46 dr hab. inż. janusz Smulko Politechnika Gdańska

Instalacje elektryczne
dr hab. inż. Janusz Smulko
Politechnika Gdańska
Testowanie jakości warystorów niskonapięciowych
Streszczenie: Warystory są powszechnie stosowanym elementem zabezpieczającym przed
przepięciami sieć energetyczną. Stąd, 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, stanowiącymi zwykle tajemnicę producenta
i decydującymi 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 zachodzi konieczność testowania skuteczności ochrony przepięciowej warystorów stosowanych w sieci elektroenergetycznej.
W pracy przedstawiono budowę warystorów, z uwzględnieniem procesów zachodzących
w ich strukturach i prowadzących do zmiany ich parametrów elektrycznych oraz sposoby testowania ich jakości.
1. Wstęp
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) [1−5].
Możliwości ochrony układów przed przepięciami za pomocą warystorów wynika
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:
I = k ∙ Uα (1)
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 omów.
46
Instalacje elektryczne
I [A]
100
R~
Prąd
upływu
I=k·Uα
10-4
10-8
101
Ω
10
104
10
R~10
102
U [V]
Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora [1]
Ω
103
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.
2. Sposób wytwarzania warystorów
Popularność stosowania warystorów spowodowała, że są produkowane przez
wielu niezależnych producentów, w tym także w Polsce (np. ABB Przasnysz, Apator S.A.). W trakcie produkcji ziarna ZnO oraz innych tlenków metali (np.: Bi2O3,
CoO, MnO, Si2O3) są mieszane a następnie prasowane. Po takim przygotowaniu następuje proces wypalania w atmosferze powietrza, w temperaturze powyżej
1000oC [1]. Gotowy krążek przedstawiono na rys. 2a. Pożądane właściwości elektryczne uzyskuje się w wyniku powstanie złącz na granicy między ziarnami ZnO.
Pozostałe składniki, wykorzystywane przy konstrukcji warystora służą jako wypełniacz między przestrzeniami ZnO oraz decydują po części o procesie wzrostu ziaren
ZnO w trakcie ich formowania podczas wypieku. Stąd, szczegółowy skład oraz parametry podczas produkcji są objęte tajemnicą przez producentów. Typowo, rozmiary
ziaren ZnO wynoszą kilka μm.
Rys. 2. Główny element warystora: (a) wypalony krążek ZnO, (b) na którym wykonano metalizację kontaktów
Nr 177
47
Instalacje elektryczne
Podczas wytwarzania, dąży się do uzyskania możliwie największych wartości parametru α.
W rzeczywistości uzyskuje się złącza o różnych parametrach. Można wyróżnić
złącza najbardziej pożądane (good), gdy α > 30, o niskiej nieliniowości (bad) gdy
α ≈ 10, oraz złącza o charakterze rezystancyjnym (linear), jak zilustrowano na rys. 3.
Ziarnista budowa warystora oznacza, że o charakterystyce gotowego elementu decyduje suma szeregowo i równolegle połączonych złącz jakie występują między poszczególnymi ziarnami ZnO. Stąd, duża liczba ziaren, których kontakty między
sobą są charakteryzowane przez współczynnik α > 30 oznacza warystor o pożądanej
silnie nieliniowej charakterystyce. Budowa ziarnista oznacza, że gotowy wyrób jest
wypadkową połączonych szeregowo i równolegle „mikrowarystorów” powstających
na połączeniu między kolejnymi ziarnami. Dzięki temu, stosując warystory o różnej
grubości (liczbie złącz) możemy zmieniać napięcie, przy którym warystor zaczyna
przewodzić prąd.
log10 I
Dobry
Zły
Liniowy
-6
-8
-10
-12
-1
0
log10U
1
Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa wyróżnianych typów złącz jakie występują między ziarnami ZnO: silnie nieliniowe (good), słabo nieliniowe (bad) oraz liniowe (linear)
Rys. 4. Zdjęcie powierzchni spieku ZnO wykonanego za pomocą mikroskopu sił atomowych:
(a) posiadającego wyraźnie wykształcone ziarna ZnO o silnie nieliniowej charakterystyce,
(b) o małych ziarnach ZnO posiadających słabo nieliniową charakterystykę złącz
48
Instalacje elektryczne
Typy złącz jakie występują w strukturze ZnO zależą od sposobu przygotowania
i wypalania mieszaniny sproszkowanego ZnO z dodatkami. Nieliniowe złącza między ziarnami uzyskuje się jedynie dla odpowiednio wyrośniętych ziaren (rys. 4a). Natomiast, przy niepoprawnie dobranych parametrach i składzie następuje wytworzenie ziaren o średnio mniejszych wymiarach, charakteryzujących się słabo nieliniową
charakterystyką (rys. 4b).
Po prawidłowym przygotowaniu krążka ZnO następuje metalizacja jego powierzchni bocznych (rys. 2b) oraz kontrola parametrów elektrycznych. Poprawnie wykonane krążki są zamykane w obudowach i sprzedawane jako gotowe wyroby (rys. 5).
3. Procesy starzenia się struktur ZnO
W trakcie eksploatacji struktura warystora, w wyniku wielokrotnego przewodzenia dużych, chociaż często krótkotrwałych impulsów prądowych, ulega stopniowej
degradacji. Przyczyną tych procesów jest niejednorodność struktury warystora, której wynikiem jest mechanizm przewodzenia prądu w formie powstawania wąskich
ścieżek przez które przepływa dominująca część prądu płynącego przez cały warystor.
W trakcie przewodzenia dużych prądów, w strukturze ZnO wydziela się w obszarach
tych ścieżek nadmierna ilość ciepła, która powoduje lokalne silne nagrzewanie się
i występowanie dużych naprężeń w jej wnętrzu. Gdy gęstość prądu sięga powyżej
6∙10 -5 A/cm 2 , to temperatura gwałtownie wzrasta, co przy lokalnym podgrzaniu powyżej 200 °C prowadzi do przebicia cieplnego [2]. Ze względu na kruchość materiału
może nastąpić jego mechaniczne uszkodzenie. Ponieważ ceramika ZnO ma mniejszą
odporność na rozrywanie w wyniku naprężeń powodowanych lokalnymi zmianami
swojej temperatury niż na ściskanie, stąd uszkodzenie warystora obserwuje się w postaci pękania jego struktury i wyraźnie widocznych kanałów (ścieżek) przez które
płynął dominujący prąd.
Opisane procesy starzenia powodują pogorszenie się właściwości charakterystyk
warystorów i wymagają sprawdzania poprawności ich działania w trakcie eksploatacji. Warto podkreślić, że konieczność kontroli jakości warystorów dotyczy także gotowych wyrobów, zarówno podczas ich kontroli jakościowej przed opuszczeniem producenta oraz przed samym montażem w chronionym układzie. Stąd, oba
przypadki pozwalają na stosowanie po części identycznych metod pomiarowych
i urządzeń, zalecanych odpowiednimi normami przemysłowymi które określają wymagania stawiane niskonapięciowym urządzeniom do ograniczania przepięć występujących w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia [5]. Istniejące normy oceniają
wytrzymałość ogranicznika napięcia na znormalizowane udary:
• prądowy o umownym czasie trwania czoła 8 μs i czasie do półszczytu 20 μs,
• napięciowy, którego umowny czas czoła (narastanie od 10% do 90% wartości
szczytowej) wynosi 1,2 μs, a czas do półszczytu 50 μs,
• kombinowany, stanowiący połączenie dwóch ww. udarów.
Nr 177
49
Instalacje elektryczne
4. Metody testowania jakości
4.1. Testowanie podczas produkcji
Podczas produkcji, tworzony wyrób można testować w jego poszczególnych fazach wytwarzania. Dzięki temu można eliminować wadliwie wykonane elementy
już we wstępnych fazach produkcji oszczędzając na kosztach ich dalszego, zbędnego
przetwarzania. Taką możliwość
daje metoda oceny struktur ZnO
już po fazie wypalenia w piecu.
Znane są metody, które pozwalają
oceniać parametry takich struktur, jeszcze przed napyleniem na
ich powierzchnie warstwy metalu. Istotną, ze względu na potencjalnie praktyczne możliwości
jest metoda wykorzystująca spektroskopię rezonansową [6]. W tej Rys. 5. Zdjęcie zainstalowanego warystorowego ogrametodzie badany obiekt wibru- nicznika przepięć (ASA-A firmy Apator) w sieci niskiego
je pod wpływem przyłożonego napięcia [4]
czujnika piezoelektrycznego, do którego dołączono generator, pracujący w zakresie
częstotliwości ultradźwiękowych. Za pomocą drugiego czujnika piezoelektrycznego (rys. 6) mierzy się intensywność tych drgań. W krążku ZnO powstają drgania
o częstotliwościach odpowiadających częstotliwościom rezonansowym jego drgań
własnych (rys. 7). Zmieniając częstotliwość generatora można wykryć wartości
tych częstotliwości, które zależą od wymiarów obiektu, jego kształtu oraz od stałych elastyczności materiału z jakiego wykonano
krążek ZnO. Ponieważ jakość warystora zależy
od rodzaju ziaren ZnO, to stąd badając zmiany
występowania częstotliwości rezonansowych
można oceniać jego jakość metodą nie wymagającą stosowania wysokich napięć lub prądów [7].
Ponadto, ta metoda nie wymaga wykonania metalowych kontaktów na powierzchni ZnO.
Inną metodą, jaką można stosować do oceny
jakości struktur ZnO jest metoda wykorzystująca
pomiar trzeciej harmonicznej [3]. Metoda polega
na ocenie jakości warystora na podstawie zawarRys. 6. Sposób zamocowania krążka ZnO w obudowie
metalowej wyłożonej we wnętrzu korkiem; dolny czujnik piezoelektryczny pobudza krążek do drgań, a górny
bada intensywność tych drgań przenoszonych przez badany krążek
50
Instalacje elektryczne
tości trzeciej harmonicznej przy polaryzacji napięciem o względnie małej wartości
rzędu 100 V, co stanowi istotną zaletę tej metody. W trakcie pomiarów warystor
o impedancji Z v jest pobudzany napięciem harmonicznym o zadanej częstotliwości
fo . Zawartość trzeciej harmonicznej mierzy się jako napięcie na rezystancji obciążenia miernika R L , dołączonej równolegle do warystora przez filtr górnoprzepustowy
tłumiący składową pobudzającą o częstotliwości fo . Nieliniowa charakterystyka warystora w zakresie niskich napięć jest odpowiedzialna za poziom tej harmonicznej.
100
Amplitude [a.u.]
80
60
40
20
0
150
170
190
210
230
250
Frequency [kHz]
270
290
Rys. 7. Przykładowy rozkład amplitud rezonansów występujących w krążku ZnO stosowanym
do produkcji warystorów dla napięcia 280 V
8
fc=10 kHz
Z30kHz=
UIsin(2πf0 t)
f0=10kHz
HP-filter
ZV
fc=30 kHz
Z10kHz=
8
LP-filter
U3sin(2π3f0 t)
3f0=30kHz
RL
Um
30kHz
Rys. 8. Układ do pomiaru trzeciej harmonicznej testowanego warystora o impedancji Z v
Dobre egzemplarze warystorów, przygotowanych do redukcji przepięć przy napięciach powyżej 280 V, gdy są badane przy napięciu 100 V to znajdują się w obszarze swojej charakterystyki prądowo-napięciowej daleko od obszaru przebicia (rys. 1).
W przypadku egzemplarzy o dużym prądzie upływu, obszar przebicia leży w zakresie
niższych napięć niż dla wysokich jakościowo egzemplarzy. Stąd, przy podanej polaryzacji 100 V dobre egzemplarze charakteryzują się mniejszą zawartością trzeciej
harmonicznej niż egzemplarze w których strukturach występują nadmiernie często
ziarna ze złączami charakteryzowanymi niską nieliniowością lub tylko liniowymi.
Przedstawiony w pracy pomiar trzeciej harmonicznej może być stosowany także
do oceny jakości warystorów podczas ich eksploatacji. Należy podkreślić, że ta metoda nie wymaga stosowania bardzo wysokich napięć, a prąd płynący przez warystor
jest na poziomie μA. Gotowe produkty, przed opuszczeniem fabryki, podlegają testowaniu w formie badania wybranego punktu charakterystyki prądowo-napięciowej
oraz odporności na przewodzenie znormalizowanego udaru prądowego.
Nr 177
51
Instalacje elektryczne
4.2. Testowanie podczas eksploatacji
Warystory stosowane w liniach niskiego napięcia podlegają normie, określającej
jak należy badać, czy warystor spełnia założone wymagania [5]. Testowanie skuteczności działania warystorów odbywa się przez pomiar ich charakterystyk stałoprądowych lub przez badanie skuteczności tłumienia znormalizowanych impulsów
(zwykle o czasie trwania 8/20 μs, wg. wcześniej opisanego kształtu). Pomiar charakterystyki warystora do celów oceny skuteczności jego działania można dokonać
w układzie z rys. 9, gdy warystory są przeznaczony do pracy w układach o napięciach
URMS do 300 V. Rezystor R1, po załączeniu przełącznika S1 stanowi wraz ze źródłem
napięcia E1 źródło prądu o wydajności do kilku mA. Gdy przełącznik S2 jest w pozycji I, to napięcie na R1 pozwala określić prąd płynący przez warystor. Wartość
E1 należy ustalić tak, aby przez R1 płynął prąd 1 mA, co odpowiada napięciu mierzonemu na R1 w położeniu I przełącznika S2 jako równego 100 V. Przy położeniu
przełącznika S2 w pozycji V można określić wartość napięcia E1, jaka spowodowała
przepływ prądu 1 mA przez warystor. W przypadku pomiarów produkcyjnych, należy stosować czas pomiaru rzędu 20 ms, celem ustalenia się wartości prądu i napięcia
polaryzującego testowany warystor. Innym stosowanym testem jest pomiar prądu
płynącego przy ustalonym stałym napięciu polaryzującym warystor. Taki pomiar
odbywa się przy załączonym przełączniku S1, przełączniku S2 w pozycji ID oraz S2
w pozycji I. Woltomierz mierzy napięcie [V] na R2 odpowiadające prądowi [mA]
płynącemu przez warystor.
S1
E1
R1
100kΩ
VN
S3
R2
1kΩ
ID
V
I
V
S2
Rys. 9. Układ do pomiaru spadku napięcia lub prądu płynącego przez testowany warystor [8]
Drugim rodzajem testów jakim są poddawane warystory, jest testowanie ich
zdolności tłumienia przepięć powodowanych przepływem impulsu prądowego
o ustalonym czasie trwania, zwykle 8/20 μs, oraz wartości szczytowej. W tym teście
mierzy się wartość szczytową napięcia, jakie pojawi się na warystorze pod wpływem
pobudzającego impulsu prądowego. Przykładowe wyniki takiego testu obserwowane na ekranie oscyloskopu dla warystora typu V130LA10A pobudzonego impulsem
prądowym 8/20 μs o wartości szczytowej 50 A przedstawiono na rys. 10 [8]. W wyniku opisanego pobudzenia, na zaciskach warystora zaobserwowano impuls o wartości szczytowej napięcia równym 315 V. Takie pomiary można wykonać stosując
specjalizowany generator impulsów lub zbudować samodzielnie układ za pomocą
52
Instalacje elektryczne
źródła napięcia stałego, kondensatora ładowanego z tego źródła oraz układu RLC
o odpowiednio dobranych stałych czasowych, aby uzyskać pożądany kształt i czas
trwania impulsu 8/20 μs.
5. Podsumowanie
W pracy przedstawiono właściwości opisujące warystory wykonane z tlenku cynku i stosowane do ochrony przepięciowej w sieciach niskiego napięcia. Przybliżono
sposób ich działania, budowę mikroskopową oraz procesy odpowiedzialne za ich
działanie i starzenie się.
Podano sposoby testowania skuteczności działania warystorów zarówno podczas
ich wytwarzania oraz w trakcie eksploatacji, przytaczając przykładowe stosowane
układy pomiarowe, do oceny charakterystyki stałoprądowej oraz zdolności tłumienia impulsów prądowych o ustalonym kształcie.
500mV
500mV
10μs
10A/DIV
100V/DIV
0
10μs/DIV
Rys. 10. Oscylogram pobudzenia prądowego 8/20 μs o wartości szczytowej prądu 50 A jakiemu
został poddany warystor V130LA10A oraz zarejestrowany przebieg napięcia na jego zaciskach [8]
S1
S2
L
R2
Testowany
warystor
E1
C
R1
OSCYLOSKOP
V
COM
I
R3
Rys. 11. Układ do generowania impulsów prądowych oraz testowania odpowiedzi warystora [8]
Nr 177
53
Instalacje elektryczne
6. Bibliografia
1 Chrzan K. L.: Wysokonapięciowe ograniczniki przepięć. Wrocław, Dolnośląskie
Wydawnictwo Edukacyjne.
2 Bartkowiak M., Comber M. G., Mahan G. D.: Failure modes and energy absorption capability of ZnO varistors. IEEE Trans. On Power Delivery, Jan.
1999, pp. 152–161.
3 Hasse L., Smulko J.: Quality assessment of high voltage varistors by third harmonic index. Metrology and Measurement Systems, Vol. XL, No. 1, 2008, pp
23–31.
4 Aleksy M.: Ochrona przepięciowa. Ograniczniki przepięć niskiego napięcia ASA-A firmy Apator. Elektrosystemy, 9 (68), wrzesień 2005.
5 Norma przemysłowa: PN-EN 61643-11 :2006/ A11:2007. Niskonapięciowe
urządzenia do ograniczania przepięć. Kwiecień 2006.
6 Migliori A., Sarrao J. L.: Resonant Ultrasound Spectroscopy. Wiley, 1997.
7 Hasse L., Kiwilszo M., Smulko J., Stepinski T.: Quality Assessment of Varistor
ZnO Structures by Resonant Ultrasound Spectroscopy. Przyjęty do publikacji
w Insight Journal.
8 Application note: varistor testing AN9773, January 1998. Dostępne w sieci Internet pod adresem: www.littelfuse.com/data/en/Application_ Notes/an9773.pdf.
Przedruk z e-pisma naukowo-technicznego dla praktyków
Automatyka, Elektryka, Zakłócenia nr 10/2012
54