压敏电阻防起火技术研究

针对金属氧化物压敏电阻(MOV)在工作中出现的失效和燃烧事故,给出几种在线监控MOV的方法,其能够在MOV失效前发出告警信号,并及时处理,从而避免严重事故发生。通过实践证明该监控方法有效并且可规模应用。监控技术在MOV器件上实现技术和应用突破,可供其他类型浪涌保护器件参考。

ZnO压敏电阻微观结构参数与宏观电气性能的关联机制

ZnO压敏电阻是金属氧化物避雷器的核心部件,在抑制电力系统过电压方面发挥了重要的作用。随着特高压输电技术的发展,对ZnO压敏电阻的残压、通流容量等电气特性提出了更高的要求。该文从材料计算的角度出发,以基于Voronoi模型的ZnO压敏电阻优化计算模型为基础,计算研究了晶粒尺寸、尺寸不均匀度、晶粒电阻率等微观结构参数与多种宏观电气性能之间的关联机制,将多变量、多目标的最优化问题,极大地简化为仅包含三类优化变量、两类优化目标的最优化问题,并制定出具有针对性的优化策略和步骤,为ZnO压敏电阻性能的改进提供了重要理论依据,对高性能避雷器的设计制造具有重要意义。

配方体系与烧结工艺对避雷器压敏电阻宏观性能的影响机制

ZnO压敏电阻是金属氧化物避雷器的核心元件,在抑制输配电系统过电压过程中起至关重要的作用。优化多元调控技术与改进烧结工艺是研制高性能压敏电阻的重要手段,目前其对压敏电阻微观结构及宏观性能的影响机制缺乏系统科学的研究。针对此问题,文中通过实验得到了不同Y^(3+)、Bi^(3+)、Al^(3+)含量与烧结温度对压敏电阻晶粒平均尺寸S、晶粒不均匀度σg、电压梯度E1mA、非线性系数α1mA、泄漏电流IL参数的影响规律;并建立压敏电阻Voronoi网络材料计算模型,获得了宏观电气性能的变化特性。实验与计算结果表明:压敏电阻中添加Y^(3+)能大幅提升E1mA,但导致α1mA与IL劣化,降低工作稳定性;α1mA与IL随烧结温度、Bi浓度变化呈现U形变化,在1100℃烧结温度与Bi摩尔分数1%时性能最佳;引入Al^(3+)有助于提高工作稳定性,但导致E1mA、α1mA、IL劣化。通过优化工艺方法,提高固溶入晶粒的Al^(3+)比例,可以减小宏观性能劣化。研究结果可为高性能压敏电阻研制提供重要理论与实验依据。

多种冲击电流下金属氧化物压敏电阻动态模型准确性分析

为研究IEEE模型和Pinceti模型对金属氧化物压敏电阻(metal-oxide varistor,MOV)的仿真准确性,以额定电压为150~750 V的6种MOV为对象,理论和试验分析了不同幅值4/10μs、8/20μs雷电冲击电流和30/60μs操作冲击电流下的残压及吸收能量。结果表明,在IEEE模型参数确定中,随操作冲击电流幅值的增大,非线性电阻参考电压取值增大但电感取值减小;在残压预测中,IEEE模型误差为2.6%,较Pinceti模型误差4.6%更准确;在MOV吸收能量估算中,IEEE模型在低于10 kA电流幅值下的准确性高于Pinceti模型,且IEEE模型对30/60μs操作冲击电流的准确性较高,对8/20μs雷电冲击电流准确性较低。

微观晶界特性对氧化锌压敏电阻宏观电气性能的影响机制

ZnO压敏电阻具有优良的非线性伏安特性与良好的通流能力,可以在电力系统发生过电压时吸收冲击能量从而实现对电力设备的保护,在电力设备的过电压保护中得到广泛应用。ZnO压敏电阻的非线性特性起源与其晶界特殊的双肖特基势垒结构有关,微观晶界参数对ZnO压敏电阻的宏观电气性能参数起到决定性作用,而目前对于微观晶界特性对ZnO压敏电阻宏观电气性能的影响机制研究较少。本文基于Voronoi网络及改进的晶界分区模型,通过材料计算的方法研究了ZnO压敏电阻晶粒施主密度、晶界表面态密度、晶界分区参数等微观晶界特性对其宏观电气性能的影响规律。本文将高性能ZnO压敏电阻的研制过程视为多变量、多目标问题,并依据任意优化变量对优化目标的影响是否相同、优化变量对两类优化目标的作用效果是否相同对优化目标和优化变量进行分类,揭示了微观晶界对电气性能的影响机制。通过优化变量、优化目标的合理分类,将复杂的多变量、多目标问题有效简化,并依据分类变量和分类目标的特征制定分步优化策略,从微观物理层面对ZnO压敏电阻性能进行改善,对高性能ZnO压敏电阻的研制有重要意义。

不同类型冲击电流对ZnO压敏电阻老化的影响研究

为了比较不同类型冲击电流对氧化锌(ZnO)压敏电阻直流老化的影响,将相同类型的ZnO压敏电阻样品分别开展2 ms方波(峰值为2 kA)耐受试验和4/10μs冲击电流(峰值为100 kA)试验。实验结果表明,在1~3轮(3~9次)的冲击耐受下,2 ms方波对ZnO压敏电阻的老化特性能起到一定优化作用,而4/10μs大电流冲击则使得ZnO压敏电阻老化特性持续劣化。利用扫描电子显微镜(SEM)、光谱仪、数字源表研究其微观结构以及电气性能参数变化。结合实验结果分析原因,4/10μs冲击电流对ZnO压敏电阻的损伤程度大于2 ms方波冲击电流的损伤程度,更容易引起ZnO压敏电阻的老化,在1~3轮(3~9次)2 ms方波耐受下,可以改善压敏电阻老化特性,其原因在于冲击电流产生热效应使构成晶界势垒亚稳定成分填隙锌离子在晶界发生反应而降低其浓度,得到比冲击前更稳定的晶界结,从而提高了其老化特性。

SiO_(2)掺杂量对SnO_(2)压敏电阻电气性能的影响

采用传统方法制备了掺杂不同物质的量分数(0.01%,0.05%,0.10%,0.15%,0.20%)SiO_(2)的SnO_(2)压敏电阻,研究了SiO_(2)掺杂量对SnO_(2)压敏电阻电气性能的影响。结果表明:随着SiO_(2)掺杂量的增加,SnO_(2)压敏电阻的电压梯度、非线性系数、势垒高度、施主密度和界面态密度均先增大后减小,泄漏电流密度先减小后增大,晶界电阻增大;当SiO_(2)物质的量分数为0.10%时,SnO_(2)压敏电阻的综合电气性能最佳,其电压梯度、非线性系数、施主密度、界面态密度、势垒高度最大,泄漏电流密度最小,分别为582 V·mm^(-1),33,1.7×10^(23)m-3,6.7×10^(16)m^(-2),2.03 eV,7.06μA·cm^(-2)。

Cr_(2)O_(3)掺杂量对SnO_(2)压敏电阻微观结构和电气性能的影响

以SnO_(2)粉、CuO粉、Nb_(2)O_(5)粉、Cr_(2)O_(3)粉为原料,采用粉末冶金技术烧结制备(98.95-x)SnO_(2)-1CuO-0.05Nb_(2)O_(5-x)Cr_(2)O_(3)(x=0,0.01,0.02,0.03,0.05,物质的量分数/%)压敏电阻,研究了Cr_(2)O_(3)掺杂量对该压敏电阻微观结构和电气性能的影响。结果表明:随着Cr_(2)O_(3)掺杂量的增加,烧结试样的相对密度、收缩率、平均晶粒尺寸均先增大后减小,当Cr_(2)O_(3)物质的量分数为0.02%时相对密度和收缩率最高,Cr_(2)O_(3)物质的量分数为0.01%时晶粒尺寸最大,粒径分布最均匀;随着Cr_(2)O_(3)掺杂量增加,SnO_(2)压敏电阻的电压梯度增大,泄漏电流密度先减小后增大,非线性系数则先增大后减小,当Cr_(2)O_(3)物质的量分数为0.02%时,压敏电阻的泄漏电流密度最小,非线性系数最大,电压梯度较高,综合电气性能最好。

施主掺杂提高ZnO压敏电阻的冲击稳定性

研究了铝铟共掺杂对ZnO压敏电阻的微观结构和电学性能的影响,特别是浪涌冲击稳定行为。采用X射线衍射、扫描电子显微镜对ZnO压敏电阻的微观结构进行了表征,通过电流—电压测试、脉冲电流冲击测试和电容—电压测试对电性能进行了评估。结果表明:当Al^(3+)和In^(3+)掺杂量分别为0.0008 mol%和0.0033 mol%时,ZnO压敏电阻表现出了最佳的电性能;此时的电位梯度为95.3 V·mm^(-1)、非线性系数为74、残压比为2.43。另外,ZnO压敏电阻在8/20μs 10 k A电流下冲击20次后,正反压敏电压变化率分别为+3.30%和-6.67%。

压敏电阻陶瓷材料的研究进展

详细介绍了目前国内外研究最多的低压压敏陶瓷材料(ZnO系、BaTiO3系、TiO2系、WO3系)、电容–压敏陶瓷材料(SrTiO3系、TiO2系)及高压–压敏陶瓷材料(ZnO系、SnO2系)等的基本配方、制备工艺、性能及主要应用等。还讨论了我国在压敏电阻器研究与生产方面所存在的问题及今后的研究方向。

工频过电压耐受下氧化锌压敏电阻冲击老化性能研究

针对氧化锌压敏电阻芯片在8/20μs电流冲击初期,芯片压敏电压变化较小,老化程度无法通过静态参数判别的问题,本文设计了工频过电压耐受下的ZnO压敏电阻冲击老化试验,研究了ZnO压敏电阻芯片不同冲击老化情况,耐受工频恒定不同幅值过电压过程和耐受阶段流经芯片内部电流Iin随时间的变化关系;结合双肖特基势垒理论和ZnO压敏电阻芯片Voronoi网格微观结构模型,分析试验结论。结果表明:耐受工频恒定相同幅值过电压,ZnO压敏电阻芯片经8/20μs电流冲击后老化程度越深其流过芯片内部电流Iin的初始值越大;且lin值随时间上升速率与初始冲击老化程度呈正比;相同老化程度ZnO压敏电阻芯片耐受过电压幅值越大,耐受时间越短,Iin的初始值越大。这些可为ZnO压敏电阻冲击老化劣化初期判别提供依据。

对ZnO压敏电阻隧道效应的探讨

根据氧化锌压敏电阻的微观结构,提出了势垒交错导致共振隧穿的模型,并运用传递矩阵法合理地解释了ZnO压敏电阻的隧道效应,所得的隧穿电流符合实际 ZnO压敏电阻在击穿区的温度特性.

钕掺杂对SnO_2·Co_2O_3·Nb_2O_5压敏电阻瓷电性能的影响

通过对样品的伏安特性,晶界势垒的测量和分析,研究了Nd2O3对SnO2·Co2O3·Nb2O5压敏电阻瓷电性能的影响。发现掺入x(Nb2O3)为0.050%的样品表现出最好的压敏性质,其压敏电压为460.69 V/mm,密度为6.812 g/cm3,非线性系数为18.7。为了说明电学非线性的起源,提出了SnO2压敏材料的一个缺陷势垒模型。

叠层片式ZnO压敏电阻器研究进展

叠层片式ZnO压敏电阻器(MLCV)具有体积小、通流容量大、响应速度快、表面安装性好和易实现低压化等优点,其广泛应用于电子和电力系统中。介绍了叠层片式ZnO压敏电阻器的生片材料和内电极材料的研究现状,分析了当前工艺中存在的电极扩散问题,并提出了其解决的办法,同时指出了叠层片式ZnO压敏电阻器向低压化、小型化、集成化及低成本化方向发展的趋势。

压敏电阻器的应用与发展

概述了压敏电阻器尤其是氧化锌压敏电阻器的应用及发展动向。

包封材料的改进及其对压敏电阻大电流耐受性能的影响

为了满足 IEC和国标对避雷器阀片大电流冲击耐受性能指标的要求 ,通过对环氧树脂配方及工艺的调整 ,研制了新型环氧包封材料 ,使环氧树脂与氧化锌瓷体的热膨胀系数更加匹配 。

叠层片式ZnO压敏电阻的微观结构研究

通过光学显微镜、扫描电镜观察及能谱分析等方法，分析研究了叠层片式压敏电阻器（MLV,mutilayer varistor）的微观结构．实验结果表明，在半成品叠层片式压敏电阻器的微观结构中ZnO晶粒较小且不均匀，结构较疏松，强度差．而成品由于进行了低温液相烧结，其微观结构则为较规则的ZnO晶粒，晶粒变大尺寸较为均匀，致密度明显提高．由于在陶瓷叠片上内电极浆料分布不均匀或电极印刷的原因，经过烧结后个别地方可能出现内电极层的缺损，以至观察到的内电极是断续的。同时观察到空洞可影响到内电极扣外电极的连接，以及电极变形等现象。这些缺陷结构的形成与叠层片式压敏电阻器的制作工艺有关．

电力系统避雷器用ZnO压敏电阻研究进展

ZnO压敏电阻是金属氧化物避雷器(MOA)的核心器件,电力系统的过电压水平和设备的绝缘水平直接取决于ZnO压敏电阻性能的好坏。我国特高压输电工程正在逐步建设,要求MOA能够有效地限制电力系统过电压。相比于传统MOA中采用的ZnO压敏电阻阀片,应用于特高压MOA的阀片需要具有高电压梯度、低残压比、大通流容量和耐老化性能等特点。目前报导的应用于特高压MOA的压敏电阻阀片,压敏电压梯度可达400V/mm以上,残压比可低至1.38,冲击能量吸收密度可达300J/cm3,老化系数可低至0.6。在调研国内外文献报导的基础上,分析了高电压梯度ZnO压敏电阻数值仿真计算的研究现状和导电机理的最新进展。基于Voronoi网格和ZnO压敏电阻晶界真实的导电机理模型的仿真计算,可以较好地仿真出ZnO压敏电阻的直流、交流和冲击响应。

氧化锌压敏电阻片的热刺激电流测试研究

热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)技术是研究各种电介质缺陷及其特性的有效手段,开展氧化锌压敏电阻片的TSC特性研究对于研制高性能氧化锌电阻片有重要意义。开展氧化锌压敏电阻片的热释电电流以及不同极化电压、不同极化时间、不同极化温度和不同升温速率条件下的TSC特性的试验研究,并根据测试结果分析不同试验条件下氧化锌压敏电阻的陷阱电荷量、陷阱能级等的变化情况,初步认为在所研究温度范围内的TSC是通过陷阱电子表现出来的。在上述试验分析的基础上,确定一种合适的氧化锌压敏电阻TSC试验参数,为后续研究提供参考。

氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用

因目前MOV型SPD劣化检测参数压敏电压U1mA和漏电流Ileakage不能及时有效地判断MOV劣化程度,故研究一种能考量MOV劣化程度的方法尤其重要。根据影响MOV电容的主要因素以及晶界肖恩特基势垒变化、离子迁移理论等氧化锌压敏电阻的劣化机理,提出了氧化锌压敏电阻劣化过程中必然伴随电容量的变化。在不同的冲击实验下,对MOV型SPD进行劣化实验表明:MOV的电容量均随劣化程度增加而呈现上升趋势;在In标称值冲击下,MOV电容量随冲击次数近似线性上升。通过实验首次提出了电容量增幅具有考量MOV劣化程度的重要意义,同时证明:结合U1mA、Ileakage和电容量3个参数能够更好地分析MOV内部劣化原因。