182825. lajstromszámú szabadalom • Eljárás túlfeszültségvédelemre szolgáló nemlineáris ellenállás előállítására, különösen hálózatvédelmi célokra
1 182 825 2 A találmány tárgya eljárás túlfeszültségvédelemre szolgáló nemlineáris ellenállás előállítására, különösen hálózatvédelmi célokra. A villamos berendezések és hálózatok üzemeltetésénél különféle túlfeszültségvédelmi eszközöket alkalmaznak. A szigetelések védelme, valamint a zavarmentes működés biztosítása elengedhetetlen követelmény egyre több területen. Ismert túlfeszültségvédelmi eszköz a védőszikraköz, oltócső, szilíciumkarbid nemlineáris ellenállás, valamint az ezzel ellátott, szikraközrendszerrel épített túlfeszültséglevezető készülék. Ezen túlfeszültségvédelmi eszközöket általában a védendő berendezés elé párhuzamosan építik, lehetőség szerint egyik kivezetését földelve, vágy a védendő részt áthidalva. Az ismert túlfeszültségvédelmi eszközök azonban viszonylag szűk határok közt használhatók. Azok, amelyek valamilyen szelepes választóelemet is tartalmaznak (szikraközt), annak átütési feszültségértékéig, az ún. megszólalási feszültségig nem védenek. Biztosítják azonban, hogy az üzemi feszültségszinten szivárgóáram ne terhelje a hálózatot. Azoknál, amelyeknél ilyen választóelemet nem alkalmaznak, csupán pl. az ismert szilíciumkarbid alapanyagú nemlineáris ellenállást, szivárgóáram terheléssel kell számolni. A SiC szemcsék méretétől, valamint a kötési rendszertől függően a nemlinearitás maximuma mint ismeretes, mindössze log‘a-log Ii log U2 -logUj Túlfeszültségvédelemben ismeretes a különböző fémoxidkeverékből préselt nemlineáris ellenállás is, mely nagy a értéke miatt nem igényel külön választóelemet. Alapanyaga általában cinkoxid (ZnO). Adalékanyagként különféle fémoxidokkal vegyítik: MgO, Bi2 03, CoO, MnO, Sb203. Keverés után nagy nyomással formára préselik, és magas hőmérsékleten kiégetik. Égetés után megfelelő villamos érintkezőréteggel, vagy a beépítésre alkalmas kivezetésekkel ellátják. Szükség esetén további villamos szigetelőréteggel vonják be. Ilyen eljárást ismertetnek pl. a 1358482, 1421387 és 1493886 sz. angol szabadalmi leírások. A védendő berendezés üzemi feszültségétől, valamint a várható túlfeszültség nagyságától és energia tartalmától függően több soros és párhuzamos egységet is lehet alkalmazni. A választóelem nélküli fémoxid alapanyagú nemlineáris ellenállással szemben is követelmény, hogy megbízható túlfeszültségvédelmi eszköz legyen. A névleges feszültségen hosszú ideig (20 évig) tartósan üzemeltethető legyen a termikus megfutás veszélye nélkül. Továbbá értékálló villamos paraméterekkel rendelkezzék, különös tekintettel a védelmi jellemzőkre. Impulzusszilárdsága a hagyományos túlfeszültségvédelmi eszközökével azonos legyen, működés után az üzemi feszültség mellett átfolyó szivárgási áram álljon vissza a működés előtti értékre. Vagyis üzemi feszültségen a nemlineáris ellenállást a termikus megfutás veszélyének elkerülése végett ajánlatos 106 —109 Ohm nagyságrendűre választani. A kapocsfeszültség növekedésével fordított arányban I = K • U“ összefüggés szerint az a tényező által meghatározott mértékben rohamosan csökkenő ohmértékkel kell rendelkeznie az ellenállásnak. A feszültségemelkedés megszűnése után az üzemi feszültség visszaálltával késedelem nélkül az eredeti nagy Ohm értékre kell visszaállnia az ellenállásnak. A nemlineáris ellenállások fizikájából ismerten akkor biztosíthatók a fenti igények, ha az alapanyaghoz úgy kötődnek az ún. „szennyezőanyagok”, adott esetben a különféle fémoxidok, hogy az alapanyag, vegyérték és vezetési sávja között a vezetési sávhoz közeleső donornívót befolyásolják, biztosítva a nagy nemlinearitást. A találmány célja olyan eljárás, melynek alkalmazásával előállított fémoxid alapanyagú ellenállás fokozott kapcsolási hullámállóság mellett az előbbi igényeknek eleget tud tenni. Vagyis üzemi feszültségen hosszú ideig a termikus megfutás veszélye nélkül üzemeltethető választóelem nélkül, a működési feszültségen késedelem nélkül (10 ns-on belül) igen nagy energiák levezetésére alkalmas, majd a zavar (túlfeszültség) elhárítása után a visszatért üzemi feszültségen az eredeti paraméterekkel üzemel. Ugyanakkor kapcsolási hullámállósága meghaladja az ismert elemek paramétereit. Vizsgálataink során arra a megállapításra jutottunk, hogy az ellenállás alapanyagként alkalmazott cinkoxid szemcsék mérete, azok felületét bevonó adalékoxidok összetétele és a cinkoxid szemcsékhez viszonyított mérete, a préselési és zsugorítási technológia együttesen határozza meg a villamos igénybevehetőség és értékállóság mértékét. A nemlineáris ellenállás ugyanis olyan szilárdfázisú reakcióban képződik, melynek menetét döntően befolyásolja a hőkezelési eljárás, és a rendszerben alkalmazott szabad oxigén mennyisége. Alapvető felismerésünk szerint az 1 pm-nél kisebb szemcseméretű analitikai tisztaságú ZnO alapanyaghoz adalékolt fémoxidokkal (Bi203, MnO, CoO, Sb203...) homogenizált keveréket két lépcsőben kell hőkezelni. Az első lépcső (kalcinálás) során legalább 50 pm, de legfeljebb 200 pm szemcseméretű gömbalakú félvezető szemcsehalmazok keletkeznek. A szemcsehalmazok legalább 10 pm, de legfeljebb 30 pm-es bevonattal rendelkező elemi félvezető szemcsékből állnak. Kísérleteink szerint az első hőkezelés során eredeti térfogatának közel felére zsugorodott, nagyméretű félvezető szemcsehalmaz nyomásátadása a préselés során egyenletesebb, mint a 10 pm alatti szemcsékből álló, kiinduló homogenizált anyagkeveréknek. Úgy találtuk továbbá, hogy a kemence atmoszféra oxigéntartalmának növelésével jelentősen lehet növelni az ún. varistorfeszültség értékét (1 mA átfolyó áram mellett mért feszültséget). Az ilymódon előkészített présporból kétoldali, legfeljebb 4,50 • 101 Pa, de legalább 1,50 • 107 Pa nyomással célszerűen hengeres alaktestet préselünk. Az előállítani kívánt nemlineáris ellenállás villamos paramétereit ugyanis az első hőkezelés során kialakított félvezető szemcsék U = f(I) függvényében a hengeres alaktest átmérőjével és magasságával állíthatjuk be. Az értékálló villamos paraméterek biztosítása érdekében végzett 1300 °K, de legfeljebb 1650 °K-os második hőkezelés (szinterelés) során a félvezető szemcsék egymással határfelületükön összeolvadnak, és így az alkalmazott hőfoktól és égetési időtartamtól függő zsugorodás mértékének megfelelő villamos ellenállással és stabilitással rendelkező nemlineáris ellenállás jön létre. Az első hőkezelés hőfokától és a hőntartási időtől függ a kialakult elemi félvezető szemcsék, ill. szemcsehalmazok mérete. Az adalékolt fémoxidoktól, és azoknak 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
