新型ZnO压敏电阻片的研究进展

为了更好地满足1000kV交流系统和±800kV直流系统中各种避雷器对安全可靠性、重量轻、体积小型化的要求,国内外竞相开展了提高ZnO压敏电阻片电位梯度和能量耐受密度的研究开发工作。本文分析了国内外用于交直流系统避雷器的高电位梯度大能量耐受密度ZnO压敏电阻片的研究开发和应用进展,总结了提高ZnO压敏电阻片电位梯度(达4.OkV/cm)和能量耐受密度(达300J/cm3)的途径。     

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...     

ZnO压敏电阻片的应用研究进展

本文针对1000kV交流系统和±800kV直流系统中各种避雷器对安全可靠性、重量轻、体积小型化的要求,总结了国内外竞相开展的提高ZnO压敏电阻片电位梯度和能量吸收能力的研究开发工作。综述分析了国内外用于交直流系统避雷器的高电位梯度、大能量吸收能力的新型ZnO压敏电阻片的研究开发和应用进展,总结了提高ZnO压敏电阻片电位梯度(达4.0kV/cm)和能量吸收能力(达300J/cm3)的主要途径。     

Al2O3掺杂ZnO压敏电阻在不同烧结温度下的电气特性研究

在不同烧结温度下制备了氧化铝(Al₂O₃)掺杂的氧化锌(ZnO)压敏电阻,并对其进行扫描电子显微镜、X射线衍射、电流-电压、电容-电压测试以研究ZnO压敏电阻的微观结构和电气特性。结果表明:随着烧结温度的升高,Al₂O₃掺杂的ZnO压敏电阻泄漏电流得到了明显的抑制,这是由于施主密度和界面态密度不断增大,提高了晶界的势垒高度。而Al³⁺随着烧结温度的升高会不断地固溶入ZnO晶粒中,降低了晶粒电阻率,从而降低ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比。当烧结温度为1150℃时,ZnO压敏电阻的电气特性最佳,电压梯度为418.70 V/mm,泄漏电流为0.74,残压比为1.68,非线性系数为67.5,有助于提高ZnO避雷器的保护性能,实现深度限制电力系统,特别是特高压系统的过电压。     

采用镓离子掺杂的高通流容量氧化锌压敏电阻

ZnO压敏电阻是避雷器的核心器件,其性能决定高压设备的绝缘水平。该文研究了通过氧化镓掺杂来提高氧化锌压敏电阻的通流容量。为此,测试了氧化锌压敏电阻的小电流区以及高场区的I-V特性曲线。小电流区的测试结果表明,镓离子掺杂提高了氧化锌压敏电阻的表面态密度以及氧化锌晶界层的势垒高度,从而使氧化锌压敏电阻的泄漏电流得到了抑制,进而提高了氧化锌避雷器的长期运行可靠性。大电流区的测试结果表明,镓离子的引入使得I-V曲线右移,因此氧化锌压敏电阻的非线性区得到了扩大,从而也显著提高了压敏电阻的通流能力。当掺杂的氧化镓摩尔分数为0.45%时可以获取最佳的电气性能,此时压敏电阻的泄漏电流0.96μA/cm~2,非线性系数为85,残压比1.63,电压梯度达到434V/mm。此研究有助于提高以氧化锌压敏电阻为核心器件的避雷器的保护效果,实现深度限制电网过电压,改善电力系统的安全稳定性。     

特高压交流110kV并联电容器组相对地过电压研究及避雷器能量选择

特高压交流工程110 k V并联电容器装置采用避雷器作为相对地过电压保护设备,避雷器的吸收能量需要根据电容器组结构形式和运行工况确定。以110 k V/240 MVA并联电容器装置为研究对象,利用电力系统过电压理论分析了开关正常分闸及重击穿时电容器组的相对地过电压水平,采用电压电流积分法推导出分闸重击穿时注入避雷器的能量,并采用EMTP软件进行了仿真计算,仿真计算结果与理论分析结论一致。研究表明:对于110 k V并联电容器装置,当某相开关发生重击穿时,相邻相避雷器吸收能量最大,建议特高压工程110 k V并联电容器装置用避雷器吸收能量不小于1 MJ,2 ms方波通流容量不小于1 500 A。     

超高电位梯度ZnO避雷器的开发

目前，日本国内高电位梯度ZnO避雷器的开发盛行。日本国内众多厂家已开发出400V／mm高电位梯度ZnO电阻片。但对高电位梯度ZnO电阻片的研发工作从未停止。最新又研发出600V／mm超高电位梯度ZnO电阻片。这里以日本东芝公司为例。     

氧化锌压敏电阻综合性能的多元掺杂综合调控

氧化锌压敏电阻是避雷器的核心元件。研究了多元素掺杂的稀土掺杂的氧化锌压敏电阻的电气性能,选用了铝、镓、钇元素掺杂来综合提高氧化锌压敏电阻的综合电气性能。随着镓元素的引入,稀土钇掺杂的氧化锌压敏电阻的泄漏电流得到了明显的抑制。Ga~(3+)占据了氧化锌晶界层上的空位,从而提高了晶界的势垒高度,因此,压敏电阻的泄漏电流得到了有效的抑制。Y_2O_3主要位于氧化锌晶粒的周围抑制氧化锌晶粒的生长,从而提高了压敏电阻的电压梯度。Al~(3+)固溶到了氧化锌晶粒中降低了晶粒的阻抗,因此可以有效降低压敏电阻在通过大电流时的残压比。当氧化镓、硝酸钇、硝酸铝的掺杂摩尔分数分别为0.5、0.9、0.2时可以获取最佳的电气性能,此时压敏电阻的非线性系数为83,残压比1.56,泄漏电流密度为1.44μA/cm~2,电压梯度达到479 V/mm。此多元素掺杂研究有助于提高氧化锌避雷器的保护性能,实现深度限制电力系统,特别是特高压系统的过电压。     

Bi_2O_3含量对ZnO压敏电阻热刺激电流特性的影响EI北大核心CSCD

ZnO压敏电阻的性能优劣直接关系到ZnO避雷器性能的好坏进而影响电力系统的安全稳定运行,而ZnO的烧结配方是决定其性能优劣的一个主要因素。为了研究Bi_2O_3含量对ZnO压敏电阻片电气特性的影响规律,对不同Bi_2O_3含量的ZnO压敏电阻片试样进行热刺激电流特性测试、电子显微镜扫描测试、伏安特性测试。研究结果表明:随着Bi_2O_3含量的增加,ZnO晶粒尺寸增大,ZnO压敏电阻片的电压梯度降低。随着Bi_2O_3含量的增加,ZnO压敏电阻片的非线性系数、陷阱电荷量先增大后减小。添加剂Bi_2O_3可以促进液相烧结,形成陷阱和表面态,在界面上形成势垒,使材料具有优异的非线性特性,从而改善ZnO压敏电阻片的电气特性。     

高电位梯度ZnO避雷器与GIS

日本使用输电线路避雷器的数量为世界之最。因此,日本也就特别关心避雷器的研发。日本于上世纪90年代中期推出高电位梯度ZnO避雷器。高电位梯度ZnO避雷器的电位梯度为400V／mm,是普通的三倍。普通电阻元件的晶粒平均直径约为20μm,而高电位梯度ZnO电阻元件的晶粒平均直径约为10μm。ZnO元件的电压—电流特性取     

Development of advanced built-in surge arresters for distributionsystem with new zinc-oxide elements

New zinc-oxide elements with a varistor voltage about twice that of conventional ones have been developed by reducing the ZnO grain size with a new additive, which enables halving of the series number of elements in a metal oxide surge arrester. Using these elements, we have developed advanced built-in surge arresters enclosed in 6.6 kV pole transformers and switchgear. The advanced arresters have been reduced in volume by 25% compared with conventional ones. This paper describes the specification and construction of the advanced arresters and the results of various evaluation tests     

特高压交流试验示范工程110kV并联电容器装置用避雷器的选择

特高压工程用110 kV特大容量电容器装置对避雷器提出了较高的要求。笔者通过对避雷器技术参数(方案)的确定,尤其是2 ms方波通流容量和吸收能量的计算,为避雷器的选型提供依据,并提出通过特定的试验项目对选型进行验证,希望能为将来的特高压工程并联电容器装置用避雷器选型提供参考。     

Development of polymeric surge ZnO arresters for 500-kV compact transmission line

The 500-kV polymeric ZnO surge arresters for compact transmission line against lightning overvoltage were developed and have been put into operation, which consists of arrester unit and series gap. The design of the arrester unit, including structure design, selection of ZnO varistor, parameter determination, polymeric housing design, and mechanical structure design was discussed. The design of the series gap and the determination of the series gap length were presented. The calculated results state the line surge arrester can highly improve the lightning withstand level of the compact transmission line, and the line surge arrester can withstand the effects of lightning.     

A. C. Voltage Ageing of Zinc - Oxide Ceramics

The study of a.c. voltage ageing, in various fluids (air, SF6, transformer oil), of zinc-oxide based ceramics for HV and EHV surge arresters enabled the following points to be elucidated: - two classes of blocks are identified: those, which exhibit a degradation in air and still a more significant degradation in SF6 or oil, and those which do not show any visible degradation phenomenon; - the degradation of blocks affects mainly their periphery. From these experimental results, it was possible to estimate the actual lifetime of a surge arrester, by taking into account the influence of the continuous operating voltage, overvoltages and thermal dissipation coefficient of the surge arrester. An accelerated ageing test applicable to ZnO based ceramics, that can be used in a.c. power system surge arresters, is proposed.     

新型500 kV金属氧化物避雷器电位分布研究

避雷器并联均压电容可以降低其电压分布不均匀系数,但同时也会带来外套管径变大、电场分布变为非轴对称、性能难以检验及运行可靠性下降等诸多不安全因素,因此使用均压电容往往得不偿失。随着金属氧化物电阻片性能的提高,500 kV避雷器去掉均压电容已成为一种趋势。笔者研究了一种新型500 kV金属氧化物避雷器,通过合理设计均压环完全可以解决避雷器电压分布不均匀的问题。     

基于电压补偿原理的避雷器泄漏试验方法研究

直流参考电压U1mA和0.75倍U1mA下的泄漏电流测量是避雷器交接和例行试验项目之一。220 kV及以上避雷器常采用多节单元,由于避雷器制造工艺、均压环影响等原因,同一相避雷器各单元的伏安特性存在一定差异,当差异较大时,必须拆除引线,分单元进行避雷器直流泄漏试验。在对220 kV及以上避雷器伏安特性进行分析的基础上,提出了1种基于电压补偿原理的避雷器直流泄漏试验方法,设计了1台可调极性直流高压发生器。通过现场实用,验证了试验方法的有效性。     

500 kV线路ZnO避雷器电位分布计算与试验分析

采用一种新的模拟面电荷—表面电荷法对研制的两种５００ｋＶ悬挂式ＺｎＯ避雷器阀片柱沿面电位分布进行了计算。计算与现场实测结果进行对比,验证了计算结果的正确性。     

考虑微观特性的ZnO压敏电阻计算模拟模型

电力设备的绝缘水平建立在避雷器的过电压保护水平基础之上。ZnO压敏电阻具有优良的非线性电压-电流特性和浪涌能量吸收能力,被广泛用作电力系统避雷器的核心元件。ZnO压敏电阻的电气特性由其复杂的微结构和晶界特性决定。该文以Voronoi网络模型为基础,建立ZnO压敏电阻的微观结构模型。采用考虑晶间旁路效应的晶界分区模型,建立求解氧化锌压敏电阻宏观电气性能的大规模非线性电阻网络方程。针对难以采用常规牛顿迭代方法求解的问题,提出基于分段线性化和差分重构的快速求解优化算法,计算结果误差指标在10-3数量级以下。采用模型计算得到了尖晶石含量、晶粒尺寸不均匀度以及气孔率等微观结构参数对ZnO压敏电阻宏观电气性能的影响规律。     

Improved zinc oxide surge arresters using high voltage gradient 300V/mm, 400 V/mm ZnO elements

Zinc oxide surge arresters using zinc oxide (ZnO) elements have been widely used for insulation coordination in the world's power systems. These ZnO elements have basically reference voltage of about 200 V/mm. Recently, new ZnO elements having about 1.5, 2 times high voltage gradient zinc oxide element have been developed. This paper describes applications of high voltage gradient 300 V/mm ZnO elements to high performance porcelain type surge arresters and oil immersed surge arresters, and 300 V/mm or 400 V/mm ZnO elements to gas insulated tank type surge arresters for power systems. Adequate selection of voltage gradient of ZnO elements makes more compact design of the surge arresters     

1 000 kV特高压避雷器泄漏电流异常缺陷分析

针对某1 000 kV特高压变电站主变压器高压侧避雷器运行发现泄漏电流异常的情况,从避雷器瓷瓶污秽径向放电、表面泄漏电流干扰、电网电压谐波影响以及内部阀片受潮4个方面进行了全面分析,并采用有效措施进行了诊断,最后根据诊断的结论对避雷器进行了有针对性的停电检查和返厂处理,最终印证了其中的推论。所进行的分析与诊断对国内特高压避雷器的运维工作有一定的参考性。