Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

Для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений применяют специальное оборудование - ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Основным элементом ОПН является варистор (нелинейный резистор), который в состоянии покоя имеет высокое сопротивление (несколько МОм) по отношению к защищаемому прибору и не изменяет характеристику электрической цепи. При превышении определенной величины напряжения варистор резко снижает сопротивление до нескольких Ом и ОПН фактически шунтирует прибор. б Импульс напряжения / / До пустимое напряжение На пряжение \ на потреби геле / Номинальное напряжение потребителя Рис.1. Вольт-амперная характеристика варистора (а) и «Срезание» импульса напряжения (б) На вольт-амперной характеристике варистора ( рис.іа) имеется три характерных участка. Первый - область малых токов - это работа варистора под напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (синие линии). При этом через варистор протекает ток утечки (десятые доли миллиампера). Второй - режим средних токов, образующихся при грозовых или коммутационных импульсах перенапряжений. На границе первой и второй областей происходит перегиб вольт-амперной характеристики, при этом сопротивление варистора резко уменьшается. Через варистор кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варистор поглощает энергию импульса перенапряжения, выделяя затем ее в виде тепла, рассеивающегося в окружающее пространство. Импульс перенапряжения сети “срезается” (рис.іб) . Напряжение, при котором резко возрастает проходящий через варистор ток, называется классификационным напряжение (U^). Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при плотности тока 1 мА/см2. Классификационное напряжение, отнесенное к толщине варистора, называется напряжением пробоя (Ub) и измеряется в В/мм. Вольт-амперная характеристика варистора во второй области определяется равенством I=KUa, где а - коэффициент нелинейности. В настоящее время применяют варисторы на основе ZnO -керамики, электрические характеристики которой определяются состояниями слоев на границе зерен оксида цинка, формирующихся во время спекания при добавке оксидов таких элементов, как Ві, Со, Si, Sb, Mn, Cr, A1, Ca, Mg, Ni, Fe, Sn. Выпускаемые в промышленном масштабе оксидно-цинковые варисторы имеют Ub = 0.2-0.4 кВ/мм и а = 40-50. Однако в высоковольтных электрических сетях требуются ОПН с рабочим напряжением выше 100 кВ. Для создания таких ОПН необходимо повысить Ub керамики до > 3 кВ/мм при сохранении высокого значения а. Согласно модели барьера Шоттки, напряжение пробоя Ub = N U gb, где Ugb - падение напряжения на границе зерна ZnO; N - число межзеренных границ на 1 мм толщины варисторной керамики. Отсюда следует, что для получения варисторной керамики с высоким значением напряжения пробоя необходимо синтезировать варисторные порошки с наноразмерными зернами. Так как оксид цинка является основным компонентом варисторной керамики, то нами в первую очередь были проведены исследования по получению наноразмерных порошков ZnO. Для этого был использован метод химического сжигания нитрата цинка с использованием сахарозы в качестве химического топлива в соответствие с реакцией: Zn(NO3)2-6H2O + wC12H22O „ ^ ZnO. (1) Процесс сжигания проводили путем помещения фторопластового стакана с исходными веществами в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 145оС. Он заканчивался за 30-40 мин с образованием промежуточного продукта, который после охлаждения измельчали в блендере и прокаливали в муфельной печи при температуре 500-700оС в течение 0.5 ч. Расход исходных веществ рассчитывали на образование 10 г ZnO. При исследовании зависимости свойств промежуточного и конечного продуктов от расхода сахарозы и температуры прокалки установлено, что при расходе сахарозы 2 г образуется оплавленный продукт белого цвета с содержанием углерода 4.88 мас. % (табл.1). По данным РФА, он состоит из Zn(NO3)2-4H2O, Zn(OH)(NO3)-H2O и p-ZnC2O4. Это свидетельствует о том, что процесс сжигания при данных условиях не протекает. При расходе сахарозы 5 г синтезируется полуспеченный белого цвета продукт с 6.55 мас. % С, а при расходе 55 г образуется пушистый продукт с 4.47 мас. % С. По РФА, этот продукт представляет собой ZnO с примесями p-ZnC2O4 и Zn3(OH)4(NO3)2. Наличие оксалата цинка подтверждается ИК-спектроскопией. 313