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。     

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1 150℃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。     

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SiO₂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Si⁴⁺/Zn²⁺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/cm²,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@SiO₂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。     

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。     

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。     

雷电阻尼振荡波冲击下ZnO压敏电阻性能的分析

针对雷电阻尼振荡波冲击下ZnO压敏电阻性能的问题,通过对ZnO压敏电阻的理论分析,利用理论与试验相结合的方法,采用雷电阻尼振荡波对ZnO压敏电阻进行冲击试验,分析其吸收的能量、残压、内阻随雷电阻尼振荡波输出的冲击电压的变化规律.这为ZnO压敏电阻在实际防雷的应用提供一定的参考.     

性能优异的贴片式ZnO压敏电阻

开发了一款新型贴片ZnO压敏电阻,采用单层压敏陶瓷片,制造的贴片压敏电阻吸收能量密度大,可用于中高电压回路。其银电极边缘覆盖一层绝缘防水色环,经过多次脉冲后,该防水绝缘色环仍然紧密结合,可靠性良好。直接将高焦耳压敏电阻片贴于PCB板,使得其性能、成本更优于塑封型贴片压敏电阻或者层叠式压敏电阻,由于其良好的散热性能,其性能亦优于插件型压敏电阻。     

低场强高能ZnO压敏电阻的应用研究

介绍了用于电力电子装置过电压保护的低场强高能ZnO压敏电阻的组成结构,伏安特性及其等效电路,详细讨论了该保护元件的限压能力、在不同情况下的能量容量、承受脉冲负荷时的要求,最后给出了低场强高能ZnO压敏电阻在电力电子电路中的接线方法及参数选取方法。     

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。     

现场总线技术用于ZnO压敏电阻片制造电器智能化的思考

ZnO压敏电阻片制造工艺复杂,工序多,周期长,设备多,控制技术要求高,随着测量控制设备仪器的智能化水平的提高,进一步提高自动化程度,提高控制能力,减少损失。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字双向传输的通信网络,是工业过程控制、制造业等领域自动控制技术发展的热点。本文简要介绍了现场总线的主要种类和基本特点及其应用,对ZnO压敏电阻片制造的现场智能设备和仪器仪表的现地与远程控制的实现作了一些思考,利用现场总线技术实现对金属氧化物避雷器用氧化锌压敏电阻片的制造进行现地和远程自动控制,提高制造水平,提高压敏电阻片电气性能的均一性,降低分散性,避免损失。     

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。     

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。     

Al、Ga离子对ZnO压敏电阻阀片电气性能的调控

为获取高性能氧化锌压敏电阻阀片,研究了采用镓离子、铝离子共同掺杂的氧化锌压敏电阻的电气性能。测试了氧化锌压敏电阻的小电流区以及高场区的伏安特性曲线。在固定的铝离子掺杂浓度下,随着镓离子掺杂浓度的增加,氧化锌压敏电阻的电压梯度以及非线性系数均表现出了先上升后下降的变化趋势,除此之外,泄漏电流表现出了先下降后上升的变化趋势。当硝酸铝和硝酸镓掺杂摩尔分数分别为0.1%和0.72%时,氧化锌压敏电阻可以获取最佳的电气性能,此时压敏电阻表现出了低残压、高非线性系数以及低泄漏电流的特性。该研究有助于装配电气性能优异的氧化锌压敏电阻。     

CuCr触头材料微观特性对其宏观性能的影响

本文总结和分析了ＣｕＣｒ真空开关触头材料的含气量、晶粒尺寸、致密度及成分均匀分布等微观特性对其分断能力、耐压性能、截流值等宏现性能的影响,并简要分析了现有的一些工艺方法,为真空开关ＣｕＣｒ触头材料的研究开发和应用提供参考。     

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、...     

Y2O3、Ga2O3和B2O3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(E_1mA),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Y₂O₃、Ga₂O₃和B₂O₃共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响。掺杂的Y₂O₃通过钉扎效应能够显著抑制ZnO晶粒的生长提高样品的E_1mA。Ga₂O₃的掺杂则有助于提高晶界层的势垒高度(φ_b)、抑制泄漏电流密度(J_L)的增加。而B₂O₃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J_L。此外,B₂O₃的掺杂能够促进ZnO晶粒与其他...     

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。     

基于Voronoi网格研究ZnO压敏电阻微观参数对其电气性能的影响

ZnO压敏电阻是由大量ZnO晶粒和晶界组成的多晶半导体器件,其内部ZnO晶粒微观结构的几何形状和拓扑结构以及晶界的性能和电气特性分布对ZnO压敏电阻的宏观电气特性的影响非常明显。因此,基于Voronoi网格建立ZnO压敏电阻的微观结构模型和晶界电路模型,研究微观参数的变化对其宏观电气性能的影响。仿真结果表明：通过减小平均晶粒尺寸、提高表面态密度或者降低施主浓度等措施,能够明显提高ZnO压敏电阻的电压梯度,电压梯度的提高有助于降低其残压比;降低晶粒电阻率,可减小ZnO压敏电阻的残压比,同时对其他电气参数无明显影响。因此,研发高梯度、低残压的ZnO压敏电阻,应采取以减小平均晶粒尺寸、降低晶粒电阻率作为主研究路线,以提高表面态密度、降低施主浓度等作为辅助措施的研发策略。     

压敏电阻限制电压测试回路参数的仿真计算

仿真计算非线性压敏电阻限制限压测试回路的参数得出了回路及负载参数与回路输出波形参数间的关系。计算和试验结果表明 :选择合适的调波电阻、电感等回路参数可在负载动态电阻变化范围较大的情况下满足 IEC和国标规定的冲击电流波形     

电涌保护器(SPD)中ZnO压敏电阻器的组合性能

本文综述了电涌保护器(SPD)中Zn O压敏电阻器的并联性能和并联实验结果,借用文献[1]的研究成果,利用压敏电压U1m A这一参数进行选片,综合提出了有效的选片方法。在低压电气系统中安装两个或两个以上SPD,综述介绍了SPD之间的能量配合。