Charakterystyka prądowo-napięciowa

Charakterystyka prądowo-napięciowa warystorów tlenkowych określona jest następującą zależnością:

I = kU (1)

w której :
I - prąd płynący przez warystor
U - napięcie na warystorze
- współczynnik nieliniowości
k - stały współczynnik zależny od wymiarów warystora i własności materiałowych.

Wartość współczynnika a określają współrzędne dwóch punktów leżących na charakterystyce prądowo-napięciowej warystora zgodnie z zależnością

(2)

w której:
I₁,I₂ - wartości prądów płynących przez warystor,
U_l,U₂ - spadki napięcia na warystorze odpowiadające prądom I_l i I₂.

Współczynnik a ma w tak zwanym zakresie działania warystora praktycznie stałą wartość. Zakres działania warystora zawiera się w granicach od 10^-5 do 10²A, a nawet 10³A. Współczynnik warystorów tlenkowych osiąga wartość powyżej 25. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystorów tlenkowych przedstawiana jest gra-ficznie w skali logarytmicznej. W zakresie działania warystora jest ona linią pro-stą. Z przebiegu tej charakterystyki wynika, że spadek napięcia na warystorze w pew-nym zakresie prądu nie może przekroczyć określonego poziomu. Charakterystykę prądowo-napięciową warystora VP275LA25 przedstawiono na rys.1. Poniżej i powyżej zakresu działania występują odchylenia charakterystyki od linii prostej. W dolnym zakresie charakterystyki rezystancja warystorów tlenkowych jest rzędu dziesiątków M, a przy ekstremalnie dużych prądach zawiera się w granicach od 0,1 do l w zależności od typu warystora.
Rys.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora VP275LA25

Rezystancja warystora w zakresie jego działania określona jest zależnością
(3)
Wartość rezystancji samego warystora tlenkowego, to znaczy samego elementu cera-micznego, jest w dolnym zakresie charakterystyki bardzo duża. O wartości prądu pły-nącego przez warystor w tym zakresie decyduje głównie rezystancja jego izolacji. Dlatego należy się liczyć z zależnością tego prądu od temperatury.

Pojemność warystorów tlenkowych

Warystory tlenkowe mają stosunkowo dużą pojemność. Jest to, z punktu widzenia ochrony przepięciowej, cecha bardzo korzystna. Pojemność własna warystora łagodzi stromość przebiegów przepięciowych, co poprawia skuteczność jego działania. Wpływ częstotliwości na pojemność warystorów w granicach do 100 kHz nie przekracza 10% i może być pominięty.

Czas działania warystorów tlenkowych

Czas działania warystorów tlenkowych, czyli czas przechodzenia ze stanu nieprze-wodzenia w stan przewodzenia, jest bardzo krótki, leży w granicach pikosekund. O rzeczywistym czasie działania warystora, umieszczonego w określonym układzie, decy-duje indukcyjność przewodów łączących. Ten czas jest rzędu pojedynczych nanosekund.

Najwyższe trwałe napięcie warystora V_rms i V_dc

Najwyższe trwałe napięcie warystora podawane jest dla napięć przemiennych w wartościach skutecznych i oznaczone jest symbolem V_rms, a dla napięć stałych symbolem V_dc. Oznacza ono najwyższą wartość napięcia, która może być doprowadzona do warysto-ra w sposób trwały. Napięcia wyższe od najwyższego trwale dopuszczalnego mogą być doprowadzone do warystora tylko krótkotrwale. Długotrwałe przekroczenie najwyższe go trwale dopuszczalnego napięcia warystora może spowodować jego uszkodzenie. Przy nieznacznych przekroczeniach tego napięcia warystor może zmienić swoją charakterystykę, natomiast przy większych wartościach przechodzi w sposób trwały w stan przewodzenia i ulega zniszczeniu. Jeśli warystor pracuje w sposób ciągły przy napięciu nie przekraczającym najwyż-szego trwale dopuszczalnego napięcia, to wydzielana w nim moc leży znacznie poniżej jego najwyższej mocy dopuszczalnej.

Napięcie znamionowe (napięcie warystorowe) V_V

Napięcie znamionowe, zwane również napięciem warystorowym, jest równe spadkowi napięcia na warystorze podczas przepływu przez niego prądu o natężeniu 1mA, w temperaturze otoczenia 25^oC. Wartość 1mA nie ma jakiegoś szczególnego znaczenia, została przyjęta w celu ujednolicenia sposobu określania parametrów warystorów tlenkowych. Tolerancje parametrów warystorów odnoszone są do napięcia znamionowego.

Najwyższy dopuszczalny udar prądowy i_max(8/20s)

Najwyższy pojedynczy udar prądowy I_tm równy jest szczytowej wartości znormalizowanego udaru prądowego 8/20s, która nie powoduje zmiany napięcia znamionowego o więcej niż 10%. Oprócz wartości najwyższego dopuszczalnego pojedynczego impulsu i_max(8/20s) podaje się dla warystorów tlenkowych dopuszczalne ilości prostokątnych im-pulsów prądowych o określonej wartości szczytowej i określonym czasie trwania, które nie powodują zmiany napięcia znamionowego o więcej niż 10%. Możliwość obciążania warystora określoną liczbą impulsów o określonych parametrach dla całego łącznego czasu użytkowania jest typową właściwością warystorów i nazywana jest "deratingefekt" (derating obniżanie wartości znamionowych). Zależność największej dopuszczalnej wartości udarów prądowych od ich liczby i czasu trwania podawana jest graficznie w postaci rodziny charakterystyk lub tabelarycznie.

Największa dopuszczalna energia W_max

Największa dopuszczalna energia pojedynczego impulsu W_max jest to energia impulsu prądowego o kształcie l0/1000s, lub impulsu prostokątnego o czasie trwania 2_ms, która nie powoduje zmiany napięcia znamionowego o więcej niż 10%. Udary o kształcie l0/1000s występują przy rozładowywaniu energii elektromagnetycznej silników i transfomatorów. Energia absorbowana przez warystor w czasie D_t=t₂-t_l określona jest zależnością
(4)

w której:
u(t)- chwilowa wartość napięcia na warystorze,
i(t)- chwilowa wartość prądu płynącego przez warystor.

Energia absorbowana przez warystor podczas przepływu przez niego najwyższego dopuszczalnego pojedynczego impulsu może być obliczona z zależności (4). Takie obliczenie jest jednak uciążliwe. Energia pojedynczego impulsu może być prościej obliczona z zależności
W_i=U_mI_mt_i (5)

w której :
U_m - największa wartość napięcia na wa rystorze podczas przepływu udaru prądowego o wartości I_m
I_m - największa wartość prądu podczas udaru prądowego
t_i - czas trwania impulsu ekwiwalentnego.

Czas t_i może być obliczony z zależności

(6)

w której t_r jest rzeczywistym czasem trwania impulsu.

Czas t_i jest równy szerokości impulsu prostokątnego. Wysokość ekwiwalentnego impulsu prostokątnego jest równa wartości prądu I_m. Powierzchnia tego impulsu jest równa powierzchni impulsu rzeczywistego. Sposób tworzenia prostokątnych impulsów zastępczych ilustruje rysunek 3.


Rys.2. Ekwiwalentny impuls prostokątny

Największa dopuszczalna średnia moc warystora P_max

Określenie ,największa dopuszczalna średnia moc wydzielona w warystorze przez impulsy okresowe, oznacza taką średnią moc wydzieloną przez te impulsy, która nie powoduje zmian parametrów warystora w dowolnie długim czasie. Moc ta oznaczona jest symbolem P_max. Moc wydzielona w warystorze przy napięciu przemiennym nie przekraczającym napięcia U_rsm leży co najmniej dwa rzędy wielkości poniżej mocy P_max. Jeśli warystor absorbuje energię okresowo, to wydzielona w nim średnia moc określona jest zależnością

(7)
w której :
W_i- energia pojedynczego impulsu
T - okres występowania impulsów.

Energia pojedynczego impulsu może być obliczona z zależności(4)lub(5).

Napięcie obniżone U_CL

Napięcie U_CL jest równe najwyższej wartości spadku napięcia na warystorze podczas udaru prądowego o określonej szczytowej wartości, oznaczonej symbolem I_CL. Wartość prądu I_CL zależy od typu warystora i jest dobierana nieco poniżej górnego zakresu pracy warystora. Napięcie U_CL oraz prąd I_CL podawane są w katalogach. Pozwalają one oszacować poziom ochrony zapewniany przez dany typ warystora.

Wpływ temperatury

Wzrost temperatury powoduje obniżenie napięcia warystorowego. Miarą wpływu temperatury na napięcie warystorowe jest współczynnik temperaturowy. Współczynnik temperaturowy warystorów określony jest zależnością:

(8)

przy czym:

(9)

D = - 25⁰C (10)

natomiast:

- aktualna temperatura warystora, V_v(J) - spadek napięcia na warystorze przy przepływie prądu o natężeniu 1mA w temperaturze .

Wartość współczynnika k spełnia nierówność

(11)

Oznacza to, że charakterystyka prądowo - napięciowa warystora przesuwa się wraz ze wzrostem temperatury o 20K, mniej niż o 1% w dół. Efektem wpływu temperatury na napięcie warystorowe jest obniżenie dopuszczalnych wartości udarów prądu i energii w funkcji temperatury.

Tolerancja

Tolerancje odnoszą się do napięcia warystorowego w temperaturze otoczenia 25oC. Warystory firmy PELELECTRIC wykonywane są w paśmie tolerancji 10%.

Łączenie warystorów

Warystory tlenkowe mogą być łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle. W wyniku łączenia szeregowego najwyższe dopuszczalne napięcie jest równe sumie najwyższych dopuszczalnych napięć poszczególnych elementów. Uzasadnione jest łączenie szeregowe warystorów tlenkowych o tych samych średnicach. Równolegle mogą być łączone jedynie warystory specjalnie selekcjonowane, o bardzo zbliżonych charakterystykach. W przypadku równoległego połączenia warystorów o niedopasowanych charakterystykach, ich obciążenie rozkłada się nierównomiernie. W związku z tym jeden z elementów może przejmować praktycznie całe obciążenie.

Możliwości uszkodzenia warystorów

Warystory tlenkowe mogą zostać uszkodzone przez zbyt duży udar prądowy, lub zbyt duże trwałe obciążenie. Podczas udaru prądowego, znacznie przekraczającego najwyższy dopuszczalny dla danego warystora udar prądowy, następuje zazwyczaj pęknięcie warystora i przerwanie obwodu prądowego, lub zwarcie. W warystorach w osłonie epoksydowej może nastąpić rozerwanie tej osłony. Trwałe umiarkowane przeciążenie warystora może spowodować zmniejszenie się jego rezystancji i w efekcie wzrost temperatury i odlutowanie elektrod. Wskutek nieznacznego przekroczenia wartości największych dopuszczalnych udarów prądowych lub ich liczby warystor może zmienić swoją charakterystykę powyżej dopuszczalnych tolerancji.

Wykonania specjalne

1. Warystory wielokrotne
Poza zwykłymi pojedynczymi warystorami firma PELELECTRIC oferuje również tak zwane warystory wielokrotne. Składają się one z dwóch lub trzech szeregowo połączonych warystorów o takich samych średnicach. W taki sposób mogą być łączone warystory o jednakowych lub różnych napięciach. Stwarza to możliwości znacznego rozsze-rzenia zakresu oferowanego asortymentu.

2. Trójfazowe ograniczniki przeciwprzepięciowe
Trójfazowe ograniczniki przeciw-przepięciowe składają się z trzech pojedynczych lub wielokrotnch warystorów połączonych w trójkąt. Są one przystosowane do zamontowania na potencjale jednej z faz. Znamionowe napięcia ograniczników mogą odpowiadać napięciom znamionowym warystorów pojedynczych lub wielokrotnych. Trójfazowe ograniczniki przeciwprzepięciowe stosowane są do ochrony silników przed skutkami przepięć łączeniowych.

3. Ograniczniki przeciwprzepięciowe (surge limiters)
Oferowane są wysokonapięciowe ograniczniki przepięć typu OPW-6, przeznaczone do ochrony silników o napięciu znamionowym 6 kV od skutków przepięć łączeniowych. Ograniczniki te mogą być włączone na napięcia międzyprzewodowe w sieciach o napięciu znamionowym 6 kV.

Oznaczenia warystorów tlenkowych firmy PELELECTRIC

Oznaczenie typu warystora tlenkowego składa się z symboli literowych i cyfrowych, np. VP275L14. Znaczenie poszczególnych elementów tego oznaczenia jest następujące:

VP - warystor tlenkowy
275- skuteczna wartość najwyższego trwałego napięcia przemiennego warystora (napięcie robocze) - V_rsm
L - symbol serii
14 - średnica warystora. Wymiar ten dotyczy samego spieku ceramicznego i nie uwzględnia grubości osłony epoksydowej lub powłoki lakieru izolacyjnego.

Warystory tlenkowe wielokrotne oznaczane są w taki sam sposób jak wartstory pojedyn-cze, jedynie na końcu oznaczenia dodawany jest symbol x2 w odniesieniu do warystorów wielokrotnych składających się z dwóch elementów, oraz x3 w odniesieniu do warysto-rów, składających się z trzech elementów, np. VP1875PA25x3.

Trójfazowe ograniczniki warystorowe oznaczone są tak jak warystory pojedyncze lub wielokrotne, lecz symbol serii zastąpiony jest w tym wypadku symbolem , np. VP187525x3.