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。

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。

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%。

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.

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。

ZnO压敏电阻残压比的影响因素分析

ZnO压敏电阻作为避雷器的核心元件,已经被广泛地应用于电力系统雷电防护设备之中。残压比是ZnO压敏电阻避雷器的重要参数,它决定了电力系统的过电压保护水平和电力设备绝缘要求。为此,分析了ZnO压敏电阻残压比的宏观影响因素,利用维诺网格模型和晶界导电模型研究了微结构参数和晶界参数对ZnO压敏电阻残压比的影响规律。晶粒尺寸、晶粒不均匀度、晶粒施主数密度和晶界表面态密度主要在参考电压区域影响残压比,而晶粒电阻率主要在残压区域影响残压比。基于相关分析结论,提出了低残压比ZnO压敏电阻的试验研究路线,为研究低残压比ZnO压敏电阻提供了基本的理论依据和指导方向。

ZnO压敏电阻老化机理的研究进展

ZnO压敏电阻作为避雷器的关键元件在限制电力系统过电压方面具有极为重要的作用,直接决定电力系统的过电压水平和设备的绝缘水平。然而其在承受长期工作电压或短时冲击电流作用时不可避免地会产生老化现象。本文总结了国内外学者对于ZnO压敏电阻老化机理的不同观点及最新研究进展,分析了其老化机理,并讨论了提高ZnO压敏电阻稳定性的方法。

特高压避雷器用ZnO压敏电阻电压梯度限值的探讨

为了研制性能优异的特高压避雷器,笔者对实际所需ZnO压敏电阻的电压梯度是否存在限值进行了研究,并结合特高压避雷器的实际应用需求,详细讨论了ZnO压敏电阻的电压梯度限值的相关问题。研究表明,对适用于特高压避雷器的ZnO阀片,其电压梯度不仅受到特高压避雷器绝缘间距、通流容量等外在因素的限制,同时也受到ZnO阀片能量吸收密度的限制。在现有生产制造能力的条件下,特高压避雷器采用ZnO阀片的电压梯度越高,阀片所必须达到的能量吸收密度也越高。笔者通过理论分析与计算得出,特高压避雷器适用ZnO阀片的方波能量吸收密度理论极限值为517 J/cm3,对应的电压梯度理论极限值为686 V/mm。对于特高压瓷套、复合外套、GIS罐式避雷器所需ZnO阀片,最理想的电压梯度分别为213、300、426 V/mm,相应的能量吸收密度要求至少分别为150、226、301 J/cm3。

多脉冲雷电冲击下ZnO压敏电阻的劣化性能

针对ZnO压敏电阻的单脉冲雷电冲击实验无法真实有效模拟自然界雷击,且对其劣化性能研究不够精确完善的问题,利用新型多脉冲雷电发生器对ZnO压敏电阻进行冲击,通过改变脉冲数量、时间间隔和脉冲幅值等参数,分别从ZnO压敏电阻的耐受性能、电气参数、温度分布和能量吸收等方面定量研究其劣化特性。实验结果表明:ZnO压敏电阻在经过多次多重雷电冲击后,泄漏电流会产生跃变;不同于多次单脉冲冲击下的下降趋势,压敏电压数值表现为先上升后下降;不同于多次单脉冲冲击下的上升现象,电容值在小范围内波动起伏;ZnO压敏电阻的表面温度分布并不均匀,与冲击次数和位置有关;脉冲间隔的长短对样片能量吸收的影响很小。实验结论可为制定多脉冲雷电冲击下电涌保护器的性能指标和劣化监测预警提供参考。

微波烧结ZnO压敏电阻的可行性研究

采用微波烧结工艺制备了ZnO压敏电阻，研究了其致密化过程，运用XRD、SEM、电性能测试等手段，分析了烧结温度对其微观结构和电性能的影响。结果表明：微波烧结工艺不仅可显著提高ZnO压敏电阻的致密化，而且能够改善材料的微观结构和电性能。微波工艺的烧结周期仅是传统工艺的1／10～1／8。微波烧结样品的小电流特性有所提升；其通流量为11．6kA，比商用ZnO压敏电阻（7.75kA）高。

Co2_O_3和MnCO_3掺杂对低压ZnO压敏电阻电性能的影响

概述了低压ZnO压敏电阻的重要添加剂的作用,阐述了其电性能“三参数”(压敏电压梯度、非线性系数和漏电流)的影响因素。用低压ZnO压敏电阻的基本配方,以及在此基础上分别添加Co2O3、MnCO3、Co2O3+MnCO3四种配方制备样品作对比实验。发现Co2O3、MnCO3掺杂后都能引起压敏电压梯度升高,非线性系数显著提高,漏电流明显降低,且效果Co2O3+MnCO3大于MnCO3大于Co2O3。对造成上述差别的原因进行了深入分析。

高能球磨法制备高电位梯度的ZnO压敏电阻

为了制备高电位梯度的ZnO压敏电阻,采用了新的粉体制备方法,即高能球磨Bi2O3和Sb2O3两种添加剂12 h,再与其它氧化物共同高能球磨5h。扫描电镜及各个烧结温度下电性能、致密度的实验结果证明:此法制备的粉体压片后,1000℃烧结时,其电位梯度高达1516V/mm,漏电流为3.0μA,非线性系数为22。

高电位梯度ZnO压敏电阻大电流冲击下电学性能的研究

通过Y2O3掺杂等工艺手段制备出具有高电位梯度值的ZnO压敏电阻,并进行大电流冲击条件下的电学性能测试。实验结果表明,在掺杂0.08%(摩尔浓度)Y2O3后,试样的电位梯度值达到2 460.5 V/mm,残压比为1.48,最大通流容量达到1 263 A,能量耐受密度达到404.7 J/cm3,具有良好的抵抗大电流冲击的性能。掺杂后的试样晶粒尺寸减小到1.5μm,并且分布比较均匀,细致均匀的微观结构有利于试样电位梯度和大电流冲击下电学性能的提高。

添加不同稀土氧化物改进ZnO压敏电阻电气性能的配方研究

综合比较各种试验结果得到的微观结构和电气参数的差异,优化得到了适合作为高电压梯度ZnO电阻片的配方和工艺.研制的ZnO电阻片电压梯度达500V/mm,2ms方波冲击能量吸收能力达250J/cm3.

高电位梯度ZnO压敏电阻片的研究进展

从材料组成、显微结构控制和制备工艺等方面综述了国内外高电位梯度ZnO压敏电阻片的研究进展,并展望了提高ZnO压敏电阻片电位梯度和通流容量的途径。采用三价过渡金属离子掺杂、减小添加剂粉料颗粒粒度以及控制合理的烧成制度,能明显减小晶粒尺寸,降低气孔率,增加晶界数目,提高晶界势垒,从而有效提高ZnO压敏电阻片的电位梯度。

Bi_2O_3和Sb_2O_3的预复合对ZnO压敏电阻性能的影响

采用固相法对Bi2O3和Sb2O3进行了预复合,并研究了不同比例的Bi2O3与Sb2O3预复合对ZnO压敏电阻致密度,晶粒结构和电学性能的影响。结果表明:当Bi2O3与Sb2O3的摩尔比为0.7:1.0时,ZnO压敏电阻的综合性能最优,其晶粒生长得最为均匀致密,电位梯度达到361V/mm,非线性系数为86,漏电流密度为7×10–8A/cm2;另外,在耐受5kA电流下的8/20μs脉冲电流波后,其残压比和压敏电压变化率分别为2.6和2.5%。

干燥制度对ZnO压敏电阻片复合添加剂颗粒团聚的影响

对采用籽晶分步包膜技术制备氧化锌压敏电阻片粉体所获得的添加剂复合粉体前驱体聚沉物的干燥分解过程进行了研究.提出了采用'半干'干燥技术处理聚沉物的思路,试验证明聚沉物经清洗净化'半干'处理,即半干状态(水分约20%～30%)直接煅烧分解,可以获得无团聚或弱团聚的添加剂氧化物复合粉体颗粒;煅烧分解温度与其颗粒细度密切相关,得出(600～650)℃下煅烧分解效果最佳.由此得到的添加剂氧化物复合粉体与ZnO混合烧成所得压敏电阻片的电位梯度约(2.1～2.6)kV/cm和能量耐受能力提高近1倍的优异性能.半干思路与技术为解决湿法制备粉体,避免颗粒团聚尤其是避免形成硬团聚提供了一条新途径.

ZnO压敏电阻在8/20μs脉冲电流作用下的动态伏安特性分析

测量及分析了ZnO压敏电阻在8/20μs脉冲电流作用下的动态伏安特性。ZnO压敏电阻的动态伏安特性曲线显示,电流上升曲线与电流下降曲线不重合,电流上升过程对应的电压高于电流下降过程对应的电压。分析认为,这种现象与ZnO压敏电阻在脉冲电压作用下的转移特性有关,并应用空穴诱导隧道击穿理论解释了这一现象产生的机制。

高电位梯度ZnO压敏电阻的高压稳压性能研究

采用稀土掺杂和低温烧结的方法制备出高电位梯度的ZnO压敏电阻,并研究了Y2O3掺杂浓度对试样电位梯度和稳压性能的影响。结果表明,在800℃的烧结条件下,掺杂0.08%(摩尔分数)Y2O3后试样的电位梯度增加了49%,稳压系数达到1.99×10-2。从微观角度对ZnO压敏电阻烧结过程中的物化反应分析发现,较低的烧结温度能够抑制Y2O3的受主固溶和Bi2O3的挥发,减缓晶粒的生长速度,改善晶界质量,从而提高试样的电位梯度,实现高压稳压。