ZnO压敏电阻微观结构调控与性能提升研究综述

金属氧化物避雷器是电力系统重要的过电压保护设备,ZnO压敏电阻是其核心部件。提高ZnO压敏电阻性能,不仅有利于优化现有系统的绝缘配合设计,在面对未来新能源广泛应用的新型电力系统时,也有利于提高对系统的保护能力,并促进设备小型化、紧凑化、轻量化。一直以来,人们主要按照机械混粉烧结的工艺路线,通过改进材料配方、改善烧结工艺、优化粉体制备等来提升ZnO压敏电阻的性能。这些工作对提高ZnO压敏电阻性能发挥了重要作用,但进一步提升的潜力有限。表面包覆形成的核壳结构能使ZnO压敏电阻的微观结构更加均匀,并可能在烧结过程中对ZnO压敏电阻的微观结构进行定制化的有效调控,在提升ZnO压敏电阻的性能方面有一定的潜力。因此,基于表面包覆的ZnO压敏电阻有望成为研究高性能ZnO避雷器的新途径。该文从传统机械混粉和表面包覆两种技术路线的角度对ZnO压敏电阻的微观结构调控与性能提升研究做了归纳整理,并对包覆路线下需要开展的研究工作进行了思考,希望能为相关领域的研究提供一定的参考。

包覆形成的核壳结构对ZnO压敏电阻的改性机制

ZnO压敏电阻的性能,直接决定了避雷器的保护水平和电力系统的绝缘水平。为实现ZnO压敏电阻综合性能的优化,通过溶胶凝胶法将SiO_(2)均匀包覆在ZnO颗粒表面,获得了具备明显核壳结构的粉体颗粒。当Si^(4+)/Zn^(2+)包覆摩尔比为0.075时,在1050℃下所烧结制备的ZnO压敏电阻,电位梯度可达651.37 V/mm,相较于未包覆样品提升115.6%;非线性系数可达73.02,提升104.5%;泄漏电流密度为0.73μA/cm^(2),降低77.5%。基于不同样品晶相测试结果中的区别,结合宏观电学性能、微观晶界势垒特性、介电响应特性等方面的差异,研究了包覆所形成的ZnO@SiO_(2)核壳结构对ZnO压敏电阻性能改善的晶粒生长控制机制、固溶反应机制和氧输运机制。

不同波形对于氧化锌电阻片通流性能的影响分析

氧化锌电阻片在大电流冲击下会出现电流、热量分布不均匀而导致内部应力增大。文中搭建了试验平台测试了不同波形下电阻片失效的临界能量密度,试验表明2 ms方波的临界能量密度要明显高于4/10μs冲击测试,能量密度约为其的1.76倍。不同波形下失效现象比例存在一定的区别,2 ms方波冲击下电阻片会出现穿孔现象,4/10μs冲击测试下,电阻片主要为侧面闪络与破裂两种失效现象。搭建了磁滞回线测试回路,获得了氧化锌电阻片在不同频率下磁导率。试验表明随着频率从100 Hz增加到10000 Hz,氧化锌电阻片的磁导率从267下降到52。建立有限元仿真模型,仿真分析了不同电流波形下电阻片的通流特性。仿真表明:冲击电流下(4/10μs)热应力的幅值远大于2 ms方波下的热应力幅值,在通流能量接近时,约为其的4000倍。分析表明氧化锌电阻片在高频率冲击电流下内部应力作用更为显著。

不同SiO2含量对氧化锌电阻片通流性能的影响

氧化锌阀片由于具有优异的能量耐受性能,在电力系统防雷上得到了广泛的应用。本工作研究了SiO2含量对ZnO压敏电阻的相变、微观结构和电性能的影响。结果表明,SiO2影响ZnO晶粒生长,当SiO2含量从0.2%(摩尔分数,下同)增加到2.0%时,ZnO的晶粒尺寸从8.87μm下降到5.86μm,从而导致击穿电压E1mA从192.77V/mm增加到252.57V/mm。另外,SiO2对氧化锌电阻片的电流能量耐受能力和脉冲老化特性具有显著影响,SiO2含量为1.5%时其通流性能最优,具有332.03J/cm^3的能量耐受能力和1.71的残压比(5kA)。

风机叶片金属网防护下的雷击损伤特性研究

风机叶片雷击损坏是风电系统实际运行中面临的难题,可采用金属网作为叶片雷电防护补充方法,但叶片敷设金属网后高幅值雷电流接闪过程及损伤机制尚不清晰。为研究风机叶片金属网防雷方法下雷击大电流接闪及叶身复合材料雷击损伤特性,搭建真型风机叶片雷击大电流闪络试验平台,通过先导附着试验,确定风机叶片潜在雷击位置,同步观测雷电引入点的直接损伤效应。试验结果表明,雷击转移电荷量和引下线通流能力是叶片是否产生雷击损伤的重要影响因素,叶尖与叶身之间的压接板有结构撕裂风险,应当优化金属网泄流通道和压接板的型式设计,提高叶片雷击大电流耐受可靠性。研究结果揭示了金属网防雷方法下风机叶片先导附着特性和雷击大电流损伤特征,指导防雷优化设计。

复合绝缘子硅橡胶老化过程中成分变化规律研究

为了研究复合绝缘子硅橡胶在老化过程中成分的变化规律,选择未使用和使用2年、6年、10年的复合绝缘子硅橡胶进行多项测试分析,包括扫描电子显微镜分析、热重分析、差示扫描量热分析、傅里叶变换红外光谱分析和X射线光谱分析。研究发现,在运行过程中,硅橡胶会逐渐劣化,表面会出现越来越多的裂纹和孔洞。此外,硅橡胶的运行状况与其组分中的氢氧化铝的变化和析出密切相关,老化过程中氢氧化铝的变化也最为显著。这项研究可以更好地反映硅橡胶的表面老化状态,对复合绝缘子的运行状况评估及老化失效分析具有重要意义。

电极留边距离对电流冲击下ZnO电阻片通流性能和故障模式的影响

在2 ms方波冲击和4/10μs大电流冲击下测试了具有不同电极留边距离的ZnO电阻片。结果表明,电极边缘和ZnO电阻片边缘留有一定余量可使冲击下的通流性能表现更稳定、减少分散性,但过多的留边距离则会使承受冲击电流的有限面积减少,留有0.5 mm左右的电极留边距离比较合适。在电流冲击测试过程中,一些ZnO电阻片样品出现故障,包括穿孔、破裂和侧闪。观察发现冲击试验后ZnO电阻片局部微观结构的形态和组成出现变化,被认为是ZnO电阻片劣化或故障的根本原因。

冲击电流下氧化锌避雷器多物理场有限元分析

金属氧化物避雷器由于其优异电气特性,在电力系统中广泛应用。但实际使用过程中,多片ZnO阀片串联组装成的整支避雷器通流能力低于单片ZnO阀片,导致线路保护与设备绝缘的能力降低。大电流作用下的整只避雷器不仅仅受到电流的作用,也会因电流导致避雷器的热变与力变,为了进一步分析金属氧化物避雷器在大电流作用下的情况,在COMSOL有限元分析软件中对避雷器进行了电-热-力多物理场耦合仿真,分析了整支10 kV避雷器在承受峰值100 kA大电流冲击作用下内部电、热、力分布情况。仿真结果表明上下端金具与ZnO阀片交界处场强达5.27 kV/cm;阀片中心温度90℃,边缘温度160℃;使用填充胶使外套最大拉应力由9.34 MPa降至0.8 MPa,降幅明显。试验结果表明,使用填充胶使整支避雷器通过100 kA大电流冲击前后参考电压变化未超过3%。

探究两步烧结工艺下微米级粉料的氧化锌电阻片的微观结构及电性能

笔者以微米级粉体为原料,采用两步烧结法制备氧化锌电阻片,系统地研究了各烧结条件下氧化锌电阻片的微观结构,致密化程度,基本电性能和介电性能,包括阻抗谱和介电损耗谱。结果表明,两步烧结能有效地减小晶粒尺寸,使晶粒分布均匀,增强致密化。在合适的两步烧结曲线下,其样品的电压梯度为402.26 V/mm,漏电流为0.98μA/cm2,非线性系数为60.88。两步烧结样品在低温下介电损耗的两个驰豫峰对应的活化能为0.22~0.24 eV和0.34~0.37 eV,传统烧结样品对应的活化能为0.24 eV和0.32 eV,二者均认为分别由电阻片内部的本征缺陷,锌间隙和氧空位引起的。