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。

直流可控避雷器用并联可控间隙电弧的维持规律

根据白鹤滩—江苏±800kV特高压直流输电工程提出的技术需求,针对系统过电压幅值较低情况下可控间隙动作时间隙无法维持导通状态至机械开关动作的情况,设计了可控避雷器用并联可控间隙并开展研究。通过补充的Mayr电弧模型对给定条件下触发器注入能量与间隙电弧维持时间的关系进行了分析和预测,并搭建实验平台研究了触发器提供的功率及能量对间隙电弧维持时间的影响,结果表明提高触发器的功率和能量都可以提高间隙电弧维持燃烧的时间;间隙主回路能量不足时,触发器提供的能量可以作为衡量间隙最低导通能力的标准。最终通过5路触发器间隔1ms接续触发的方式,使间隙在主回路没有能量注入时也能维持导通5ms,从而具备了与快速机械开关无缝时序配合的能力,为采用并联可控间隙的可控避雷器方案的推广提供了理论支持。

±800kV直流输电工程用避雷器动作负载试验方法研究

±800 kV直流输电工程中避雷器的运行工况不同于交流系统中的避雷器,其动作负载试验方法不同于交流系统用避雷器的动作负载试验方法。首先对CIGRE TC33/14.05标准中所列避雷器动作负载试验程序进行了分析。解决了高能放电试验回路、大电流冲击试验回路以及直流背靠背试验回路中的关键技术问题,并在实验室里建立了进行直流避雷器动作负载试验的装置。最后按照有显著持续运行电压的动作负载试验程序,利用所建立的试验装置和回路对±800 kV直流工程换流阀用避雷器进行了动作负载试验。

换流站直流场避雷器带电测试抗干扰研究

直流避雷器在正常运行电压下漏电流较小,为微安级别,难以准确采集,且极易受外界条件干扰,目前国内对直流避雷器带电测试抗干扰研究工作开展较少。文中通过实验室开展直流避雷器在持续电压下的漏电流试验,研究漏电流受直流电压波动、温度和表面污秽等因素的干扰情况,并提出相应抗干扰措施,有利于排除直流避雷器开展带电测试过程中的干扰因素,准确判断直流避雷器运行状态。结论如下:(1)大幅值的直流电压波动会对直流场避雷器带电测试造成干扰,但在直流系统电压波动允许的±3%范围内,漏电流变化量与电压波动呈线性关系,带电测量直流避雷器漏电流时,必须记录当时的直流系统电压,以便对漏电流进行换算;(2)在直流避雷器正常运行温度范围内,漏电流的最大变化量不超过5μA,漏电流受避雷器内部温度影响较小,可忽略不计;(3)表面污秽对避雷器漏电流测试结果干扰比较严重,在直流避雷器表面潮湿且存在污秽的条件下,开展带电测试时必须加装屏蔽环,加装位置可以选择在避雷器低压端距法兰2-3个伞裙处。

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。

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。

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)。

多柱并联直流中性母线避雷器均流特性试验研究

发生直流线路接地或极母线接地故障时,直流中性母线避雷器将产生很大的能量,为满足能量要求,中性母线避雷器采用了多柱并联的结构。为避免电流分配不均使某一柱避雷器阀片吸收能量过大损坏,必须严格控制多柱并联避雷器的电流分布不均匀系数。目前判断多柱并联避雷器均流特性优劣的方法为测试通过单柱100~1 000 A的雷电冲击电流下的不均匀系数不大于1.1。而通过直流中性母线避雷器的电流波形与测试采用的波形相差较大,文中结合直流中性母线避雷器典型电流幅值和波形,开展电流分布试验,验证电流分布特性是否符合要求,并分析了冲击电流大小、波形对电流分布特性的影响。结果表明,在单柱25~500 A的冲击电流范围内,随着电流减小,避雷器电流分布不均匀系数总体呈现增大的趋势;在小电流下,电流波形对多柱并联阀片的均流特性基本没有影响。

避雷器能量吸收与均流技术的研究

多柱并联避雷器的电阻片之间存在电流分布不均匀的现象,影响多柱并联避雷器整体能量吸收能力。分析了影响避雷器电流分布不均的因素,利用专门的试验回路分别对4柱并联的单片电阻片、多片电阻片和电阻片柱进行了试验验证。结果表明:为达到均流的目的,避雷器电阻片配组时,电阻片的U1mA相差不宜超过0.5%,残压不宜超过1%,避雷器各柱电流分布不均匀系数应小于110%。

800kV罐式金属氧化物避雷器的研制

为了满足国家重点工程"750 kV西宁—永登—白银输变电工程"用800 kV GIS开关设备的需求,笔者开发了800 kV罐式MOA,介绍了交流800 kV SF6罐式无间隙金属氧化物避雷器的性能参数、结构及试验等情况。产品采用高性能电阻片,内部芯体采用Z形结构,用于降低产品的高度。对避雷器的电压和电场分布特性、内绝缘性能、机械强度等关键技术进行了研究。试验结果表明,研制出的避雷器的最大电位分布不均匀系数为11.7%,通过了雷电冲击2 100 kV、操作冲击1 550 kV和工频960 kV的内绝缘耐受试验、壳体强度及运输试验。研制的800 kV罐式避雷器已在750 kV输电工程中应用。

新型避雷器脱离装置用脱离器的研究

对脱离器的使用环境和运行状况进行了简单介绍,并阐述了脱离器的运行原理和现有脱离器存在的主要问题,讨论问题产生的原因,针对这些原因,结合相关标准和实际需要,确定了一种新型脱离装置用脱离器的各项性能指标。基于上述指标进行设计和试制,随后对提出的性能指标进行了相关试验验证,确保了设计结构的可靠性。

长脉宽冲击电流下氧化锌避雷器阀片老化特性

在直流输电工程中,大地回线和金属回线转换是一项十分重要的操作,而转换开关两侧并联的氧化锌避雷器阀片对其过电压进行限制,确保其能转换成功。在转换开关实际工况中,氧化锌避雷器阀片承受的实际工况多数为长脉宽冲击电流。通过肖特基势垒理论以及离子迁移率对氧化锌避雷器阀片在40 ms长脉宽冲击电流下的老化规律进行研究,得出以下结论:1)长脉宽冲击电流下,U_(1 mA)先略微下降再到平缓甚至一直保持不变,即说明电流分布集中势垒较高的晶界层单元链中,并对阀片整体晶界层起到均一化作用。2)随着脉冲次数的增加,500 A残压值的增加速度由快到慢,即逐渐平缓,其中填隙锌离子的迁移建立其的电场使得后续的离子难以迁离至晶界层中,进而使得后续势垒变化速度较慢。

氧化锌电阻片产生偶发性和常见性缺陷的原因及预防措施

分析了避雷器用氧化锌电阻片制造过程中常见和偶发性缺陷的原因。偶发性大量起泡、大气孔缺陷主要原因归结为原材料含有煤粉杂质,窑炉保温玻璃棉、碳化硅粉混入浆料,环境中灰尘混入;大小气孔的存在造成气孔率高,主要原因是粉料颗粒在成型时没有破碎,排胶升温太快等;开裂或者空气夹层主要原因是粉料含水太低、压机加压程序调节不当;模具间隙过大、模具安装不同心,或者模具加工粗糙,排胶预烧阶段升温过快。针对不同情况提出了相应的预防措施。

掺杂CaO对SnO2压敏电阻稳定性的影响

研究了掺杂不同浓度CaO对SnO_(2)压敏电阻稳定性的影响,样品在0.9 E_(1mA)/135℃/160 h的连续电压应力下进行交流加速(50 Hz)老化试验,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射、电流-电压(E-J)、电容-电压(C-V)等测试手段对样品进行测量并观察老化前后电学性能和微观结构的变化。结果表明,当CaO掺杂浓度为0.04mol%时,老化后样品的电压梯度最高为744.65 V·mm^(-1),泄漏电流最低为6.88μA·cm^(-2),老化系数为0.058,样品在实际运行中的稳定性有所提高。造成这种变化的主要原因是CaO通过固溶反应后产生的氧空位和深层缺陷促进了势垒的形成。

500kV串补MOV短时工频电压耐受能力试验研究

针对南方电网中串补MOV故障频发的现象,基于串补输电系统区内故障工况,设计了串补MOV短时工频耐受试验方案,并搭建了MOV工频电压耐受试验回路,开展了8支MOV试品的工频电压耐受试验。试验结果证明,单支MOV具有较强的工频能量吸收能力,MOV间隔数分钟可承受多次负载作用;在高工频电压应力和热应力下,随着耐受时间的增加,MOV电阻阀片温度迅速升高,电阻片柱侧面绝缘的耐受能力降低,从而导致MOV电阻片柱沿面闪络发生。

我国10kV配电类避雷器关键性能分析

10kV配网类避雷器在我国配网过电压保护中起重要作用,长期以来基于GB/T 11032-2010(IEC 60099-4:2009 MOD)标准的要求,我国10 kV无间隙金属氧化物避雷器产品质量有了稳定的提高。近年来,随着国网、南网对重负载配电避雷器的成功研制和推广应用,以及IEC 60099-4:2014、新修订的GB/T 11032-2020标准的要求内容变化,对于10kV配网类无间隙金属氧化物避雷器的整体设计、电阻片选型、能量耐受要求等诸多方面提出了更高要求。笔者分析了当前常用的10 kV配网类无间隙金属氧化物避雷器的关键性能,针对新国标要求的变化,分析了今后避雷器产品检测中的侧重点和对避雷器性能的新要求。

35kV线路避雷器在电网中的防雷应用

从线路避雷器防雷的工作原理入手,介绍了线路避雷器具有很好的钳制电位作用,可以确保绝缘子串不发生闪络,从而达到防止输电线路雷击跳闸事故发生的目的。通过四川某电业局配网针对线路避雷器在35 kV线路应用及防雷效果,证明线路避雷器可以有效降低雷击跳闸,从而为线路提供可靠保护。并且从技术经济角度考虑,根据线路历年雷击跳闸记录、雷电分布及雷击跳闸类型可进行选择性安装。通过对线路避雷器的运行情况进行调查、分析和总结,建议每5年对运行中线路避雷器进行一次抽查试验,对其性能进行评估。鉴于目前的防雷形势,建议继续推进线路避雷器的防雷应用,但由于线路避雷器大量挂网,一定程度上增加了线路的维护压力,同时线路避雷器对整条线路的防雷效果主要取决于正确选定易击段、易击塔、高阻区,因此强调应适度控制安装规模和注重安装选点工作。

均压环的尺寸对避雷器电位分布的优化

通过ANSYS软件对避雷器进行仿真计算,探讨与研究均压环的尺寸对避雷器电位分布的影响。利用优化结果,通过试验的方法,验证了仿真优化结果,确定了避雷器的电位分布不均匀系数。

1000kV避雷器电流分布试验方法及特性的研究

介绍了1 000 kV交流系统用避雷器的电流分布试验方法及研究结果。在操作冲击电流和雷电冲击下多柱并联电阻片的电流分布试验结果表明,冲击电流的波形对电流分布系数的影响不大,但在同一波形下随着冲击电流幅值减小,电流分布系数增大;同时分析了电阻片配组参数,当按照每层每片电阻片的直流2 mA参考电压值和500 A操作冲击残压值之间的偏差同时小于0.5%的原则进行配组,电流分布系数小于10%;不同串联片数的4柱并联电阻片组进行试验,结果表明,随着串联电阻片的数量增加,电流分布系数减小。

氧化锌避雷器用电阻片产生气孔等缺陷原因的调查分析及解决途径

综述了几家避雷器用氧化锌电阻片断续产生气孔、炸裂、局部圆周侧面出现裂缝等缺陷的原因调查概况。得出缺陷的原因主要是由于工艺操作等原因引起的。提出避免干燥塔壁长期积存粉料、减小粉料颗粒,以及加强浆料过筛、减小模具间隙、避免非颗粒状粉料进入坯体等,是解决这些缺陷的有效措施。