CN108238790A - 一种交流避雷器阀片的配方及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流避雷器阀片的配方及其制备工艺。该阀片采用常规的铋系氧化锌组分系统，常规的原材料和改进的熟料工艺，优化了Bi2O3和Sb2O3、Cr2O3及SiO2的重量比例，还优化了NiO和ZnO的重量比例，加入一定量的ZnO和添加剂一起煅烧，引进烧结后的热处理工艺和低温烧玻璃釉工艺，及控制铝电极的留边大小，达到了超高4/10μs大电流性能，低漏流、低压比、高2ms方波通流容量，高温下低功耗和交流加速老化下低Kct等一系列高性能。
Description
技术领域
本发明属于电力系统避雷器技术领域，是一种交流避雷器阀片的配方及其制备工艺。
背景技术
1967年日本松下公司的松岗道雄发现ZnO–Bi2O3系陶瓷具有非线性伏安特性，其非线性系数和通流能力远远优于SiC陶瓷。松下公司于1968年开发出低压氧化锌压敏电阻并应用于彩色电视机中,于1970年开发出300V–30kV系统用高压氧化锌避雷器阀片，并申请了氧化锌压敏陶瓷的发明专利。明电舍、日立、三菱、东芝，通用电气和ABB等公司从松下购得专利许可，这些公司都在20世纪70年代末开始生产高压氧化锌避雷器。20世纪80年代初期的氧化锌避雷器阀片，梯度一般在200V/mm，2ms方波耐受的能量密度一般在100–150J/cm3，通过100kA 4/10μs大电流测试需48毫米或以上直径的阀片，压比和老化等性能都有待提高。此后许多公司对配方、工艺、制造设备、原材料、侧面保护层和喷铝留边的控制做了大量研究，2ms方波耐受的能量密度和4/10μs大电流性能有了极大的提高，压比和老化性能也有了明显的提高。目前一些行业领先公司的2ms方波耐受的能量密度可达300–350J/cm3，直径36毫米的阀片可通过100kA 4/10μs大电流测试。随着阀片2ms方波耐受的能量密度和4/10μs大电流性能的提高，为了充分发挥这些性能，必须大幅降低阀片在高温下的功耗，因动作负载测试时更高的方波或4/10μs电流会导致更高的温升，在随后施加额定电压和连续工作电压时的功耗更大，如功耗太高阀片会因热崩溃而烧毁。阀片的小型化使得避雷器的小型化成为可能，这样不仅可以降低阀片和避雷器的生产成本，而且有利于避雷器的安装并节省空间。阀片的小型化，不仅需要提高阀片的2ms方波耐受能量密度和4/10μs大电流性能，还需要大幅降低高温下的功耗。相关文献和专利都没有高温下功耗的数据，也鲜见这方面的报道。
发明内容
本发明的目的是针对避雷器高性能和小型化的要求，采用常规的原材料和熟料工艺，大幅降低交流阀片高温下的功耗，大幅提高交流阀片的4/10μs大电流性能和2ms方波通流容量，并降低交流阀片的压比、漏流和加速老化下的Kct，大幅提高避雷器的各项性能，从而提高避雷器的运行可靠性和保护水平，并为避雷器的小型化提供有力保障
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种高性能交流避雷器阀片，由下列重量百分比的原材料组成：
3-5％的Bi2O3,2-4％的Sb2O3,0.5-1.5％的NiO,0.5-1.5％的Co3O4,0.5-1.5％的MnCO3,0.05-0.5％的Cr2O3,0.05-0.5％的SiO2,0.05-0.3％的银玻璃粉，0.01-0.06％的Al(NO3)3*9H2O，其余为ZnO。
如上所述的一种交流避雷器阀片，其中，其中，Bi2O3和Sb2O3、Cr2O3及SiO2的重量比例，Bi2O3≈Sb2O3+5x(Cr2O3+SiO2)。
如上所述的一种交流避雷器阀片，其中，其中，NiO和ZnO的重量比例为NiO≈1％*ZnO。
一种交流避雷器阀片的制备工艺，具体步骤如下：
煅烧料制备——浆料制备——喷雾造粒——压制成型——排胶、预烧——烧成——喷玻璃胶——烧釉、热处理——研磨、清洗、烘干——喷铝电极；
如上所述的一种交流避雷器阀片的制备工艺，其中，排胶和预烧合为一道工序，排胶的温度为350-450℃，预烧的温度为750-900℃。
如上所述的一种交流避雷器阀片的制备工艺，其中，将烧成后的热处理工艺和烧玻璃釉工艺合为一道工序；热处理温度为450-600℃。
如上所述的一种交流避雷器阀片的制备工艺，其中，喷铝时使用硅橡胶套做掩模，控制铝电极的留边在0.5毫米以内。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果主要体现在：
本发明通过优化Bi2O3和Sb2O3、Cr2O3及SiO2的重量比例，优化NiO和ZnO的重量比例，改进传统的熟料工艺将部分ZnO和添加剂一起煅烧，细化煅烧过的添加剂，引进烧结后的热处理工艺和低温烧玻璃釉工艺，及控制铝电极的留边大小，达到了低漏流、低压比、低高温下功耗、超高4/10μs大电流性能和高2ms方波通流容量，及交流加速老化下的低Kct等一系列高性能。具体的技术效果如下：
1)漏流低，对D34及D78的阀片，漏流分别为2μA和4μA。
2)雷电压比低，对D34及D78的阀片，10kA雷电压比分别为1.81和1.56。
3)超高4/10μs大电流性能，D34的阀片能通过2次100kA 4/10μs大电流测试。
4)2ms方波通流容量高，对D34及D78批量生产的阀片，通流分别为400A和2100A，18个脉冲，能量密度达300J/cm3以上。
5)115℃下交流加速老化的Kct小，对D34及D78的阀片，都为0.7左右。
6)高温下功耗低，对D34及D78的阀片能，200℃下的功耗都为～75mW/cm3。
具体实施方式
为了便于理解本发明的目的、技术方案及其效果，现将结合实施例对本发明做进一步详细阐述。
本发明的一种交流避雷器阀片，由下列重量百分比的原材料组成：
3-5％的Bi2O3,2-4％的Sb2O3,0.5-1.5％的NiO,0.5-1.5％的Co3O4,0.5-1.5％的MnCO3,0.05-0.5％的Cr2O3,0.05-0.5％的SiO2,0.05-0.3％的银玻璃粉，0.01-0.06％的Al(NO3)3*9H2O，其余为ZnO。
本发明的一种交流避雷器阀片，Bi2O3和Sb2O3、Cr2O3及SiO2的重量比例，Bi2O3≈Sb2O3 +5x(Cr2O3+SiO2)。
本发明的一种交流避雷器阀片，NiO和ZnO的重量比例为NiO≈1％*ZnO。
一种交流避雷器阀片的制备工艺，具体步骤如下：
煅烧料制备——浆料制备——喷雾造粒——压制成型——排胶、预烧——烧成——喷玻璃胶——烧釉、热处理——研磨、清洗、烘干——喷铝电极；
1)煅烧料制备
按配方用电子天平分别称取Bi2O3,Sb2O3,NiO,Co3O4,MnCO3,Cr2O3,SiO2,银玻璃粉和Al(NO3)3*9H2O。先用搅拌球磨机将Bi2O3,Sb2O3,NiO,Co3O4,MnCO3,Cr2O3,SiO2和银玻璃粉磨细到小于2微米，再将球磨好的浆料烘干并干混均匀，然后装入刚玉匣钵在推板窑中于750-850℃下煅烧，最后将煅烧料用搅拌球磨机磨细到1微米左右；
2)浆料制备
将ZnO分散到去离子水中，然后加入磨细的煅烧料、溶解好的Al(NO3)3、分散剂、消泡剂和溶解好的粘合剂，搅拌2小时以使浆料混合均匀，控制浆料的固含量在60-70％；
3)喷雾造粒
用喷雾干燥机将浆料烘干并造粒，以制备具有一定流动性和堆积密度的粉料，制成的造粒料的平均粒径为100微米左右；
4)压制成型
先用V形含水混料机，以喷雾的形式在造粒料中加入1-2％的去离子水并混料1小时以上，然后将含水的造粒料陈腐24小时以上，最后按照设定的成型高度和坯体重量干压制成圆柱形坯体。
5)排胶、预烧
将压制的坯体装入有开口的莫来石匣钵中于推板窑中排胶、预烧；
6)烧成
将预烧好的坯体装入无开口的莫来石匣钵中，在1050-1150℃下于推板窑中烧成；
7)喷玻璃胶
先制备粘合剂溶液，再将玻璃粉和粘合剂溶液搅拌混合均匀，最后将一定重量的玻璃浆料喷涂在陶瓷片的侧面；
8)烧釉、热处理
热处理和烧釉合并在一起，热处理温度为450-600℃；
9)研磨、清洗、烘干
先研磨烧好釉的陶瓷片的上下端面，磨到设定的高度，并满足两端面平行度和端面平整度的要求，再清洗干净，最后烘干；
10)喷铝电极
在研磨好的陶瓷片的上下端面喷上铝电极，使用硅橡胶套做掩模，避雷器阀片制做完毕。
一种交流避雷器阀片的制备工艺，其中，排胶和预烧合为一道工序，排胶的温度为350-450℃，预烧的温度为750-900℃。
一种交流避雷器阀片的制备工艺，其中，将烧成后的热处理工艺和烧玻璃釉工艺合为一道工序；热处理温度为450-600℃。
一种交流避雷器阀片的制备工艺，其中，喷铝时使用硅橡胶套做掩模，控制铝电极的留边在0.5毫米以内。
本发明的交流避雷器阀片由圆柱形的氧化锌压敏陶瓷、氧化锌压敏陶瓷侧面的玻璃釉和氧化锌压敏陶瓷上下端面的铝电极三部分构成。
本发明的高性能交流避雷器阀片，是通过大量的配方和工艺实验并结合理论指导，优化配方和工艺所得，且经多次重复实验验证。对一些术语的说明如下：U1mA指流过阀片的交流电流为1mA时，阀片两端的电压；漏流，指在阀片两端施加0.75*U1mA的交流电压时流过阀片的泄漏电流；电压梯度，指阀片单位厚度的U1mA电压；雷电压比，指8/20μs雷电冲击电流下的残压与U1mA的比值；2ms方波通流容量，需承受18个脉冲；单极性交流老化，在115℃下做1000小时加速交流老化，期间施加电压的极性不变，Kct为施加电压1000小时后的功耗和起始功耗的比值；有极性转换的交流老化，按照IEC60099-9，在115℃下做1000小时加速交流老化，期间施加电压的极性在施加电压后24小时、72小时、168小时和360小时时需变换极性，P0为施加电压后0.5～1.0小时测得的功耗，P1为施加电压24小时后测得的功耗，…，P8为施加电压360.5小时后(最后一次极性变换0.5小时后)测得的功耗，P9为施加电压1000小时后测得的功耗；漏流、雷电压比、Kct和P1/P0…P9/P0，值越小代表性能越好；2ms方波通流容量，值越大代表性能越好。
实施例1
本实施例的高性能交流避雷器阀片，氧化锌压敏陶瓷各成分的重量百分比如下：89.12％的ZnO，4.5％的Bi2O3,3.0％的Sb2O3,0.9％的NiO,1.0％的Co3O4,1.0％的MnCO3,0.1％的Cr2O3,0.2％的SiO2,0.15％的银玻璃粉，0.03％的Al(NO3)3*9H2O。其生产工艺是按照以下步骤进行的。
1)煅烧料制备
按配方用电子天平分别称取Bi2O3,Sb2O3,NiO,Co3O4,MnCO3,Cr2O3,SiO2,银玻璃粉和Al(NO3)3*9H2O，再称取需煅烧的6％的ZnO。先用搅拌球磨机将Bi2O3,Sb2O3,NiO,Co3O4,MnCO3,Cr2O3,SiO2和银玻璃粉磨细到2.0微米，再将需煅烧的ZnO加入已磨细的添加剂中，球磨混合1小时后将浆料烘干并干混均匀，然后装入刚玉匣钵在推板窑中于800℃下煅烧，最后将煅烧料用搅拌球磨机磨细到1.0微米左右。
2)浆料制备
将氧化锌分散到去离子水中，然后加入磨细的煅烧料、溶解好的硝酸铝、分散剂、消泡剂和溶解好的粘合剂，搅拌2小时以使浆料混合均匀，控制浆料的固含量在65％。
3)造粒
用喷雾干燥机将浆料烘干并造粒，以制备具有一定流动性和堆积密度的粉料，制成的造粒料的平均粒径为100微米左右。
4)压制成型
先用V形含水混料机，以喷雾的形式在造粒料中加入1.2％的去离子水并混料1小时以上，然后将含水的造粒料陈腐36小时，最后按照设定的成型高度和坯体重量干压制成圆柱形坯体。
5)排胶、预烧
将压制的坯体装入有开口的莫来石匣钵中于推板窑中排胶、预烧。排胶的温度为350～450℃，预烧的温度为800℃。
6)烧成
将预烧好的坯体装入无开口的莫来石匣钵中，在1100℃下于推板窑中烧成。
7)喷玻璃浆料
先制备粘合剂溶液，再将玻璃粉和粘合剂溶液搅拌混合均匀，最后将一定重量的玻璃浆料喷涂在陶瓷片的侧面。
8)烧釉、热处理
热处理和烧釉合并在一起，热处理温度为550度。
9)研磨、清洗、烘干
先研磨烧好釉的陶瓷片的上下端面，磨到设定的高度，并满足两端面平行度和端面平整度的要求，再清洗干净，最后烘干。
10)喷铝电极
在研磨好的陶瓷片的上下端面喷上铝电极，使用硅橡胶套做掩模，控制留边在0.4毫米以内。
本实施例的高性能交流避雷器阀片，性能处于国际先进水平，测得的性能指标如下表所示。
上面结合实施例对本发明做了进一步的叙述，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种交流避雷器阀片，其特征在于：由下列重量百分比的原材料组成：
3-5％的Bi2O3,2-4％的Sb2O3,0.5-1.5％的NiO,0.5-1.5％的Co3O4,0.5-1.5％的MnCO3,0.05-0.5％的Cr2O3,0.05-0.5％的SiO2,0.05-0.3％的银玻璃粉，0.01-0.06％的Al(NO3)3*9H2O，其余为ZnO。
2.根据权利要求1所述的一种交流避雷器阀片，其特征在于：
其中，Bi2O3和Sb2O3、Cr2O3及SiO2的重量比例，Bi2O3≈Sb2O3+5x(Cr2O3+SiO2)。
3.根据权利要求1所述的一种交流避雷器阀片，其特征在于：
其中，NiO和ZnO的重量比例为NiO≈1％*ZnO。
4.一种交流避雷器阀片的制备工艺，具体步骤如下：
煅烧料制备——浆料制备——喷雾造粒——压制成型——排胶、预烧——烧成——喷玻璃胶——烧釉、热处理——研磨、清洗、烘干——喷铝电极。
5.根据权利要求4所述的一种交流避雷器阀片的制备工艺，其特征在于：
排胶和预烧合为一道工序，排胶的温度为350-450℃，预烧的温度为750-900℃。
6.根据权利要求4所述的一种交流避雷器阀片的制备工艺，其特征在于：
将烧成后的热处理工艺和烧玻璃釉工艺合为一道工序；热处理温度为450-600℃。
7.根据权利要求4所述的一种交流避雷器阀片的制备工艺，其特征在于：喷铝时使用硅橡胶套做掩模，控制铝电极的留边在0.5毫米以内。
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