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%。

换流站交流滤波器避雷器压敏电阻冲击老化特性及应用研究

某±800和±500 kV换流站中的交流滤波器(AC filter,ACF)断路器频繁投入及合闸相角过大等因素,使得ACF避雷器频繁遭受冲击电流作用,而频繁的高幅值冲击电流可能加速ACF避雷器内部氧化锌(ZnO)压敏电阻老化进而威胁换流站的安全稳定运行。因此,该文首先结合实测及仿真提出应用于ACF避雷器全新ZnO压敏电阻冲击老化试验中的冲击电流波形和幅值;其次,开展负极性15/35μs不同幅值冲击电流下全新ZnO压敏电阻样品的加速老化试验,观测了样品微观结构、直流U-I特性和运行电压下泄漏电流及其阻性分量等;最后,基于上述试验结果及退运ACF避雷器拆解实验,该文提出了ACF避雷器从工艺到运维的系统性建议:压敏电阻应降低孔隙率以及尽量使孔隙分布均匀,在预防性试验中应考虑外施直流电压极性问题,以及可采用泄漏电流阻性电流二次谐波特性作为承受单极性冲击的ACF避雷器在线监测中的老化准则。

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。

采用Ga掺杂的具有低泄漏电流和高稳定性避雷器ZnO压敏电阻

为了获得性能更为稳定的ZnO压敏电阻,研究了含有Ga掺杂的ZnO压敏电阻的稳定特性,对所获得的实验样品的微观结构和电气特性进行了电子显微镜扫描测试、电压-电流非线性特性测试、电容-电压特性测试、X-射线衍射谱测试、能谱扫描测试、介质损耗测试及交流加速老化测试.实验结果表明,随着Ga掺杂量的进一步增加,Ga离子占据了ZnO晶格上的空位,增加了界面态密度,提高了肖特基势垒高度,一方面降低了ZnO压敏电阻的泄漏电流密度,另一方面抑制了耗尽层中自由电子的迁移,提高了ZnO压敏电阻在高荷电率环境下的稳定特性.Al离子固溶到ZnO晶格当中,产生大量的自由电子,降低了ZnO晶粒的电阻率,从而有效降低了ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比.当Ga的掺杂摩尔分数达到0.6%时,泄漏电流密度为0.84μA/cm^(2),残压比为1.97,非线性系数为66,其肖特基势垒高度为1.81 eV.在115℃环境下,对试验样品施加87%E1 mA,89%E1 mA和91%E1 mA的交流加速老化电压,老化时间为1000 h,老化系数分别为0.394,0.437和0.550.此研究将有助于进一步提高ZnO避雷器的保护水平,实现深度限制电网过电压,提高电力系统的安全稳定性.

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。

压敏电阻工艺误差的影响分析

为了解决由于压敏电阻工艺过程中的工艺误差导致压力传感器输出灵敏度和输出量程产生偏差的问题,通过定位压敏芯片在工艺过程中产生误差的工艺步骤,分析相关步骤的误差对器件性能的影响。利用共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等设备对欧姆接触区扩散开孔、DRIE刻蚀压敏电阻以及背腔刻蚀3个工艺步骤中引入的误差进行分析,分析结果表明前两个步骤引入的误差主要表现为电阻值的缩小,使得输出电压偏差最大达到8.24%,而背腔刻蚀引入的误差主要表现在电阻变化率上,使得输出电压偏差最大达到5%。在制备压敏电阻过程中可以通过控制这3个步骤的工艺精度来解决引入的工艺误差,从而提高器件的稳定性。

硅压敏电阻刻蚀形貌对高温压力传感器输出特性影响

为解决压力传感器在高温下的热零点漂移问题,文中提出一种压敏电阻均匀刻蚀的方案。通过控制变量法改变沉积和刻蚀聚合物时序参数,解决了制备硅电阻条出现的微负载效应,减小了压力传感器中惠斯登电桥不平衡性。对比了不同参数下的刻蚀效果,得出最佳刻蚀参数为1个循环内钝化时间2 s、刻蚀时间4.8 s,刻蚀图案成功保持了设计图形的关键特征,电阻条连接处曲线平滑、侧壁角度锐利,垂直度达到了88.6°。最终制备的芯片在300℃环境下进行压力测试,测试结果表明传感器芯片热零点漂移率降低了46.7%,验证了该方案对改善芯片高温下热零点漂移的可行性。

Y_(2)O_(3)、Ga_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响

稀土元素的掺杂能显著提高ZnO压敏电阻的电压梯度(E1mA),但却会导致泄漏电流的增加,从而致使ZnO压敏电阻的老化稳定性降低。为了解决稀土元素掺杂导致泄漏电流增加的问题,研究了Y_(2)O_(3)、Ga_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响。掺杂的Y_(2)O_(3)通过钉扎效应能够显著抑制ZnO晶粒的生长提高样品的E1mA。Ga_(2)O_(3)的掺杂则有助于提高晶界层的势垒高度(φb)、抑制泄漏电流密度(JL)的增加。而B_(2)O_(3)的掺杂则有助于改善样品的液相烧结,避免具有高电阻率Y尖晶石相聚集现象的发生,传输通道的阻断有利于降低样品的JL。此外,B_(2)O_(3)的掺杂能够促进ZnO晶粒与其他添加剂在晶界处的离子交换,使φb得到有效的提高,进一步降低其JL。通过Y_(2)O_(3)、Ga_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)的共掺杂获得了综合性能相对优异的ZnO压敏电阻:其E1mA=466 V/mm,JL=0.41 A/cm^(2),非线性系数为95。高梯度、低泄漏ZnO压敏电阻的成功研发对于解决金属氧化物避雷器整体电位分布不均的问题具有重要的意义。

In_(2)O_(3)掺杂量对锑基SnO_(2)压敏电阻电气性能的影响

以SnO_(2)粉、CoO粉、Cr_(2)O_(3)粉、Sb_(2)O_(5)粉、In_(2)O_(3)粉为原料,在100 MPa压力和1300℃温度下烧结制备(98.85-x)SnO_(2)-1CoO-0.05Cr_(2)O_(3)-0.1Sb_(2)O_(5-x)In_(2)O_(3)(x=0,0.05,0.10,0.15,物质的量分数/%)锑基SnO_(2)压敏电阻,研究了In_(2)O_(3)掺杂量对压敏电阻微观结构和电气性能的影响。结果表明:随着In_(2)O_(3)掺杂量的增加,锑基SnO_(2)压敏电阻的平均晶粒尺寸减小,密度先增大后减小,非线性系数、施主密度、界面态密度和势垒高度均先增大后减小,泄漏电流密度先减小后增大,电压梯度增大。当掺杂In_(2)O_(3)物质的量分数为0.10%时,压敏电阻的密度达到最大,为6.82 g·cm^(-3),综合电气性能优良,其电压梯度、非线性系数、泄漏电流密度、施主密度、界面态密度和势垒高度分别为851 V·mm^(-1),32.36,1.19μA·cm^(-2),4.4×10^(23)m^(-3),3.2×10^(16)m^(-2)和1.44 eV。

氧化锌压敏电阻瓷片变形改善方法

论述了压敏电阻瓷片变形机理。根据瓷片变形影响因素,制定相应改善验证,根据改善效果分析了瓷片变形最优改善方法,其中烧结层数、压片方式和垫板平整度对变形均有较好的改善效果,采用压片方式加平整垫板的组合方式可进一步降低变形率并且适合批量化生产,并总结出延长垫板使用寿命的方法。

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。