CN109637763A - 高性能低残压特高压避雷器的实现方式 - Google Patents

Abstract

一种高性能低残压特高压避雷器的实现途径,包括降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒电阻率、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性，所述降低晶粒电阻率的措施是通过降低残压梯度来降低ZnO压敏电阻残压比，所述降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性均是通过提高参考电压梯度来降低ZnO压敏电阻的残压比。其有益效果是：研制性能优异的特高压避雷器，缩短避雷器的长度并改善避雷器的电位分布，高电压梯度的ZnO阀片。

Description

高性能低残压特高压避雷器的实现方式

技术领域

本发明涉及配电设备领域，特别是一种高性能低残压特高压避雷器的实现方式。

背景技术

我国从七十年代开始自行研制ZnO避雷器及阀片，八十年代从国外引进ZnO避雷器及阀片的生产技术，主要是日本的配方和技术。经过消化吸收引进的配方和技术，以及两个五年计划的科技攻关，我国ZnO避雷器及阀片的制造技术已经基本达到国际水平。目前国内电力系统中实际挂网运行的500 kV电压等级的ZnO避雷器，进口和国产产品几乎各占一半；此外，国产750 kV电压等级的ZnO避雷器也已研制成功并投入运行。由此可见，国内ZnO避雷器的生产制造厂商已经具备了自主研制和生产特高压避雷器的基础和能力，国家电网公司也因此将特高压避雷器的研制和生产任务交给了西电、抚瓷等国内主力的避雷器生产制造厂商。

特高压避雷器研制的关键是开发能够完全满足特高压系统过电压保护要求的高性能ZnO阀片。借鉴日本特高压避雷器阀片以及新型高电压梯度阀片的研究途径，目前国内厂商基本上准备了两套特高压避雷器阀片的研制方案：

-第一套方案采用目前已有的500 kV电压等级的传统性能ZnO阀片的基本配方和工艺，进行必要的改进，并通过更多、更大尺寸的阀片进行串联和并联的方式，来满足特高压避雷器的应用需求。

-第二套方案研制高电压梯度的新型高性能ZnO阀片，用于特高压避雷器的应用需求，能够使得特高压避雷器的结构设计和综合性能相比第一套方案有非常显著的提升。

第一套方案采用目前已有的500 kV电压等级的传统性能ZnO阀片进行改进，与特高压避雷器的实际应用需求相比，该方案阀片在性能方面存在的主要问题在于残压比和通流容量还不够理想。据了解，在引进日本配方和技术的基础上通过自主研制改进，目前国内厂商生产的ZnO阀片的残压比（8/20 µs、20 kA标称放电电流条件下，相对于直流参考电压）已经从初期的1.7左右，下降到1.6左右，但离特高压避雷器要求的1.45还存在差距。对于第一套研制方案，相关厂商是在长期生产制造实际所采用的配方和工艺基础上进行局部的性能改进，并且可以借鉴日本特高压避雷器阀片研制方案相关的一些公开资料。

与第一套方案相比，第二套方案研制高电压梯度的新型高性能ZnO阀片，是更高一个层次的研制目标。该方案研制的新型高性能阀片能够有效减小特高压避雷器的体积和重量，改进特高压避雷器的结构设计、降低生产制造难度和成本，并改善特高压避雷器整体的电位分布、提高避雷器自身及被保护电力系统安全运行的可靠性，具有重大的经济和社会效益。但是，第二套研制方案目前尚没有充分的可供借鉴的公开资料，需要国内生产制造厂商完全独立自主地进行探索性的研究，无疑具有更大的难度。

除了相关生产制造厂商，国内部分科研院校的研究者也开展过新型高性能ZnO压敏电阻的研究工作，但从公开的研究成果来看，大都是在实验室内进行小尺寸试品的研究，并且仅关注于ZnO阀片个别性能参数指标的提高，而没有全面地考虑ZnO阀片综合性能参数是否能够达到避雷器实际应用必需的基本技术指标。

新型高性能ZnO阀片研制工作中所面临的最大困难还在于阀片综合性能参数的平衡。通过调整ZnO阀片的配方和工艺，往往可以很容易地提高阀片的某项性能参数，包括阀片的压敏电压梯度参数，但同时也难以避免地导致了其它某项或者多项性能参数的严重下降，从而使得阀片的综合性能参数无法达到特高压避雷器实际应用必须满足的基本技术指标。对于最终能够满足特高压避雷器实际应用需求的新型高性能ZnO阀片，其每一项性能参数都必须达到技术指标的基本要求，阀片相应的原料成分配方和加工工艺条件就必然需要找到一个合适的平衡点。研制高性能低残压特高压避雷器的关键在于提高避雷器核心元件ZnO压敏电阻阀片的性能，降低其残压比、提高能力吸收能力等其它综合性能指标。ZnO压敏电阻的电气性能与其显微结构参数，包括晶粒参数、晶界参数和尺寸参数等，都有密切的关系。基于仿真分析方法，研究了各参数对ZnO压敏电阻电气性能、特别是残压比的影响。其中，避雷器残压比K对应电流密度为63.7 A/cm2，相当于1000 kV交流特高压系统避雷器（GIS型10 cm阀片四柱并联），在20 kA标称冲击电流下流过ZnO压敏电阻阀片的电流密度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种高性能低残压特高压避雷器的实现方式。具体设计方案为：

一种高性能低残压特高压避雷器的实现途径,包括降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒电阻率、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性，所述降低晶粒电阻率的措施是通过降低残压梯度来降低ZnO压敏电阻残压比，所述降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性均是通过提高参考电压梯度来降低ZnO压敏电阻的残压比。

根据仿真分析得到的ZnO压敏电阻微结构特性对宏观电气性能参数的影响关系，能够显著降低ZnO压敏电阻宏观残压比参数的措施包括：降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒电阻率、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性。 其中，降低晶粒电阻率对于降低ZnO压敏电阻残压比具有最显著的作用；降低施主密度、提高表面态密度、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性对于降低ZnO压敏电阻残压比具有较显著的效果。从残压比宏观影响方式上分析，只有降低晶粒电阻率的措施是通过降低残压梯度来降低ZnO压敏电阻残压比，其他方式均是通过提高参考电压梯度来降低ZnO压敏电阻的残压比。

在上述所有措施中，降低施主密度、提高表面态密度等措施，虽然能够显著降低ZnO压敏电阻宏观残压比参数，但同时也会对ZnO压敏电阻的其它宏观电气性能参数产生相应的不利影响。只有降低晶粒电阻率的措施主要影响残压比，而不会显著影响其它宏观电气性能参数，并且能够通过添加施主掺杂元素的方式进行有效控制，因此宜将降低晶粒电阻率的措施作为研制低残压ZnO压敏电阻的基本途径。

此外，降低晶粒尺寸与提高晶粒尺寸均匀度对降低ZnO压敏电阻残压比也有一定的效果，而且减少晶粒尺寸同时可以提高晶粒尺寸均匀度。

最重要的是，晶粒尺寸的减少除了导致电压梯度提高以外，不会显著影响ZnO压敏电阻的其他性能，而高电压梯度也是ZnO压敏电阻的高性能特性之一；提高晶粒尺寸均匀度可以有效提高ZnO压敏电阻的通流容量和能量吸收能力。

因此可以将降低晶粒电阻率作为研究低残压ZnO压敏电阻的主要实现途径；当晶粒电阻率下降到一定程度后，采用减小晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀度作为研制低残压ZnO压敏电阻、提高其综合性能的辅助实现途径。

通过本发明的上述技术方案得到的高性能低残压特高压避雷器的实现方式，其有益效果是：

研制性能优异的特高压避雷器，缩短避雷器的长度并改善避雷器的电位分布，高电压梯度的ZnO阀片。

附图说明

图1是晶粒电阻率对ZnO压敏电阻电气性能的影响；

图2是晶粒电阻率对J-E特性的影响图；

图3是ZnO晶粒施主密度对ZnO压敏电阻电气性能的影响；

图4是ZnO晶粒施主密度对J-E特性的影响；

图5是晶界表面态密度对J-E特性的影响；

图6是晶界表面态密度对ZnO压敏电阻电气性能的影响；

图7是晶粒尺寸对ZnO压敏电阻电气性能的影响；

图8是晶粒尺寸对J-E特性的影响；

图9是晶粒不均匀度对ZnO压敏电阻电气性能的影响；

图10是晶粒不均匀度对J-E特性的影响。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

实施例1

ZnO晶粒电阻率ρ对ZnO压敏电阻电气性能的影响如图1所示，其J-E特性如图2所示。晶粒电阻率对ZnO压敏电阻的电压梯度、泄漏电流以及非线性系数影响非常小，但是对于残压比的影响非常明显。

随着晶粒电阻率降低，残压比显著下降，且下降幅度非常明显。根据J-E曲线，晶粒电阻率改变的仅仅是残压梯度区域的电气特性，对于参考电压梯度区域几乎没有影响,说明晶粒电阻率对残压比的影响方式是通过降低残压梯度抑制残压比。晶粒电阻率的降低能够显著的降低残压梯度，因此，为了降低ZnO压敏电阻残压比，应当尽可能地减小样品的晶粒电阻率。

实施例2

ZnO压敏电阻晶粒施主密度Nd对其电气性能的影响如3所示，其J-E特性如图4所示，可以看到，随着施主密度的增大，电压梯度和非线性系数都减小，而泄漏电流却持续的增大。施主密度对于ZnO压敏电阻残压比的影响是通过改变参考电压梯度而实现的。为了降低ZnO压敏电阻的残压比，应该适当的控制施主密度的增长。

实施例3

晶界表面态密度Ni对ZnO压敏电阻电气性能的影响如6所示，其J-E特性如5。电压梯度与非线性系数随着晶界表面态密度增大而增大，泄漏电流和残压比都随着晶界表面态密度的增大而减小。随着晶界表面态密度增加，残压比逐渐下降。从J-E特性图中可以发现晶界表面态密度对于ZnO压敏电阻残压比的影响是通过改变参考电压梯度而实现的。因此，为了降低ZnO压敏电阻残压比，应该尽量提高晶界表面态密度

实施例4

ZnO晶粒尺寸d对ZnO压敏电阻电气性能的影响如图7，其J-E特性如图8所示。随着晶粒尺寸的增加，电压梯度明显减小、残压比逐渐地增加，晶粒尺寸对非线性系数泄漏电流几乎没有影响。

随着晶粒尺寸的减小，参考电压梯度上升，而晶粒尺寸对于残压梯度影响不明显，因此晶粒尺寸引起的残压比的降低是由于改变了ZnO压敏电阻参考电压梯度。因此，为了降低ZnO压敏电阻残压比，应该适当的降低ZnO晶粒尺寸。

实施例5

ZnO晶粒的不均匀度σg对ZnO压敏电阻性能的影响如图9所示，其J-E特性如图10。随着晶粒不均匀度的增加，ZnO压敏电阻的电压梯度和泄漏电流下降，非线性系数随晶粒不均匀度的增加变化不明显。不均匀度对于残压比的影响方式也是通过影响参考电压梯度来实现的。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高性能低残压特高压避雷器的实现途径,包括降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒电阻率、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性，其特征在于，所述降低晶粒电阻率的措施是通过降低残压梯度来降低ZnO压敏电阻残压比，所述降低施主密度、提高晶界表面态密度、降低晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀性均是通过提高参考电压梯度来降低ZnO压敏电阻的残压比。

2.根据权利要求1中所述的高性能低残压特高压避雷器的实现方式，其特征在于，所述降低晶粒电阻率的措施作为研制低残压ZnO压敏电阻的基本途径。

3.根据权利要求1中所述的高性能低残压特高压避雷器的实现方式，其特征在于，降低晶粒电阻率作为研究低残压ZnO压敏电阻的主要实现途径。

4.根据权利要求1中所述的高性能低残压特高压避雷器的实现方式，其特征在于，减小晶粒尺寸、提高晶粒尺寸均匀度作为研制低残压ZnO压敏电阻、提高其综合性能的辅助实现途径。