Высоковольтных выключателях

получить максимально допустимое обратное напряжение диода в несколько киловольт и максимально допустимый ток 1—3 кА. Для высоковольтных транзисторов к 1983 г. достигнут уровень допустимого коллекторного напряжения UK, доп= 1200 -f- 3000 В при токе /к. дОП=1 -т- 12 А, а для мощных транзисторов UK aon= = 150 -ч- 800 В при токе /к. H0n=40 -=- 300 А. Для мощных тиристоров допустимое напряжение достигает 50—4000 В, а рабочий ток — 60—1900 А. В последующие годы характеристики и параметры этих приборов будут постепенно улучшаться за счет увеличения диаметра пластин и усовершенствования технологии.

токов до 5 нА при сохранении высокого коэффициента усиления тока. Наилучшие результаты по точности достигаются в схемах с каскодным включением супербета-транзисторов Т\, Ti и высоковольтных транзисторов Та, Т* типа п-р-п ( 7.3, г).

Увеличение р при малых токах достигается путем уменьшения толщины базового слоя с соответствующим увеличением продолжительности эмиттерной диффузии (при изготовлении ИМС с транзисторами со сверхвысоким (3 эмиттерная диффузия проводится дважды: более продолжительная диффузия для транзисторов со сверхвысоким р и обычная эмиттерная диффузия для транзисторов с умеренным Р). При этом снижается напряжение пробоя: в транзисторах с узкой базой оно определяется напряжением смыкания коллекторного перехода с эмиттером. Поэтому транзисторы со сверхвысоким р оказываются низковольтными и, чтобы предотвратить пробой, их целесообразно применять в каскодном включении (см. 5.4 — каскодные пары на Т\, Т$ и Тц, Т\2). При каскодном включении низковольтные входные транзисторы со сверхвысоким р (Т\ и Т^) практически работают в режиме короткого замыкания по переменному току (поскольку к коллекторам этих транзисторов подключаются токовые повторители на Тд и Т\2 с низкоомным входом). Поэтому при усилении парафазных сигналов потенциалы коллекторов TI и Тц почти не меняются. Изменение же напряжения на выходе каскодов падает на коллекторных переходах высоковольтных транзисторов Ту и Т\2. Транзисторы Тд и T\i одновременно используются для умень-166

Недостатками рассмотренной схемы являются снижение КПД из-за увеличения потерь при многократном преобразовании электрической энергии и повышение стоимости, обусловленное применением в коммутаторе полярности высоковольтных транзисторов, которые должны выдерживать напряжение Ua. Несмотря на это, большой выигрыш в массе и габаритах делает рассмотренную схему особенно привлекательной в миниатюрной автономной и переносной аппаратуре.

В гл. 2 традиционный материал по физике работы бездрейфовых транзисторов изложен в сокращенном виде, подробно рассмотрены вопросы физики современных п+-р-п-п+ транзисторов, включая эффект Кирка, квазинасыщения и переходные процессы в режиме больших токов, а также фундаментальные ограничения частотного диапазона мощных и высоковольтных транзисторов, рассмотрена область безопасной работы и физические явления, определяющие ее границы.

Для высоковольтных транзисторов со слаболегированной областью коллектора в дополнение к перечисленным физическим явлениям имеют место еще два следующих эффекта, снижающих коэффициент передачи тока.

Особого рассмотрения требуют выходные ВАХ мощных высоковольтных транзисторов с ОЭ в области малых напряжений на коллекторе. На выходной ВАХ такого транзистора ( 2.25) между областью насыщения /// и ак-180

2.30. Выходные ВАХ (а) и временные зависимости токов и коллектора (б) для мощных высоковольтных транзисторов

На стадии выключения при задании запирающего тока базы /Б=—/Б2 транзистор медленно выходит из режима квазинасыщения (при изменении тока от /Кп до J'Kn), а затем ток коллектора резко спадает до 0. Основной вклад во время переходных процессов вносит время выхода из квазинасыщения (время квазирассасывания). Длительность переходных процессов переключения тем больше, чем сильнее проявляются эффекты квазинасыщения, т. е. чем выше удельное сопротивление n-слоя коллектора и больше толщина его слоя WKO. Это является фундаментальным ограничением быстродействия высоковольтных транзисторов.

Основным недостатком мощных высоковольтных транзисторов является низкий коэффициент передачи тока, не превышающий 10. Поэтому в настоящее время в качестве мощных ключевых элементов используются высоковольтные усилители па составных транзисторах (транзистор Дарлингтона), схема которого приведена на 2.31. Транзисторы VT\ и VT2 изготавливаются на одном кристалле одновременно, их коллектор является общим, а эмит-

Основные параметры одиночных (О) и составных (С) мощных высоковольтных транзисторов приведены в табл. 2.3.

характеристики механизмов и устройств привода, гарантирующие малые времена отключения и включения аппарата (время отключения в высоковольтных выключателях составляет 0,04—0,06 с);

0,598 кДж/(кг'°С). Высокая охлаждающая способность элегаза имеет большое значение для высоковольтных кабелей, трансформаторов и других устройств. Применение, элегаза в высоковольтных выключателях определяется его высокими дугогасящими свойствами, обусловленными-особенностями диссоциации при высоких температурах.

В высоковольтных выключателях применяются контакты ламельные врубные ( 4-10, в). Подвижная контакт-деталь здесь выполняется из отдельных ламелей 2 (их может быть несколько пар), неподвижная 1 — клинообразной. Подвижная система прямоходовая. Ламели могут быть несамоустанавливающиеся или самоустанавливающиеся. В самоустанавливающейся конструкции ламель может всегда принять положение, обеспечивающее не менее двух контактных точек. Такая конструкция более совершенна и дает при равных нажатиях меньшее переходное сопротивление. Рассмотренные контакты могут выполняться на очень большие токи путем параллельного присоединения любого числа пар ламелей.

В последние годы все более широко в высоковольтных выключателях вместо воздуха применяется элегаз — электротехнический газ. Элегаз — шести-фторная сера SF6, полученный впервые в Советском Союзе, обладает очень высокими дугогасительными свойствами, что позволяет при высокой отключающей способности выключателей существенно сократить их размеры, а также создать герметизированные (полностью закрытые) комплексные распределительные устройства. Ниже приведены некоторые характеристики элегаза [36].

В высоковольтных выключателях применяются контакты ламельные врубные ( 4-10, в). Подвижный контакт здесь выполняется из отдельных ламелей, их может быть несколько пар, неподвижный выполняется клинообразным. Подвижная система прямоходовая. Ламели могут быть несамоустанавливающиеся или самоустанавливающиеся ( 4-10, в) В самоустанавливающейся конструкции ламель может всегда принять положение, обеспечивающее не менее двух контактных точек. Такая конструкция более совершенна и дает при равных нажатиях меньшее переходное сопротивление. Рассмотренные контакты могут выполняться на очень большие токи путем параллельного присоединения любого числа пар ламелей.

Главным ионизирующим фактором, поддерживающим горение электрической дуги, является термическая ионизация. Отсюда вытекает, что гашение дуги должно в основном осуществляться за счет ее охлаждения. Дугу можно обдувать газом, жидкостью. Такие способы применяются в высоковольтных выключателях, но они требуют относительно сложных и дорогих устройств. Можно дугу двигать через неподвижные газ или жидкость, эффект охлаждения

Элегаз может с успехом использоваться в качестве изоляции в газонаполненных конденсаторах, газонаполненных кабелях, высоковольтных вводах, силовых и измерительных трансформаторах. Особенно эффективно применение элегаза в качестве ду-гогасящей среды в высоковольтных выключателях. С помощью элегаза можно отключать токи в десятки раз большие, чем при гашении сжатым воздухом. В настоящее время разрабатываются выключатели напряжением 110 — 500 кв, в которых контакты находятся в атмосфере элегаза, а гашение дуги осуществляется струей элегаза при давлении 14 — 15 атм.

Благодаря этому свойству кордиеритовая керамика отлично переносит резкие смены температур и является термостойким материалом. Это свойство керамики позволяет применять ее для изготовления дугогасительных камер в высоковольтных выключателях, в которых возможен тепловой удар искрового разряда, и аналогичных устройств в высоковольтной и низковольтной электротехнике.

В этом разделе представлены сведения о высоковольтных выключателях, разъединителях, предохранителях, комплектных трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ.

Элегаз используется в качестве эффективной изолирующей среды в высоковольтных выключателях, разъединителях, трансформаторах тока и напряжения, кабелях, измерительных конденсаторах, а также в элегазовых комплектных распределительных устройствах.

При отключении электрической цепи с током нагрузки до 10 А и напряжении до 220 В на контактах появляется искра или небольшая электрическая дуга, которые быстро гасятся за счет раствора контактов. При токах в десятки, сотни ампер и более для гашения электрической дуги применяются разнообразные дугогасительные устройства, в которых электрическая дуга растягивается и интенсивно охлаждается (щелевые дугогасительные камеры, камеры с деионной решеткой, камеры с магнитным дутьем, трансформаторное масло в сочетании с лабиринтной камерой — в высоковольтных выключателях и т.п.).