównie zjawiskami atmosferycznymi. Popularność tych elementów wynika z dobrych właściwości ochronnych, relatywnie niskich kosztów produkcji oraz możliwości stosowania dla bardzo szerokiego zakresu napięć, zaczynając od pojedynczych woltów, a kończąc na zabezpieczeniach linii energetycznych o napięciu setek kV. Na rynku są dostępne warystory wykonane z węglika krzemu (SiC) lub z tlenku cynku (ZnO).

Możliwości ochrony układów przed przepięciami za pomocą warystorów wynikają z ich nieliniowej charakterystyki prądowo-napięciowej. Dla małych napięć warystor charakteryzuje się rezystancją na poziomie nawet 10¹⁰ Ω, a prąd płynący przez jego strukturę jest na poziomie dziesiątek μA. Przy wyższych napięciach charakterystykę warystora można opisać zależnością:

gdzie:

I – prąd,

U – napięcie,

k – stała skalująca,

α – wykładnik potęgi.

Duża wartość wykładnika α oznacza, że prąd gwałtownie rośnie nawet przy niewielkich zmianach napięcia na jego zaciskach. Dla warystorów wykonanych z ZnO uzyskuje się wartości α=80, co jest wartością kilkakrotnie większą niż osiągana w przypadku konkurencyjnego materiału SiC. Przy dalszym wzroście napięcia warystor przechodzi w stan nasycenia i zachowuje się jak rezystor o rezystancji rzędu pojedynczych Ω.

Przedstawiona charakterystyka prądowo-napięciowa warystora (rys. 1.) oznacza doskonałe właściwości tłumienia przepięć przez przewodzenie nawet bardzo dużych prądów powodowanych napięciem powyżej pewnego napięcia progowego, charakterystycznego dla używanego egzemplarza, oraz stanem odłączenia od chronionego układu przy małych napięciach podczas jego normalnej eksploatacji.

1. Wyniki pomiarów

Badaniu podlegały płytki karborundowe o grubości 11 i 22 mm ze zdemontowanego odgromnika zaworowego oraz warystor SPIN 552.

Zestawienie wyników w przypadku charakterystyk napięciowo-prądowych

Obiekt badań	U	logU	I	logI	R
	V	-	µA	-	MΩ
Warystor elektroniczny	150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650	2,18 2,30 2,40 2,48 2,54 2,60 2,65 2,70 2,74 2,78 2,81	0,0135 0,0190 0,0245 0,0295 0,0361 0,0421 0,0484 0,0548 0,0613 0,0684 0,0753	-7,87 -7,72 -7,61 -7,53 -7,44 -7,38 -7,32 -7,26 -7,21 -7,16 -7,12	11080 10500 10200 10180 9687 9503 9292 9121 8971 8770 8623
Płytka odgromnikowa d= 22 mm	50 100 150 200 250 300 350 400 450 500	1,70 2,00 2,18 2,30 2,40 2,48 2,54 2,60 2,65 2,70	60 180 340 560 900 1460 2260 3400 4900 6800	-4,22 -3,75 -3,47 -3,25 -3,05 -2,84 -2,65 -2,47 -2,31 -2,17	0,83 0,56 0,44 0,36 0,28 0,21 0,16 0,12 0,09 0,07
Płytka odgromnikowa d= 11 mm	50 100 150 200 250 300 350 400 450 500	1,70 2,00 2,18 2,30 2,40 2,48 2,54 2,60 2,65 2,70	<10 20 50 100 160 240 340 480 640 1030	>-5 -4,69 -4,30 -4,00 -3.79 -3,62 -3,47 -3,32 -3,19 -2,99	>5 5,00 3,00 2,00 1,60 1,30 1,03 0,83 0,70 0,49

Zestawienie wyników w przypadku charakterystyki prądowo-temperaturowej

Obiekt badań	T	U1	I (U1)	U2	I (U2)	U3	I (U3)
	°C	V	µA	V	µA	V	µA
Płytka odgromnikowa d= 11 mm	20 30 40 50 60 70 80 90	150	<10 <10 20 60 100 180 220 320	250	30 40 80 180 300 480 630 900	350	80 100 180 400 740 1260 1600 2400

Wykresy dla warystora elektronicznego

Współczynnik nieliniowości:

-dla napięć 150 i 200 Volt

-dla prądów 0, 0135 • 10⁻⁶ i 0, 0190 • 10⁻⁶ Ampera

$$\beta = \frac{\log\frac{U_{1}}{U_{2}}}{\log\frac{I_{1}}{I_{2}}} = \frac{log0,75}{log0,710} = \frac{- 0,1249}{- 0,1487} = \frac{1249}{1487} = 0,8399$$

Wykresy dla płytki odgromnikowej d= 22 mm

Współczynnik nieliniowości

-dla napięć 50 i100 Volt

-dla prądów 60 i 180 µA

$$\beta = \frac{log0,5}{log0,33} = \frac{- 0,30}{- 0,48} = \frac{5}{8} = 0,625$$

Wykresy dla płytki odgromnikowej d= 11 mm

Współczynnik nieliniowości

-dla napięć 100 i 150 Volt

-dla prądów 20 i 50 µA

$$\beta = \frac{log0,66}{log0,4} = \frac{- 0,18}{- 0,4} = 0,45$$

Wykres I=f(T) dla płytki odgromnikowej

1. Dla napięcia 150 V

2. Dla napięcia 250 V

3. Dla napięcia 350 V

1. Wnioski

Warystory mają nieliniową charakterystyce rezystancji, zależną od napięcia elektrycznego. Dla małych napięć wykazuje on dużą rezystancję, gdy przekroczy ono pewną wartość, charakterystyczną dla danego typu warystora, jego rezystancja szybko maleje.

Każdy z przebadanych warystorów prezentuje inną charakterystykę napięciowo-prądową. Różnice wynikają z różnych wielkości warystorów, a także z różnicy w technologii wykonania i miejsca przeznaczenia danego elementu