CN102390992B

CN102390992B - 一种直流避雷器用电阻片及其生产工艺

Info

Publication number: CN102390992B
Application number: CN 201110226386
Authority: CN
Inventors: 王兰义; 赵冬一; 胡淑慧; 徐学亭; 刘明新
Original assignee: NANYANG JINGUAN ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: Golden Crown Electric Ltd By Share Ltd
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: CN102390992A

Abstract

本发明公开了一种直流避雷器用电阻片，是由Bi₂O₃、Sb₂O₃、Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂、Al(NO₃)₃、B₂O₃、粘合剂、分散剂、消泡剂和ZnO十二种原料制成。该电阻片采用了新的配方体系和生产工艺，添加元素成分少、工艺简单及成本低，电阻片内部结构更加稳定均匀，由此大幅度提高了耐老化性、电流冲击的稳定性、导热性、方波通流容量等各种性能，能完全满足各种直流避雷器的要求，并能实现各种直流避雷器的通用，实现交/直流避雷器通用，容量大、压比小、允许荷电率高，并具有足够的安全裕度。

Description

一种直流避雷器用电阻片及其生产工艺

技术领域

本发明属于电力系统避雷器技术领域，是一种直流避雷器用电阻片及其生产工艺。

背景技术

直流输电与交流输电相比，有着许多优越性，如传输容量大、较小的输电走廊空间、不同频率交流系统的联结等等，尤其是在大于800km的长距离输电工程中，有着良好的技术经济效益比。但直流输电目前还存在着许多未解决的难题，特别是在直流输电工程中，直流金属氧化物电阻片是高压直流避雷器的核心部件，对电阻片的研制和生产至关重要。与交流避雷器不同，直流避雷器品种繁多，各种直流避雷器之间的主要区别是作用电压或持续运行电压，直流电压下非线性电阻片的导电机理与交流电压下完全不同。由于持续运行电压波形的改变，传统的交流氧化锌电阻片在直流电压作用下很快就会老化、热崩溃，无法满足直流输电对电阻片老化性能的要求。也就是说，直流电阻片要求具有更好的老化性能，而由于且老化机理也不同这就要求采用不同的热处理工艺。现在直流氧化锌电阻片的制造主要采用日本专利特開昭56-142601介绍的技术，即在现有交流电阻片烧结后，将烧结后的电阻片两端面磨片，用去离子水清洗后，需要在电阻片两端面涂氧化铋浆，而后需要在900℃以上温度进行热处理。使得制造工艺复杂化，而且热处理对于能源需求较大，从而增加了制造成本。中国专利申请号为CN101503292A“直流氧化锌电阻片配方”的专利公开了直流氧化锌电阻片配方，但配方中含有Cr₂O₃和SiO₂，其中Cr₂O₃有毒，SiO₂会与ZnO发生化学反应生产硅酸锌，由于硅酸锌的导热系数较ZnO低，因此SiO₂的加入使氧化锌电阻片的电性能尤其是方波通流容量变差。因此，该项技术难于推广，目前在工艺上普遍采用的仍然是在电阻片两端面涂氧化铋浆，而后在900℃以上温度进行热处理的传统工艺。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种直流氧化锌电阻片配方及其制造方法，采用该配方制备出的直流输电系统用电阻片，能够满足直流输电系统对电阻片伏安特性、老化等各方面性能的要求，同时有利于简化工艺和降低成本。

实现本发明的目的所采取的技术方案是：一种直流避雷器用电阻片，是由下列重量百分比的原料制成：Bi₂O₃：4.0%～6.0%；Sb₂O₃：4.0%～6.0%； Co₂O₃：1.0%～2.0%；MnCO₃：0.50%～1.50%；NiO：0.80%～2.00%；ZrO₂：0.1%～1.0%；Al(NO₃)₃：0.03%～0.06%；B₂O₃：0.10%～0.20%；粘合剂0.6%～1.2%；分散剂0.3%~ 0.9%和消泡剂0.1%～0.4%；余量为主料ZnO。

所述粘合剂采用聚乙烯醇或聚丙烯酸乳液。

所述分散剂采用十四烷基醋酸胺或聚丙烯酸铵或聚乙烯亚胺。

所述消泡剂采用磷酸三丁酯或煤油和异丙基乙二醇按1：1质量配比的混合物。

一种生产所述直流避雷器用电阻片的生产工艺，其工艺流程包括：备料→造粒→压制→排胶、预热→烧成→研磨→热处理→喷电极→涂覆绝缘层，具体工艺是按照以下方法进行:

1）备料：按所述配比分别称取Bi₂O₃、Sb₂O₃、 Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂、Al(NO3)₃、B₂O₃、粘合剂、分散剂、消泡剂和ZnO，将Bi₂O₃、Sb₂O₃、 Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂和B₂O₃混合后进行煅烧，并粉碎至粒径≤1μm，制成混合粉料备用，其中煅烧温度为750℃～850℃，煅烧时间为0.5～1小时，再将Al(NO₃)₃加水制成质量百分比浓度为10%的Al(NO₃)₃水溶液备用；

2）造粒：将ZnO 加去离子水后，与制备的混合粉料、粘合剂、分散剂、消泡剂及制备的Al(NO₃)₃水溶液混合成均匀的料浆，进行喷雾干燥制成粒径为60～120μm的颗粒料备用，其中，料浆中含混合粉料重量百分比控制在65～70%；

3）压制：将颗粒料加水搅拌均匀制成湿料，湿料中按重量含水率控制在1～1.5%，再陈腐12～24小时，然后按照设定的直径和厚度压制成圆片形素坯，其中，素坯的密度应≥3.20g/cm³；

4）排胶、预烧：将素坯装入加热窑炉中进行排胶和预烧，排胶温度为400～500℃，排胶时间为2～4小时，预烧温度为800～900℃，预烧时间为2～4小时；

5）烧成：将预烧后的素坯在1050℃～1250℃温度条件下，保温4小时烧成压敏陶瓷片；

6）研磨：研磨烧成后的压敏陶瓷片两端面，按照设定值保证陶瓷片两端面的平行度和每个端面的平整度；

7）热处理：将研磨后的压敏陶瓷片在加热窑炉中进行热处理，热处理温度为550℃～650℃，热处理时间为4～11h，其中，升温速率控制在100～120℃/小时，降温速率控制在40 ～ 60℃/小时；

8）喷涂：将热处理好的压敏陶瓷片两端面喷铝电极，最后在压敏陶瓷片侧面涂敷绝缘层即可。

所述加热窑炉采用隧道式电窑。

在本发明中，直流避雷器用电阻片是以氧化锌、三氧化二铋、三氧化二锑、氧化亚镍、三氧化二钴、碳酸锰、二氧化锆为主要组分组成的新配方体系，电阻片内部结构更加均匀稳定，电阻片的稳定性、老化性能更加优良，能量耐受能力大幅度提高。本配方中引入了氧化亚镍、二氧化锆及氧化硼组分，使电阻片内部结构更加稳定均匀，大幅度提高了老化性能。氧化亚银具有调节势垒偏压消除极性的作用，提高了电流冲击的稳定性。二氧化锆可改善直流电阻片的导热性能，提高了直流电阻片的方波通流容量。氧化硼提高了电阻片的耐老化性能。增加氧化铋和氧化硼的添加量，改善老化性能，同时添加提高方波通流容量的氧化锆。工艺上提高电阻片的热处理温度，使氧化锌压敏陶瓷中的氧化铋(Bi₂O₃)转化成更多的γ 相氧化铋，提高电阻片的耐老化特性。与现有直流避雷器用氧化锌电阻片的制造技术相比，本方法具有添加元素成分少、不需要传统的直流电阻片渗铋工艺、工艺简单及成本低等优势。

本发明的直流避雷器用电阻片，采用新的氧化锌电阻片配方体系和，其有益效果为：

1）直流避雷器用电阻片综合性能尤其是老化性能更加优良，电阻片能量耐受能力得到大幅度提高，符合GB/T25083-2010 ±800kV直流系统用金属氧化物避雷器和Q/GDW 276-2009 ±800kV换流站用金属氧化物避雷器技术规范及直流避雷器使用要求，能够满足组装800kV直流避雷器的电性能要求，即电位梯度大于210V/mm，2ms方波耐受电流大于2000A，4/10μs大电流冲击大于100kA，雷电压比U_10kA/U_1mA小于1.52，操作压比U_500A/U_1mA小于1.28；在115℃、荷电率85% 1000h下，功耗比（老化系数）小于1.0，为直流输电系统的发展提供了保障。

2）电阻片内部结构更加稳定均匀，由此大幅度提高了老化性能，提高了电流冲击的稳定性，改善了直流电阻片的导热性能，提高了直流电阻片的方波通流容量。

3）工艺上通过提高电阻片的热处理温度，使氧化锌压敏陶瓷中的氧化铋(Bi₂O₃)转化成更多的γ 相氧化铋，提高了电阻片的耐老化特性。

4）与现有直流避雷器用氧化锌电阻片的制造技术相比，本方法具有添加元素成分少、不需要传统的直流电阻片渗铋工艺、工艺简单及成本低等优势。

5）能够实现各种直流避雷器的通用，且能实现交/直流避雷器通用，具有容量大、压比小、允许荷电率高且老化性能好等特点，能完全满足各种直流避雷器的要求，并具有足够的安全裕度。

具体实施方式

本发明的直流避雷器用电阻片，是由发明人在总结长期实践经验的基础上，对各组分原料性能及其在各种工艺条件作用下所产生的效果进行精细的研究，并通过反复试验所得。其电气参数分别能够达到：电位梯度：电阻片单位厚度上的直流1mA电压；雷电压比：8/20μs雷电冲击电流下残压与直流1mA电压比；操作压比：30/60μs操作冲击电流下残压与直流1mA电压比；泄漏电流：直流0.75 U_lmA下泄漏电流；直流加速老化试验：试验温度控制115℃，时间为1000h； 2ms方波电流冲击能量耐受试验：20 次； 4/10μs大电流冲击能量耐受试验：2 次；功耗比(K_ct)：1000h后的功率损耗与起始功率损耗之比；所述电气参数中，压比值越低代表避雷器保护性能越优良；方波通流容量试验幅值愈高代表电阻片容量愈大，装配的避雷器的能量吸收能力也愈大，功耗比的值越小说明避雷器的老化性能越好。

本发明的直流避雷器用电阻片，其原料配方中各组分原料在下列重量百分比范围内，制成的直流避雷器用电阻片均具有良好的性能：Bi₂O₃：4.0%～6.0%；Sb₂O₃：4.0%～6.0%； Co₂O₃：1.0%～2.0%；MnCO₃：0.50%～1.50%；NiO：0.80%～2.00%；ZrO₂：0.1%～1.0%；Al(NO₃)₃：0.03%～0.06%；B₂O₃：0.10%～0.20%；粘合剂0.6%～1.2%；分散剂0.3%～0.9%和消泡剂0.1%～0.4%；余量为主料ZnO。其中，所述粘合剂采用聚乙烯醇或聚丙烯酸乳液，所述分散剂采用十四烷基醋酸胺或聚丙烯酸铵或聚乙烯亚胺，所述消泡剂采用磷酸三丁酯或煤油和异丙基乙二醇按1：1质量配比的混合物。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1:

本实施例的直流避雷器用电阻片，是由下列重量百分比的原料制成：Bi₂O₃：4.0%；Sb₂O₃：4.0%； Co₂O₃：1.0%；MnCO₃：0.50%；NiO：0.80%；ZrO₂：0.1%；Al(NO₃)₃：0.03%；B₂O₃：0.10%；粘合剂0.6%；分散剂0.3%和消泡剂0.1%；余量为主料ZnO。

其生产工艺是按照以下步骤进行:

第一步、备料：按所述配比分别称取Bi₂O₃、Sb₂O₃、 Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂、Al(NO₃)₃、B₂O₃、粘合剂、分散剂、消泡剂和ZnO，将Bi₂O₃、Sb₂O₃、 Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂和B₂O₃混合并在煅烧炉中进行煅烧后，送入球磨机内球磨粉碎至粒径≤1μm，制成混合粉料，其中煅烧温度为750℃，煅烧时间为0.5小时；同时，将Al(NO3)3加水制成质量百分比浓度为10%的Al(NO₃)₃水溶液备用；

第二步、造粒：将ZnO 加去离子水后，与制备的混合粉料、粘合剂、分散剂、消泡剂及制备的Al(NO₃)₃水溶液混合成均匀的料浆，进行喷雾干燥制成粒径为60μm的颗粒料，在制备料浆的过程中，通过调整去离子水的加入量将料浆中含混合粉料重量百分比控制在65～70%；

第三步、压制：将颗粒料加水搅拌均匀制成湿料，湿料中按重量含水率控制为1%，再陈腐12小时，以将颗粒料表层润湿。然后按照设定的直径和厚度压制成圆片形素坯，在压制过程中，压力控制应以素坯密度应≥3.20g/cm³为度；

第四步、排胶、预烧：将素坯装入加热窑炉中进行排胶和预烧，排胶温度为400°C，排胶时间为2小时，预烧温度为800℃，预烧时间为2小时，其中加热窑炉可采用隧道式电窑；为了实现下工序的烧成获得烧结致密度高、电气性能优异的ZnO压敏陶瓷片，必须将坯体经过低温处理，使前期加入的粘合剂、分散剂、消泡剂等有机材料充分分解，排出坯体，这个过程称为排胶。预烧的目的是使坯体达到10%左右的体积收缩并具有一定的强度，便于烧成工序的操作和提高装载量。经过排胶后的坯体变得很脆,为了解决碰损问题并提高生产效率、节省能耗、降低成本，在同一个隧道式电窑中同时完成排胶和预烧。

第五步、烧成：排胶、预烧之后，在加热窑炉中将预烧后的素坯加热至1050℃℃，保温4小时烧成压敏陶瓷片；

第六步、研磨：研磨烧成后的压敏陶瓷片两端面，按照设计的形体尺寸精度保证陶瓷片两端面的平行度和每个端面的平整度；

第七步、热处理：将研磨后的压敏陶瓷片在加热窑炉中进行热处理，热处理温度为550℃℃，热处理时间为4h，其中，升温速率控制在100℃/小时，降温速率控制在40℃/小时，较高的热处理温度，可使氧化锌压敏陶瓷中的氧化铋(Bi₂O₃)转化成更多的γ 相氧化铋，阻止氧离子难以向外扩散，提高电阻片的耐老化特性；

第八步、喷涂：将热处理好的压敏陶瓷片两端面喷铝电极；最后在压敏陶瓷片侧面涂敷绝缘层。

本实施例采用新的氧化锌电阻片配方体系，使得直流避雷器用电阻片综合性能尤其是老化性能更加优良，电阻片能量耐受能力得到大幅度提高，符合GB/T25083-2010 ±800kV直流系统用金属氧化物避雷器和Q/GDW 276-2009 ±800kV换流站用金属氧化物避雷器技术规范及直流避雷器使用要求，能够满足组装800kV直流避雷器的电性能要求，即电位梯度大于210V/mm，2ms方波耐受电流大于2000A，4/10μs大电流冲击大于100kA，雷电压比U_10kA/U_1mA小于1.52，操作压比U_500A/U_1mA小于1.28；在115℃、荷电率85% 1000h下，功耗比（老化系数）小于1.0，为直流输电系统的发展提供了保障，达到国内领先水平，值得推广应用。电性能测试验结果如下：

测试电性能指标

实施例2:

本实施例的直流避雷器用电阻片，是由下列重量百分比的原料制成：Bi₂O₃：5.0%；Sb₂O₃：5.0%； Co₂O₃：1.5%；MnCO₃： 1. 0%；NiO：1.60%；ZrO₂：0.5%；Al(NO₃)₃：0.05%；B₂O₃：0.16%；粘合剂0.9%；分散剂0.6%和消泡剂0.3%；余量为主料ZnO。

其生产工艺与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一步中，煅烧温度为800℃，煅烧时间为0.8小时；

第二步中，造粒过程中，制备的料浆中含混合粉料重量百分比控制在67%，制成颗粒料的粒径为90μm；

第三步中，湿料中按重量含水率控制值为1.25%，陈腐时间为18小时；

第四步中，排胶温度为450℃，排胶时间为3小时，预烧温度为850℃，预烧时间为3小时；

第五步中，烧成加热控制温度为1150℃，保温时间为4小时；

第七步中，热处理温度为600℃，热处理时间为7h，其中，升温速率控制在110℃/小时，降温速率控制在50℃/小时；

电性能测试验结果如下：

测试电性能指标

Figure 2011102263864100002DEST_PATH_IMAGE002

实施例3

本实施例的直流避雷器用电阻片，是由下列重量百分比的原料制成：Bi₂O₃： 6.0%；Sb₂O₃： 6.0%； Co₂O₃： 2.0%；MnCO₃： 1.50%；NiO： 2.00%；ZrO₂： 1.0%；Al(NO₃)₃： 0.06%；B₂O₃： 0.20%；粘合剂1.2%；分散剂0.9%和消泡剂0.4%；余量为主料ZnO。

其生产工艺与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一步中，煅烧温度为850℃，煅烧时间为1小时；

第二步中，造粒过程中，制备的料浆中含混合粉料重量百分比控制在70%，制成颗粒料的粒径为120μm；

第三步中，湿料中按重量含水率控制值为1.5%，陈腐时间为24小时；

第四步中，排胶温度为500℃，排胶时间为4小时，预烧温度为900℃，预烧时间为4小时；

第五步中，烧成加热控制温度为1250℃，保温时间为4小时；

第七步中，热处理温度为650℃，热处理时间为11h，其中，升温速率控制在120℃/小时，降温速率控制在60℃/小时；

电性能测试验结果如下：

测试电性能指标

Claims

1. 一种直流避雷器用电阻片，其特征在于：它是由下列重量百分比的原料制成：Bi₂O₃：4.0%～6.0%；Sb₂O₃：4.0%～6.0%； Co₂O₃：1.0%～2.0%；MnCO₃：0.50%～1.50%；NiO：0.80%～2.00%；ZrO₂：0.1%～1.0%；Al(NO₃)₃：0.03%～0.06%；B₂O₃：0.10%～0.20%；粘合剂0.6%～1.2%；分散剂0.3%～ 0.9%和消泡剂0.1%～0.4%；余量为主料ZnO；

所述直流避雷器用电阻片的生产工艺，其工艺流程包括：备料→造粒→压制→排胶、预热→烧成→研磨→热处理→喷电极→涂覆绝缘层，具体工艺是按照以下方法进行:

1）备料：按配比分别称取Bi₂O₃、Sb₂O₃、 Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂、Al(NO₃)₃、B₂O₃、粘合剂、分散剂、消泡剂和ZnO，将Bi₂O₃、Sb₂O₃、 Co₂O₃、MnCO₃、NiO、ZrO₂和B₂O₃混合后进行煅烧，并粉碎至粒径≤1μm，制成混合粉料备用，其中煅烧温度为750℃～850℃，煅烧时间为0.5～1小时，再将Al(NO₃)₃加水制成质量百分比浓度为10%的Al(NO₃)₃水溶液备用；

4）排胶、预烧：将素坯装入加热窑炉中进行排胶和预烧，排胶温度为400～500°C，排胶时间为2～4小时，预烧温度为800～900°C，预烧时间为2～4小时；

2. 如权利要求1所述的直流避雷器用电阻片，其特征在于：所述粘合剂采用聚乙烯醇或聚丙烯酸乳液。

3. 如权利要求1所述的直流避雷器用电阻片，其特征在于：所述分散剂采用十四烷基醋酸胺或聚丙烯酸铵或聚乙烯亚胺。

4. 如权利要求1所述的直流避雷器用电阻片，其特征在于：所述消泡剂采用磷酸三丁酯或煤油和异丙基乙二醇按1：1质量配比的混合物。

5.如权利要求1所述的直流避雷器用电阻片，其特征在于：所述加热窑炉采用隧道式电窑。