NUMERIČNI MODEL PORAZDELITVE TOKA V VARISTORSKI MIKROSTRUKTURI ZA OPTIMIZACIJO PRENAPETOSTNIH ZAŠČITNIH NAPRAVTOPČAGIĆ, ZUMRET (Avtor) Križaj, Dejan (Mentor) Metal-Oksidni Varistormikrostrukturaprenapetostne obremenitvenaprave za prenapetostno zaščitoenergijske zmogljivosti varistorjevvaristormetoda končnih elementov (FEM)Voronoi mrežalokalizacija tokaVzporedno z razvojem, naraščajočo kompleksnostjo in predvsem občutljivostjo nizkonapetostnih omrežij, je potrebno slednja ustrezno opremiti s čim bolj zanesljivo zaščito pred prenapetostnimi pojavi. V te namene se uporabljajo standardizirane naprave za prenapetostno zaščito (ang. Surge Protective Devices (SPDs)), ki so sestavljene iz vsaj enega nelinearnega elementa (metal-oksidnega varistorja (MOV), iskrišča (ang. Spark Gap (SG)) ali plinskega odvodnika (ang. Gas Discharge Tube (GDT))) in termičnega odklopnika [1{4]. Dandanes veliko komercialno dostopnih SPD naprav temelji na uporabi ZnO varistorjev kot nelinearnih elementov [5{7]. Temelji ZnO varistorske tehnologije so bili razviti leta 1968 in kasneje predstavljeni v prispevku Matsuoke [8], v katerem avtor opisuje detaljne lastnosti ZnO varistorjev, kot so proizvodni procesi, nelinearne značilnosti, temperaturne odvisnosti in podobno. Zaradi mikrostrukturne zgradbe varistorske keramike ter porazdelitve aditivov in proizvodnega procesa, je nehomogenost izrazita značilnost vsakega varistorja. Eno od prvih raziskav nehomogenosti varistorjev je naredil Mizukoshi et al. [9]. Po njihovih rezultatih je kasneje K. Eda [10] analiziral preboj varistorja zaradi lokalizacije toka, povzročene z varistorsko nehomogenostjo. Dokazal je, da nehomogenost varistorske strukture predstavlja ključni faktor pri lokalizaciji električnega toka v varistorju. Greuter et al. [11] so eksperimentalno dokazali lokalizacijo električnega toka na mikronivoju z uporabo elektroluminiscence [12]. Dejstvo, da "električna" nehomogenost ZnO varistorja ni povzročena samo z nehomogenostjo mikrostrukture, je dokazal Tao et al. [13]. Avtorji so eksperimentalno dokazali, da vsak posamezni mikro-spoj predstavlja svojo lastno električno karakteristiko. Sledi, da je porazdelitev električnega toka v ZnO varistorju določena s strukturno nehomoxiii genostjo, distribucijo električnih parametrov posameznih mikro-spojev in, kot je prikazano v [9, 14], od priključene napetosti. Prvi model pojava lokalizacije toka v varistorski keramiki je predstavil Vojta et al. v [15]. Predstavljen model temelji na razumevanju varistorske mikrostrukture kot mreže prostorsko enakomerno porazdeljenih nelinearnih uporov. Za natančnejšo predstavitev nehomogenosti varistorske keramike je Bartkowiak et al. [16] predlagal uporabo Voronoi mreže kot modela varistorske keramike [6, 8, 17, 18]. Primerjava Voronoi mreže, prikazane v [16], in SEM (ang. Scanning Electron Microscope) posnetkov ZnO varistorja, kot je na primer prikazano v [17, 18] in na sliki 1.3, jasno nakazuje ustreznost takšnega pristopa za modeliranje naključne mikrostrukture varistorja. V [16] so avtorji uporabili Voronoi mrežo kot osnovo za generacijo neenakomerno povezane mreže nelinearnih uporov, kar (kot prikazano v [15]) rezultira v reševanju sistema tokovnih enačb z uporabo analize vezij. S pripisovanjem različnih (porazdeljenih) kolenskih napetostih in nelinearnih koe- cientov uporom v Voronoi generirani mreži so avtorji v [16] uspeli združiti strukturno in "električno" nehomogenost varistorske keramike. Po delu Bartkowiaka je bilo objavljenih več prispevkov [14, 18{20], ki opisujejo rabo numeričnih modelov temelječih na Voronoi mreži za analiziranje ZnO varistorski karakteristik. He et al. v [14] predstavlja modeliranje nehomogene porazdelitve toka v ZnO varistorjih z rabo Voronoi mreže in podaja odvisnost lokalizacije toka v odvisnosti od priključene napetosti. Rezultati nakazujejo, da lokalizacija toka doseže maksimum v tako imenovanem TOV (ang: temporary overvoltage) področju. TOV napetosti so napetosti velikosti, ki presegajo vrednost kolenske napetosti varistorja in so hkrati manjše od amplitud udarnih napetosti po "IEC 61643-11:2011 - Low voltage surge protective devices" standardu [21]. Modeliranje ZnO varistorjev na osnovi FEM (ang. Finite Element Method) analiz je predstavil Lengauer et al. [22]. Avtorji so izvedli FEM analizo mehanskih obremenitev v ZnO diskih, kjer je varistorska keramika predstavljena kot homogen cilinder. Avtorji v [23] predstavljajo FEM model za izračun toplotnih izgub v varistorju, kjer v modelu varistorsko keramiko predpostavijo kot homogen disk (enako kot v [22]). Bavelis et al. [24] so predlagali 3D FEM model za analizo porazdelitve toka v ZnO varistorju, v katerem je model mikrostrukture predstavljen z uporabo 3D Voronoi mreže. Velika pomanjkljivost predlaganega modela je, da je FEM model uporabljen le pri izračunu matrike prevodnosti posameznih ZnO zrn, ki je potem uporabljena v 3D mreži nelinearnih uporov. Model, predstavljen v [24], torej rezultira v reševanju vezij brez popolnega reševanja električnega in tokovnega polja v modelirani geometriji.20192019-12-16 08:45:02Doktorsko delo/naloga113237sl