اصول کار واریستور

مقدمه :

برقگیرها بایستی قادر به حفاظت از تجهیزات برقی در مقابل تخریب صاعقه باشند، از طرف دیگر نبایستی در اثر بروز اشکالاتی در شبکه (مثل کلیدزنی، یا اتصال فاز با زمین و…) بی جا عمل نموده یا صدمه ببینند. در هر حال انتخاب باید جامع الشرایط بوده، همچنین صرفه اقتصادی نیز مورد توجه قرار گیرد. در این فصل علاوه بر تحلیل اصول کار و ساختمان برقگیرها اکسید فلزی (MOV) و مقایسه آنها با نوع متداول سیلیکون کار(Sic)  باید پارامترهای مهم در برقگیر و نحوه انتخاب آن مورد تحلیل قرار گیرد.

۱ـ انواع برقگیر :

برقگیر میله ای :

یکی از قدیمی ترین و در عین حال ساده ترین و ارزانترین برقگیرها که استفاده می شده و امروزه نیز بخوبی استفاده میشود برقگیر میله ای است این برقگیر عبارت است از دو میله نوک تیز که یکی در قسمت برقدار و دیگری در زیر ایزولاتور یا بدنه نصب می شود و فاصله آنها متناسب با ولتاژ و زمان اعمال ولتاژ روی سیستم تنظیم می شود. اصولاً این فاصله را طوری تنظیم می کنند که در مقابل ولتاژ حداکثر سیستم پایدار بوده و فقط در برابر ولتاژهای زیاد تخلیه الکتریکی صورت گیرد. این نوع برقگیر دارای دو مشکل است :

۱ـ پس ازگذر موج سیار جرقه پاک نمی شود و تا پایان نیم سیکل و قطع ولتاژ ادامه پیدا کرده و خط را اتصال کوتاه می نماید. در نتیجه پس از هر بار جرقه، شبکه بایستی بی برق شده و مجدداً برقدار گردد.

۲ـ از آنجایی که همیشه در فاصله هوایی جرقه با تاخیر واقع می شود، اضافه ولتاژی در فاصله هوایی ظاهر می گردد.

۲ـ برقگیر با فاصله هوایی و با مقاومت غیر خطی (Silicon carbide)

در این برقگیرها تعدادی قرص sic روی هم قرار گرفته و تعدادی فاصله هوایی نیز با قرصها سری می گردد در حالت کار عادی سیستم از عبور جریان الکتریکی به داخل برقگیر جلوگیری می کنند ولی چنانچه ولتاژ سیستم به عللی بالا رود فواصل هوایی هادی شده و جریان الکتریکی را عبور می‌دهند. عبور جریان از مقاومت غیر خطی میزان افت ولتا‌ژدو سر برقگیر و در نهایت دو سر سیستم را مشخص می نماید. در شکل زیر مدل الکتریکی برقگیر نشان داده شده است.

اصول عملکرد غیر خطی بودن مقاومت در مواد Sic به این ترتیب است که در مدت زمان هدایت ضربه، انرژی زیاد ضربه موجب حرارت شدید در مرز دانه های ماده sic شده  و این باعث کاهش مقاومت می گردد  و اجازه می دهد که موج ضربه با عبور از حداقل مقاومت وارد زمین شود، پس از گذر موج ضربه توده، بلوک sic مرز دانه ها را به سرعت خنک کرده و باعث افزایش سریع مقاومت بلوک می شود این افزایش در مقاومت، دامنه جریان متناوب شبکه را که متعاقب موج ضربه عبور می کند به چند صد آمپر تقلیل می دهد . فاصله هوایی به شکلی طراحی می شود که در اولین گذر جریان از صفر، جریان را قطع نماید. فاصله هوائی و بلوک به گونه ای عمل نمایند که عملکرد فعالی حاصل شود.

در نوع مدرنتر برقگیرهای sic برای کاهش تلفات در برقگیرها که منجر به افزایش عمر و قابلیت اطمینان و تحمل بیشتر انرژی می گردد، از روشهای مغناطیسی برای خاموش کردن جرقه در فاصله هوایی پس از گذر موج و در نتیجه قطع جریان متعاقب موج استفاده می شود.

برقگیر sic با خاموش کن مغناطیسی، سه برابر بیشتر از نوع معمولی قابلیت تحمل انرژی را دارا می باشد. زیرا تلفات جریان متعاقب موج به حداقل مقدا خود می رسد.

نقش کویلها خیلی مهم است به طوری که اگر کویل ها نباشند برقگیرها منفجر شده زیرا که کویلها باعث ایجاد قوس زیاد می شوند.البته برقگیرها دارای یک دریچه اطمینان می باشند که در جلوتر در مورد آن توضیح داده شده است.

معایب و اشکالات موجود در برقگیرهای با فاصله هوایی:

معایب و اشکالات موجود در برقگیرهای با فاصله هوایی که در برقگیرهای غیر خطی بدون فاصله هوایی مشاهده نمی شود، عبارتند از :

۱ـ متغیر بودن ولتاژ بروز قوس طبق منحنی ولت ـ آمپر بروز قوس برقگیر، برقراری جریان تخلیه در برقگیرهای غیر خطی مستلزم بروز قوس در فواصل هوایی خواهد بود. ولتاژ بروز قوس فواصل هوایی ثابت نبوده، تغییراتی را تحت تاثیر محیط خواهد داشت. در صورت بروز قوسهای متوالی با فاصله زمانی کم ناشی از ظهور اضافه ولتاژهای متوالی، ولتاژ بروز قوس، کاهش می یابد .

۲ـ پیش بینی جهت ارائه ولتاژ بروز قوس مشخص و ثابت از طریق نصب مقاومتها و خازنهای موازی با فواصل هوایی

۳ـ تغییرات منحنی ولت ـ آمپر، مقاومت غیر خطی تحت تاثیر حرارت حاصل از بروز قوس تخلیه در هنگام ظهور اضافه ولتاژهای به صورت متوالی، تغییر منحنی مقاومت غیر خطی موجب می شود تا سطح محافظت ارائه شده کاهش یابد.

۴ـ افت انرژی قابل ملاحظه در فاصله زمانی برقراری جریان فرکانس ۵۰ باقیمانده .

۵ـ پیش بینی اضافه برای خفه شدن قوس، همزمان با تبدیل جریان تخلیه موجی جریان فرکانس ۵۰، از جمله نصب سیم پیچهای ایجاد میدان مغناطیسی و غیره.

۶ـ دشواری در انتخاب برقگیر والمانهای مربوط به آن

۷ـ وزن و ابعاد برقگیر که نسبت به برقگیرهای ZNO بیشتر می باشد.

۸ـ دشواری استفاده برقگیر در محفظه بسته، تجهیزات فشار قوی، بعلت بروز قوس تخلیه در فواصل هوایی، استفاده از برقگیر در محفظه بسته تجهیزات فشار قوی، مجهز به ایزولاسیون داخلی غیر ممکن خواهد بود. با توجه به معایب ذکر شده در بالا از سال ۱۹۸۳ کارخانجات سازنده ژاپنی و سالهای بعد کارخانجات سازنده تجهیزات الکتریکی در آلمان، سوئد، آمریکا شروع به ساخت برقگیرهای بدون فاصله هوایی کردند.

۳ـ برقگیر بدون فاصله هوایی با مقاومت غیر خطی (MOV) (ZNO)

برقگیرهای غیر خطی عبارت از ستون مقاومت غیر خطی می باشند که در فاصله هوای فاز، زمین نصب شده، از یک انتها به هادیهای فاز و از انتهای دیگر به زمین وصل می باشند. بر خلاف برقگیرهای با فاصله هوایی هیچگونه فاصله هوایی به صورت فاصله ایزولاسیون بین ستون مقاومتهای غیر خطی و هادی تحت ولتاژ موجود نمی باشد. به همین علت ستون مقاومتهای غیر خطی در طی بهره برداری بطور دائم تحت ولتاژ فاز ـ زمین فرکانس ۵۰ و انواع اضافه ولتاژهای ظاهر شده در شبکه واقع بوده، و با ظهور اضافه ولتاژهای موجی، مقاومتهای غیر خطی در فاصله چند میکروثانیه تغییر ماهیت داده، از قابلیت هدایت الکتریکی قابل ملاحظه برخوردار شده، جریان از هادیهای فاز به زمین را تا حدود چندین کیلوآمپر برقرار می سازند. در اواسط دهه هفتاد در کشورهای شوروی و ژاپن ساخت محدود کننده های ولتاژ با استفاده از مقاومتهای غیر خطی ساخته و بصورت آزمایشی بکار برده شدند. این مقاومتها ترکیبی از اکسید روی  و اکسید سایر فلزات هستند لذا تحت عنوان برقگیرهای «اکسیدفلز» یا (Mov)Metal-Oxide Arrester نامیده می شوند و چون بیشتر مقدار اکسید فلز بکار برده شده در آنها اکسید روی می باشد با نام ZNO هم نامیده می شوند خاصیت غیر خطی منحنی ولت ـ آمپر و خاصیت خازنی طولی این برقگیرها موجب می شود تا مشخصه غیر خطی و محافظتی آنها نسبت به برقگیرهای با فاصله هوایی، بطور قابل ملاحظه بهبود یابد در شکل (۵) منحنی ولت ـ آمپر واریستور (ZNO) و مقاومت غیر خطی sicبکار برده شده در برقگیرهای با فاصله هوایی نشان داده شده است .

اصول کار برقگیرها MOV بدین شرح است. چنانچه در منحنی تغییرات مشخصه ولت ـ آمپر غیر خطی واریستور دیده می شود، در قبال ولتاژ سینوسی فرکانس ۵۰ فاز ـ زمین ، جریان برقرار شده در مقاومت ناچیز بوده در حدود چند صد میکروآمپر خواهد بود. بطوریکه برقگیر به مشابه ستون مقره ایزوله عمل کرده و جریان برقرار شده دراین ولتاژ بعنوان جریان نشتی موسوم است. با ظهور اضافه ولتاژهاو تغییرات شدت میدان الکتریکی واقع بر المانها، جریان برقرار شده بسرعت تا حدود  برابر افزایش می یابد، بطوریکه جریان برقرار شده در واریستورها را جریان موجی فازـ زمین تشکیل می دهد. با کاهش ولتاژموجی، جریان برقرار شده در برقگیر نیز بتدریج کاهش یافته و به جریان نشتی در قبال ولتاژ فرکانس ۵۰فازـ زمین تبدیل می شود. بدین ترتیب مقاومت ستون واریستورها در فاصله سریع بین چند صد کیلو اهم در شرایط عادی و چند اهم در قبال ولتاژ موجی متفاوت است. در شکل (۶) مدار معادل مقاومت غیر خطی نشان داده شده است. همانگونه که دیده می شود مدار معادل شامل مقاومت محدود و ثابت r سری با خازن c است.

مزایای برقگیرهای ZNOنسبت به برقگیرهای معمولی :

۱ـ سادگی طرح و نتیجه افزایش قابلیت اطمینان

۲ـ سطوح حفاظتی برقگیرهای ZNO بطور کامل معین بوده و حدوداً به میزان ۱۵% حفاظت تجهیزات را نسبت به برقگیرهای نوع مرسوم، بالا می برد.

۳ـ رفتار بهتر برقگیر در قبال آلودگی محیط

۴ـ ظرفیت جذب انرژی برقگیرهای ‌ZNO را می توان با افزایش تعداد ستونهای موازی آن زیاد کرد.

۵ـ کوچکتر بودن برقگیر از نظر ابعاد فیزیکی بدلیل حذف فواصل هوایی

۶ـ مشخصه ولت ـ آمپر به شدت غیر خطی

۷ـ ولتاژ هر میکرو واریستور مستقل از قطر هر دانه اکسید روی حدود ۵/۳ ولت است.

۸ـ در یک ارتفاع مشخص از  بلوک اکسید روی در صورت داشتن دانه های ریزتر، ولتاژ هدایت بالاتری خواهیم داشت.

۹ـ دو برابر کردن ارتفاع بلوک موجب دو برابر شدن ولتاژ باقیمانده آن می گردد (زیرا تعداد میکرو واریستورها سری شده دو برابر شده است)

۱۰ـ دو برابر کردن سطح مقطع بلوک موجب دو برابر شدن قابلیت عبور موج ضربه می گردد (زیرا تعداد میکروواریستورهای موازی شده یا تعداد مسیرهای موازی شده جریان دو برابر می شود)

۱۱ـ دو برابر شدن حجم بلوک موجب تقریباً دو برابر شدن قابلیت جذب انرژی می گردد (زیرا تعداد جذب کننده های انرژی دو برابر شده است)

۱۲ـ قابلیت سری و موازی شدن میکروواریستورها باعث بکار بردن آنها در قدرتهای خیلی زیاد گردیده است، در حالی که در نیمه هادی ها حرارت فقط در محل اتصال P-n تلف شده و از طرفی نیمه هادیها براحتی با یکدیگر سری و موازی نمی گردند.

۱۳ـ ابعاد هر ذره اکسید روی  بین ۱۰ تا ۱۰۰ میکرون متناسب با نوع طراحی انتخاب می‌گردد.

۱۴ـ واریستور در ولتاژ نامی، جریانی حدود ۱۰۰ میکروآمپر ازخود عبور می دهد . بنابراین نیازی به وجود فاصله هوایی جهت قطع عبور جریان از بلوکها در شرایط کار عادی نمی باشد.

۱۵ـ بعلت عدم وجود فاصله هوایی، تاخیر در پاسخ برقگیر به موجهای گذرا تقریباً صفر است (<25nsec)

۱۶ـ بعلت مشخصه واریستوری، جریان متعاقب (دنباله موج سیار) بسیار ناچیز می باشد (چند ده میکروآمپر در مقایسه با نوع sic که حدود ۵۰۰ آمپر می باشد) بنابراین تلفات انرژی روی بلوکهای اکسید روی بسیار کمتر از نوع sic بوده و نسبت قابلیت جذب انرژی بیشتری را دارند.

معایب استفاده از برقگیرهای ZNO:

۱ـ ایمپالس جریان زیاد و تلفات انرژی، بیش از حد قابل تحمل در عنصر ZNO موجب تخریب برقگیر می شود.

۲ـ اضافه بار دائمی باعث تخریب اتصال p-n بین دانه های اکسید روی شده در نتیجه موجب امتزاج دانه های منفصل اکسید روی می گردد. در نهایت مقاومت توده اکسید روی باقی می مانده که بصورت یک مجموعه کم مقاومت عمل می نماید و اتصال فاز به زمین خواهد شد.

۳ـ اضافه بار محدود و دائمی باعث تخریب برگشت ناپذیر قسمتی از عناصر میکروواریستورها شده، مشخصه ولتاژ جریان بلوک zno را تغییر می دهد در صورتیکه این مورد اتفاق بیفتد معمولاً ولتاژ واریستور در جریان ثابت ۱۰% کاهش می یابد.

۴ـ چنانچه برقگیر دچار اضافه بار شود و خطا بسرعت برطرف نگردد، واریستور ضایع خواهد شد.

مثلاً هنگامی که بین خطی با ولتاژ زیاد و خطی با ولتاژ کمتر یک اتصالی واقع شود (بعنوان مثال اتصال خط kv63 با خط kv20) واریستور خط با ولتاژ کمتر داغ شده و تخریب می گردد. در چنین موقعیتی ایزولاتور برقگیر نیز شکسته شده و یا منفجر می شود. بنابراین برای جلوگیری از خطرات احتمالی این نوع اضافه بار می بایست پیش بینی های لازم انجام گیرد.

به طور کلی درانتخاب برقگیرهای ZNO برای یک شبکه باید دو نکته مهم زیر را در نظر داشت .

۱ـ برقگیر باید بتواند ولتاژ شبکه را به طور دائم تحمل کند(انرژی حرارتی)

۲ـ برقگیر باید تحمل شوک حرارتی ناشی از تخلیه امواج ضربه ای را داشته باشد.