CN109164302A - 一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法 - Google Patents

一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，包括：将待测电阻片切成薄片用于介电性能测试；以复介电常数虚部ε″为纵坐标，频率f为横坐标，得到复介电常数虚部ε″在低温范围内随频率f的变化规律，按Arrhenius公式计算出各个损耗峰对应的松弛活化能值，通过松弛活化能来判断损耗峰对应的缺陷分别是氧空位和锌填隙本征缺陷；对电阻片薄片在‑100℃下的复介电常数虚部ε″～f进行拟合分峰处理，区分电导过程和缺陷松弛过程，得到锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2，根据锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2来预测氧化锌电阻片的直流老化寿命。本发明可以更加准确地从微观角度对氧化锌避雷器电阻片的直流老化寿命进行预测。

Description

一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法
技术领域
本发明属于氧化锌避雷器电阻片技术领域，具体涉及一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法。
背景技术
氧化锌压敏陶瓷由于其良好的非线性和大通流容量的优点，在电力系统中得到了广泛应用。为了满足远距离大容量输电的发展需求，高压直流输电(HVDC)越来越受到人们的关注。ZnO作为避雷器的核心元件，直接承受长时工作电压，其老化寿命直接关系到电力系统的稳定性和可靠性，预测氧化锌避雷器电阻片的老化寿命是氧化锌避雷器实际应用中的关键问题。
当前，人们虽然已经对氧化锌避雷器电阻片的老化特性进行了相关研究，但绝大多数研究在于交流老化规律或老化程度监测技术，有关直流老化寿命预测的有效手段鲜有报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，该方法能够准确地从微观角度对氧化锌避雷器电阻片的直流老化寿命进行预测。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，包括以下步骤：
1)将待测大尺寸的氧化锌电阻片进行切割，得到能够用于介电性能测试的薄片；
2)测试薄片的介电性能，得到薄片的介电性能数据，包括：复介电常数虚部ε″和频率f；
3)以复介电常数虚部ε″为纵坐标，频率f为横坐标，得到复介电常数虚部ε″在随频率f的变化规律；然后在不同的温度点下测量，得到复介电常数虚部谱ε″～f均出现两个损耗峰，按Arrhenius公式计算出各个损耗峰对应的松弛活化能，通过松弛活化能辨识出由锌填隙本征缺陷引起的损耗峰；
4)取薄片在-100℃下的复介电常数虚部谱ε″～f进行分峰拟合，单独提取出由锌填隙缺陷引起的损耗峰所对应的拟合曲线，得到锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2，根据锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2预测得到电阻片的直流老化寿命。
优选地，步骤2)中，测试薄片的介电性能时：在温度范围为-110℃～-60℃时，从低温到高温以10℃为一个间隔对薄片进行介电测量；且在同一个温度下，频率范围为10-1Hz～106Hz，从高频到低频以1.5倍递减的比例对薄片进行测量。
优选地，步骤3)中，计算松弛活化能u的Arrhenius公式如下：
式中，fm是松弛损耗峰对应的频率，单位为Hz；T是绝对温度，单位为K；τ0是与温度无关的常数；u是松弛活化能，单位为eV；k是玻尔兹曼常数，值为1.381×10-23J/K。
优选地，步骤4)中，对复介电常数虚部谱ε″～f进行拟合分峰时，采用的公式如下：
式中：第一项是电导项，第二项是松弛损耗项；ω是角频率；k0是电导项的系数；ki(i＝1,2)是第i种松弛损耗的系数，表示缺陷等效浓度；τi(i＝1,2)是第i种松弛损耗的分布松弛时间最大几率值，单位为s；α0是电导项的指数，范围为[-1,0]。
优选地，将待测大尺寸的氧化锌电阻片切割成厚度为1～2mm的薄片。
优选地，薄片在进行介电性能测试前，先将薄片进行打磨，然后以蒸馏水或酒精为清洗液，超声清洗4～6次，每次15分钟；在70℃下将薄片烘干后被金电极以备测试。
优选地，步骤4)中，根据锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2预测电阻片的直流老化寿命，具体结论如下：
当0＜k2≤15时，氧化锌电阻片抗直流老化性能良好；
当15＜k2≤30时，氧化锌电阻片抗直流老化性能一般；
当k＞30时，氧化锌电阻片抗直流老化性能较差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，通过无损介电谱的测量，结合本征点缺陷的分析，快速准确判断商用氧化锌避雷器电阻片的老化状态。该方法优势在于通过介电谱点缺陷表征手段，在微观层次上，定量提取得到亚稳态锌填隙本征点缺陷的等效浓度系数k2，将k2作为特征参数用于直流老化寿命预测，能够简便快捷有效地做出判断。这是由于氧化锌避雷器电阻片的直流劣化是一种晶界现象，是耗尽层中亚稳态锌填隙缺陷离子迁移的结果，因此本发明方法可以根据锌填隙缺陷等效浓度系数k2来预测电阻片的直流老化寿命，并且有助于指导氧化锌压敏陶瓷的制备工艺，使该材料具有更高的抗直流老化性能和更适于工业应用。
附图说明
图1是A#电阻片在低温范围内复介电常数虚部谱ε″-f；
图2是A#电阻片-100℃下复介电常数虚部谱ε″-f的拟合分峰结果；
图3是B#电阻片-100℃下复介电常数虚部谱ε″-f的拟合分峰结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明公开的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，包括：
1)将待测电阻片切成薄片用于介电性能测试；得到薄片的介电性能数据，包括：复介电常数虚部ε″和频率f；
2)以复介电常数虚部ε″为纵坐标，频率f为横坐标，得到复介电常数虚部ε″在低温范围内随频率f的变化规律；然后在不同的温度点下测量，发现复介电常数虚部谱ε″～f均出现两个损耗峰，按Arrhenius公式计算出各个损耗峰对应的松弛活化能值，通过松弛活化能来判断损耗峰对应的缺陷分别是氧空位和锌填隙本征缺陷；辨识得到由锌填隙本征缺陷引起的损耗峰(即先要辨识出两个损耗峰的类型，找到由填隙缺陷的引起的损耗峰)；
3)对电阻片薄片在-100℃下的复介电常数虚部ε″～f进行拟合分峰处理，单独提取出由锌填隙缺陷引起的损耗峰所对应的拟合曲线，区分电导过程和缺陷松弛过程，得到锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2，根据锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2来预测氧化锌电阻片的直流老化寿命。
具体地，该方法包括以下步骤：
1)将大尺寸的氧化锌避雷器电阻片切割，得到厚度1～2mm的薄片；需要说明的是，将薄片进行打磨后以蒸馏水或酒精为清洗液，用超声波清洗仪清洗4～6次，每次15分钟；在70℃下将薄片烘干后被金电极以备测试。
2)测试薄片的介电性能，其中，在温度范围为-110℃～-60℃时，从低温到高温以10℃为一个间隔对薄片进行一次测量，并且在同一个温度下，频率范围为10-1Hz～106Hz，从高频到低频以1.5倍递减的比例对薄片进行一次测量；
3)绘制低温范围内薄片的复介电常数虚部谱ε″-f，按Arrhenius公式计算出各个损耗峰对应的松弛活化能值，通过松弛活化能u来判断损耗峰对应的缺陷分别是氧空位和锌填隙本征缺陷；
4)对薄片在-100℃下的复介电常数虚部谱ε″～f进行拟合分峰处理，根据拟合参数k2，即填隙缺陷浓度等效系数，来预测电阻片的直流老化寿命。
实施例1
选取新的商用氧化锌避雷器电阻片(记为A#电阻片)，直径100mm，厚度22mm，按照上述方法进行测试，图1是A#电阻片薄片在低温下的复介电常数虚部谱ε″～f，可以观察到ε″～f特性曲线存在两个损耗峰。通过Arrhenius公式计算，低频损耗峰和高频损耗峰的松弛活化能分别约为0.35eV和0.21eV，对应着氧空位和锌填隙本征缺陷。图2和表1分别是-100℃下A#电阻片薄片ε″～f曲线的拟合分峰结果及拟合分峰参数，锌填隙缺陷等效浓度系数k2为13.3。
对A#电阻片进行直流加速老化实验，实验条件为温度115℃，荷电率0.8，老化1000小时。直流老化前后，A#电阻片泄漏电流IL从5.3μA增大到60.8μA，抗直流老化性能较为良好。
实施例2
选取新的商用氧化锌避雷器电阻片(记为B#电阻片)，直径100mm，厚度22mm，B#电阻片厂家与A#电阻片厂家不同。
通过Arrhenius公式计算，可知B#电阻片薄片ε″～f谱图中低频损耗峰和高频损耗峰的松弛活化能分别约为0.37eV和0.22eV，对应着氧空位和锌填隙本征缺陷。图3和表1分别是-100℃下B#电阻片薄片ε″～f曲线的拟合分峰结果及拟合分峰参数，锌填隙缺陷等效浓度系数k2为49.1。
对B#电阻片进行直流加速老化实验，实验条件为温度115℃，荷电率0.8，老化1000小时。直流老化前后，B#电阻片泄漏电流IL从25.7μA增大到249.1μA，抗直流老化性能较差。
表1 A#和B#电阻片-100℃下复介电常数虚部谱ε″～f的拟合分峰参数
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将待测大尺寸的氧化锌电阻片进行切割，得到能够用于介电性能测试的薄片；
2)测试薄片的介电性能，得到薄片的介电性能数据，包括：复介电常数虚部ε”和频率f；
3)以复介电常数虚部ε”为纵坐标，频率f为横坐标，得到复介电常数虚部ε”在随频率f的变化规律；然后在不同的温度点下测量，得到复介电常数虚部谱ε”～f均出现两个损耗峰，按Arrhenius公式计算出各个损耗峰对应的松弛活化能，通过松弛活化能辨识出由锌填隙本征缺陷引起的损耗峰；
4)取薄片在-100℃下的复介电常数虚部谱ε”～f进行分峰拟合，单独提取出由锌填隙缺陷引起的损耗峰所对应的拟合曲线，得到锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2，根据锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2预测得到电阻片的直流老化寿命。
2.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，步骤2)中，测试薄片的介电性能时：在温度范围为-110℃～-60℃时，从低温到高温以10℃为一个间隔对薄片进行介电测量；且在同一个温度下，频率范围为10-1Hz～106Hz，从高频到低频以1.5倍递减的比例对薄片进行测量。
3.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，步骤3)中，计算松弛活化能u的Arrhenius公式如下：
式中，fm是松弛损耗峰对应的频率，单位为Hz；T是绝对温度，单位为K；τ0是与温度无关的常数；u是松弛活化能，单位为eV；k是玻尔兹曼常数，值为1.381×10-23J/K。
4.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，步骤4)中，对复介电常数虚部谱ε”～f进行拟合分峰时，采用的公式如下：
式中：第一项是电导项，第二项是松弛损耗项；ω是角频率；k0是电导项的系数；ki(i＝1,2)是第i种松弛损耗的系数，表示缺陷等效浓度；τi(i＝1,2)是第i种松弛损耗的分布松弛时间最大几率值，单位为s；α0是电导项的指数，范围为[-1,0]。
5.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，将待测大尺寸的氧化锌电阻片切割成厚度为1～2mm的薄片。
6.根据权利要求1或5所述的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，薄片在进行介电性能测试前，先将薄片进行打磨，然后以蒸馏水或酒精为清洗液，超声清洗4～6次，每次15分钟；在70℃下将薄片烘干后被金电极以备测试。
7.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器电阻片直流老化寿命的预测方法，其特征在于，步骤4)中，根据锌填隙本征缺陷等效浓度系数k2预测电阻片的直流老化寿命，具体结论如下：
当0＜k2≤15时，氧化锌电阻片抗直流老化性能良好；
当15＜k2≤30时，氧化锌电阻片抗直流老化性能一般；
当k＞30时，氧化锌电阻片抗直流老化性能较差。
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