Transcript Prezentare Flaviu Frigura ro

Varistor cu capacitate mărită de
limitare a supratensiunilor
S.l.dr.ing. Flaviu Mihai FRIGURĂ-ILIASA
Repartiţia cauzelor principale ale defecţiunilor
din sistemul electroenergetic.
Analiza comparativă a impulsurilor de curent
Necesitatea implementării unor sisteme de protecţie
împotriva supratensiunilor
Placă electronică străpunsă la o
lovitură de trăsnet
Unii fabricanţi de echipamente electronice nu au nici un
interes în a proteja produsele lor împotriva
supratensiunilor.
Practic, aceste incidente sunt surse suplimentare de
venituri, din service şi din înlocuirea componentelor
defecte
Necesitatea implementării unor sisteme de protecţie
împotriva supratensiunilor
Back-rack distrus de un impuls electric
În general, numai utilizatorii finali pot fi interesaţi de
montarea acestor dispozitive, deoarece pierderile
înregistrate ca urmare a scoaterii din uz a unei instalaţii
sunt uneori mai mari decât cele cauzate de înlocuirea
componentelor defecte.
Sisteme de protecţie contra
supratensiunilor
Is
Undă de
impuls
U
(tensiune
nominală)
Element
necesar
a fi
protejat
Protecţie paralelă
(cu rezistenţă
variabilă)
Schema electrică de principiu a protecţiei paralele
Protecţii la supracurenţi
Protecţii la supratensiuni
•Varistoare cu oxizi metalici
•Eclatoare cu gaz
•Diode supresoare
•Tiristoare supresoare
•Polimeri semiconductori
SISTEME
ELECTRONICE
•Siguranţe fuzibile
ultrarapide
•Siguranţe de putere
•Relee
Sinteza principalelor tipuri de protecţii pentru echipamente electronice
a).
b).
c).
d).
Tipuri constructive şi serii de varistoare pentru joasă tensiune
Varistoare pe bază de ZnO pentru aplicaţii la joasă tensiune
Particule izolante
Ri
L
Pori
Rg
Ci
Granule ZnO
Joncţiuni
intergranulare
Joncţiuni intergranulare
Granule de ZnO
Schema echivalentă a unui varistor elementar
Microstructura unui varistor pe bază de ZnO văzută la microscopul electronic
Electrod de aluminiu (depunere)
Izolant pe bază de răşină
Granule de impurităţi
•
Joncţiuni
intergranulare
•
H
dg
dg
Granule de
ZnO
Microstructura unui varistor pe bază de ZnO:
a). teoretică (idealizată); b) reală.
Secţiune de principiu printr-un varistor
Elaborarea reţetei şi procurarea materiilor
prime
Prepararea amestecului
Cântărirea procentuală
Măcinarea şi amestecul în fază lichidă
Adăugare de lianţi organici
Uscarea
Încălzire uşoară
Obţinerea corpului varistorului
Uscare
Încălzire la 700° C
Măcinarea uscată
Cernerea
Presarea
Încălzire pentru eliminarea totală a apei
a). Ciclul termic de sinterizare;
b). Ciclul termic de recoacere.
Sinterizarea la 1250° C
Metalizare
(depunerea electrozilor)
Acoperirea suprafeţei laterale cu răşină şi
polmerizarea ei
Definitivarea varistorului
Procesul tehnologic
de fabricaţie al unui
varistor
Substanţă
Procentaj [%]
Masă [g] la 500 g amestec
ZnO
82,25
411,28
MnO2
0,75
3,75
Cr2O3
1,32
6,601
Co3O4
2,09
10,457
NiO
0,648
3,244
Bi2O3
4,047
20,235
Sb2O3
8,862
44,345
B2O3
0,0756
0,378
MgO
0,0438
0,219
Al(NO3)9
0,0260
0,130
Substanţă
Procentaj [%]
Masă [g] la 500 g amestec
ZnO
87,45
437,25
MnO2
1,843
9,215
Cr2O3
1,515
7,575
Sb2O3
9,0466
45,233
B2O3
0,0756
0,378
MgO
0,0438
0,219
Al(NO3)9
0,0260
0,130
după amestecare
după presare
după sinterizare
după depunerea
electrozilor
Compoziţia chimică iniţială a
unui varistor (5 oxizi aditivi)
Compoziţia chimică iniţială a
unui varistor (2 oxizi aditivi)
după adăugarea
după
firelor
îmbrăcarea în
răşină epoxidică
Rezultatul fazelor principale ale procesului tehnologic
Algoritm pentru alegerea varistoarelor pe bază de ZnO
1. Stabilirea tipului şi tensiunii nominale a varistorului (calculul
electric); Se determină materialul şi înălţimea acestuia.
2. Calculul (şi verificarea) curentului maxim suportabil, al
energiei preluate şi al căldurii disipate (calculul termic); Se
determină diametrul (sau volumul) varistorului.
3. Compararea tensiunii şi a curentului rezidual suportat de
echipamentul de protecţie la supratensiuni, ca valoare de
vârf, cu limita maximală a supratensiunilor temporare care
pot apărea în instalaţia de protejat (calculul de siguranţă).
Se verifică valorile alese.
Puterea dezvoltată:
Pdez  U  I  U  A(U )  T 2  e
Pdez Pdis [W]

qe  (U )
k T
Puterea disipată:
Pdis    Sl     a 
Pdis3
Pdis2
Pdis1
Pdez2
A
Pcr
Pdez1
θa2 θa1 θe`
E
θe
θcr
θi θi `
Echilibrul termic al unui varistor.
θ [˚C]
Soluţii tehnice privind ameliorarea stabilităţii termice:
W = Q = mv · cv · Δθ1
•Montarea în paralel a două varistoare cuplate termic
W = Q =( mv1 · cv1 + mv2 ·cv2)· Δθ2
•Utilizarea de mase adiţionale
W = Q = Qv + Qa = (mv · cv + ma · ca) Δθ2
IMPULS de CURENT
W
W
VARISTOR
W = Q = mv·cv·Δθ1
W = Q = Qv + Qa
Qv = mv·cv·Δθ2
MASĂ ADIŢIONALĂ
Principiul utilizării maselor adiţionale.
Qa = ma·ca·Δθ2
Varistor cu oxid de zinc cu capacitate mărită de limitare a
supratensiunilor (Brevet de invenţie RO117052B)
a).
Varistor cu oxid de zinc cu capacitate mărită de limitare a supratensiunilor.
Secţiuni prin două variante constructive.
Algoritm pentru alegerea varistoarelor pe bază de ZnO
Pasul III Teste de siguranţă - verificare
Verificarea caracteristicii curent-tensiune
(verificarea calculului electric)
Divizor
1:1000
Calculator
compatibil
Sursă programabilă
de tensiune continuă
FUG - HP 64488
PC
0 – 12500 V
Imax = 25 mA
Voltmetru Digital
•RACAL-DANA
•6000
VARISTOR
Ampermetru
digital
Keithley 619
Schema electrică a instalaţiei pentru încercări în regimuri permanente
Instalaţia pentru încercări în regimuri
permanente.
Algoritm pentru alegerea varistoarelor pe bază de ZnO
Pasul III Teste de siguranţă - verificare
Verificarea încălzirii
(verificarea calculului termic)
Sondă de tensiune
1 / 1000
0,13 μH
Eclator
Redresor
250 kΩ
0,64 μH
Transformator
ridicător
230 V
50 Hz
50 kΩ
VARISTOR
54,6 MΩ
180 μF
6 kV
0,25 Ω
1 kΩ
Autotransformator
0,04 μH
Schema electrică a generatorului de impulsuri
μA
Sondă de curent
0,01 V/A
Algoritm pentru alegerea varistoarelor pe bază de ZnO
Pasul III Teste de siguranţă - verificare
Verificarea încălzirii
(verificarea calculului termic)
Vedere de ansamblu a generatorului de impulsuri
Algoritm pentru alegerea varistoarelor pe bază de ZnO
Pasul III Teste de siguranţă - verificare
Oscilograma impulsului aplicat unui varistor
de 230 Vef, diametrul 7 mm
Oscilograma unui impuls 8/20 aplicat unui varistor
de 230 Vef , diametrul de 20 mm
Temperatură [C]
Temperatură [C]
Evoluţia în tim p a tem peraturii pentru varistorul
230 Vef 7 m m , în procesul de răcire
43
41
39
37
Evoluţia în tim p a tem peraturii pentru varistorul
230 Vef, 20 m m , în procesul de răcire
41
40
39
38
37
36
35
34
35
33
32
33
31
31
30
29
29
28
27
0
150
300
450
600
750
900
1050 1200 1350
Tim p [s]
0
150
300
450
600
750
900
1050 1200 1350
Tim p [s]
Algoritm pentru alegerea varistoarelor pe bază de ZnO
Pasul III Calculul de siguranţă - verificare
Evoluţia în tim p a tem peraturii pentru varistorul
230 Vef 30 m m , în procesul de răcire
Oscilograma unui impuls 8/20 aplicat unui varistor
de 48 Vcc, diametrul de 7 mm
Temperatură [C]
Temperatură [C]
Oscilograma unui impuls 8/20 aplicat unui varistor
de 230 Vef, diametrul de 30 mm
30
29.5
29
28.5
28
35
34
33
32
31
27.5
30
27
29
26.5
28
26
27
25.5
26
25
25
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
Timp [s]
Evoluţia în tim p a tem peraturii pentru varistorul
48 Vcc, 7 m m , în procesul de răcire
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
Timp [s]
Determinarea capacităţii varistorului la
frecvenţa de 50 Hz
Conexiune RS sau USB
Osciloscop
digital
Computer compatibil
IBM PC
•(opţional)
Ir
transformator
reglabil 230/500 Vef
Ic
RV
CV
VARISTOR
•Rd
Schema pentru măsurători în alternativ
Determinarea capacităţii varistorului la
frecvenţa de 50 Hz
Tensiune
V x 20[V]
Curent
[A]
Timp [s]
Forma de undă a curentului printr-un varistor de 230 Vef
Icmax [A]
CV [nF]
εr
7 mm
1,32 ·10-5
0,12
1044
20 mm
1,13·10-4
1,03
1038
30 mm
2,57·10-4
2,33
1046
Icmax [A]
CV [nF]
εr
3,01 ·10-6
0,17
468
Tip varistor 230Vef
Tip varistor 48Vcc
7 mm
CONCLUZII FINALE
 echipamentele de protecţie contra supratensiunilor care utilizează
varistoare pe bază de ZnO sunt cele mai moderne şi eficiente soluţii
tehnice aplicabile şi în domeniul de joasă tensiune, datorită unor
avantaje evidente;
 datorită lipsei momentane a unor standarde naţionale adecvate
privind protecţia contra supratensiunilor a instalaţiilor electrice de joasă
tensiune, utilizarea unor standarde europene şi internaţionale (care în
perspectivă vor fi adoptate şi în România), este absolut necesară;
 există o mare varietate de module de protecţie la supratensiuni
destinate a funcţiona în reţele trifazate de 400 V, dar cele care utilizează
trei varistoare montate între neutru şi fază, neutru şi neutru de protecţie,
fază şi neutru de protecţie, sunt cele mai fiabile şi recomandabile pentru
domeniul electronic;
 în ceea ce priveşte tehnologia de fabricaţie a varistoarelor, se poate
concluziona că un număr mare de factori pot influenţa calitatea
varistorului şi deci fabricaţia prezintă un grad ridicat de empirism:
 tehnologia de fabricaţie a varistoarelor pe bază de ZnO, destul de
complicată şi pretenţioasă, a ajuns într-un stadiu de “saturaţie” în care
este foarte dificil a încerca ameliorarea performanţelor termice fără a
diminua simţitor performanţele electrice;
CONCLUZII FINALE
• pornind de la solicitările specifice ale echipamentelor electronice s-a
propus un algoritm de alegere şi proiectare a varistoarelor, bazat pe trei
paşi, anume:
•stabilirea tipului şi tensiunii nominale a varistorului (calculul
electric);
•calculul (şi verificarea) curentului maxim suportabil, al energiei
preluate şi al căldurii disipate (calculul termic);
•compararea tensiunii şi a curentului rezidual suportat de
echipamentul de protecţie la supratensiuni, ca valoare de vârf, cu
limita maximală a supratensiunilor temporare care pot apărea în
instalaţia de protejat (calculul de siguranţă).
 preţul modulelor de protecţie împotriva supratensiunilor este extrem
de redus, în comparaţie cu valoarea echipamentelor protejate. Dacă se
va trece la producţia de serie a acestora, preţul lor nu va depăşi câteva
zeci de euro pentru fiecare instalaţie protejată, o sumă total infimă în
comparaţie cu valoarea de zeci (sau chiar sute) de mii de euro a
echipamentului protejat sau a daunelor create de scoaterea din uz a
acestuia;
CONCLUZII FINALE
• pentru aplicaţiile legate de alimentarea în alternativ la frecvenţa uzuală
de 50 Hz sau în curent continuu, este posibilă determinarea capacităţii
dielectrice a varistorului printr-o metodă mult mai simplă, utilizând doar
un osciloscop digital cu două canale, având funcţie de măsurare a valorilor
de vârf;
 în situaţia aplicării perturbaţiilor pe reţeaua de alimentare, modulele
de protecţie împotriva supratensiunilor acţionează ca nişte veritabile
filtre, chiar dacă nu aceasta este funcţia lor principală;
CONCLUZII FINALE

metoda globală de analiză a stabilităţii termice oferă răspunsuri privind stările
de echilibru termic stabil şi instabil ale varistoarelor pe bază de ZnO. Pornind
de la această metodă, se pot avansa soluţii tehnice privind ameliorarea
comportamentului termic al varistoarelor pe bază de ZnO;

curentul care trece prin varistor este foarte dependent de temperatura acestuia.
Dacă nu se iau măsuri de realizare a echilibrului termic, curentul poate creşte în
mod necontrolat, provocând “ambalarea termică” a varistorului;

cuplajul termic prin conducţie, între două varistoare montate în paralel devine util numai în
situaţia în care caracteristicile electrice ale celor două varistoare sunt uşor diferite (în primul
rând există diferenţe de până la 5 % între valorile tensiunii de prag UN). Chiar dacă fiecare
varistor pierde o suprafaţă radiativă, temperaturile şi curenţii corespunzători sunt forţate să se
egalizeze;

montarea pe varistor a unor mase suplimentare din alamă are consecinţe benefice privind
ameliorarea stabilităţii termice a ansamblului, în regim de serviciu permanent ele acţionează
într-o mică măsură ca radiatoare, iar în regim de serviciu de impuls au rolul unor
“acumulatoare termice”, preluând o parte din căldura dezvoltată în varistor în urma aplicării
impulsului;

rezultatele experimentale au confirmat în totalitate modelările numerice şi estimările teoretice.