CN113075523A - ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，属于电网运行安全领域，包括以下步骤：S1：测量样品的伏安特性曲线，尽可能增加测量点以减小误差；S2：计算等效电阻Ri，并将电阻Ri和电流Ii同时做对数处理；S3：求取lgI‑lgR的二次多项式拟合函数；S4：转换为改进伏安特性拟合函数。本发明的成功实施，能够对于ZnO阀片的直流伏安特性进行更好的拟合，更精准的展现其老化特性，具体体现在以下几个方面：(1)能基本满足拟合效果且计算复杂度较低的拟合方法对进行基于直流伏安特性曲线的避雷器状态评价有重要意义。(2)降低测量成本，节省时间。运用更加精确的直流伏安特性曲线的拟合，能够提升避雷器实验的效率。
Description
技术领域
本发明属于电网运行安全领域，涉及一种ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法。
背景技术
避雷器是一类与被保护绝缘并联的限制过电压幅值的保护装置，在现今电网等级越来越高的大背景下，其地位愈加重要。而金属氧化物避雷器(MOA)由于其优异的非线性特性和大电流下的良好的通流能力目前被大量应用在电网中。然而由于其没有串联间隙，MOA内部的ZnO阀片在正常工作时会长期承受工作电流，其承受的电压能量会使得阀片内部的肖特基势垒降低，从而增大泄漏电流，在宏观表面上会表现为伏安特性曲线的畸变，也即避雷器的电老化。MOA老化后泄漏电流增加，致使有功功率增加，其老化速度会不断加快，在该过程中不仅会对邻近设备失去保护作用，严重时更会产发生爆炸，从而威胁电力系统的正常安全运行，因此对MOA老化状态进行有效评估对于电网的安全运行尤为重要，其能帮助工作人员及时发现故障缺陷征兆并提前采取相应措施。
MOA内部的阀片主要是ZnO压敏电阻，是一种电介质陶瓷，以ZnO为主要材料，同时添加Bi2O3、Co2O3、Sb2O3、Cr2O3、MnO2等多种化合物，经特殊的陶瓷工艺烧结而成。在微观结构中，氧化锌压敏电阻由ZnO晶粒和围绕ZnO晶粒周围的晶界层组成。晶界层是在烧制过程中向纯ZnO晶体加入添加剂后形成的。有关研究表明，这些包围ZnO晶粒的晶界层正是ZnO阀片具有优良非线性伏安特性的重要原因，亦即晶界层是宏观非线性伏安特性的起源。
国内外关于ZnO阀片老化的研究一直在推进，目前常用的方法通过MOA的直流伏安特性曲线形状畸变评估其老化程度。在整个电压范围内，直流伏安特性曲线主要分为三个区。在预击穿区，电流与电压基本成线性，电压主要加在呈现高阻态的晶界层上，此时泄漏电流十分小；在击穿区，由于外加电场的增加，带电粒子获得更大的能量，由于隧道效应，电子直接越过肖特基势垒，造成泄漏电流的大量上升。在这个区间内，尽管电压范围很小，电流的变化范围可以在几个数量级以上，在最后回升区，肖特基势垒已经不起主要作用，电压主要加在ZnO晶粒上，由于ZnO晶粒呈线性，在此区间的电压电流关系符合欧姆定律。利用直流伏安特性曲线进行评价主要有两种思路，其一为将测量的伏安特性曲线(或某几个点)与参考伏安特性曲线(或所测点参考值)进行对比，判断避雷器优劣。国标GB11032-2010中包含的诸如直流参考电压和0.75倍U1mA下泄漏电流等参数均为该思路的延伸，然而因为在伏安特性曲线上取的点数较少，其携带的非线性特性信息不足，造成了评估的片面性；另一种思路是对直流伏安特性曲线进行拟合，通过研究拟合函数中参数的变化来判断非线性特性的变化。现行对伏安特性曲线一般有分段线性拟合，单指数拟合，多指数拟合以及线性非线性混合模型进行拟合，并最终完成模型的参数辨识。
目前国内外研究人员对ZnO阀片特殊的微观结构及老化所造成的微观结构改变过程做了相当研究，提出了主要包括离子迁移、载流子陷阱、偶极子极化、氧气和化学反应等老化机理。
其中单指数拟合主要依靠以往给出的经验公式为模型进行拟合：
U＝A·Iα
式中U、I分别为其电压电流值，A为反映避雷器性质的常数、α为非线性系数。该模型拟合方法简单，然而精度不高；分段线性模型、多指数模型、非线性混合模型尽管精度较高，但由于模型复杂均需采用智能算法进行计算，复杂度相当高。在此情况下，单指数模型曾被改进为电阻和线性电阻的串联模型。
U＝A·Iα+R·I
然而该模型对拟合精度的提高相当有限，主要是因为该模型中将非线性系数α定义为常数，事实上，α是电流的一个函数，且定义的线性电阻R值目前还没有一个很好的方法进行确定。因此寻找能基本满足拟合效果且计算复杂度较低的拟合方法对进行基于直流伏安特性曲线的避雷器状态评价有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提取反映金属氧化物避雷器(MOA)老化水平的特征量，提供一种ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，基于直流伏安特性的氧化锌(ZnO)阀片改进直流伏安特性拟合函数，测量不同老化程度阀片的直流伏安特性数据。通过新模型对将该曲线进行拟合，并提取与老化状态相关的特征量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，包括以下步骤：
S1：测量样品的伏安特性曲线，尽可能增加测量点以减小误差；
S2：计算等效电阻Ri，并将电阻Ri和电流Ii同时做对数处理；
S3：求取lgI-lgR的二次多项式拟合函数；
S4：转换为改进伏安特性拟合函数。
进一步，步骤S2中，每个测量点的等效电阻值Ri：
Ri＝Ui/Ii
式中U，I表示所测得的电压值和电流值，下标i表示测量点序号。
进一步，步骤S3中，二次多项式拟合函数为：
lgR＝K1+K2·lgI+K3·(lgI)2
其中K1，K2，K3是表征避雷器伏安特性曲线的三个常数。
进一步，步骤S4中，得到K1，K2，K3参数后代入二次多项式拟合函数中，得到改进伏安特性拟合函数。
本发明的有益效果在于：本发明的成功实施，能够对于ZnO阀片的直流伏安特性进行更好的拟合，更精准的展现其老化特性，具体体现在以下几个方面：
(1)能基本满足拟合效果且计算复杂度较低的拟合方法对进行基于直流伏安特性曲线的避雷器状态评价有重要意义。
(2)降低测量成本，节省时间。运用更加精确的直流伏安特性曲线的拟合，能够提升避雷器实验的效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述拟合方法的流程示意图；
图2为MOA阀片老化接线图；
图3为直流伏安特性测量接线示意图；
图4为30℃下伏安特性曲线随老化程度变化情况。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
目前研究人员对ZnO压敏电阻的工作机理仍没有定论，因为其太过复杂，也至今没有一种由其工作原理所推导出的拟合函数。现行被人们普遍使用的是如式(1)所示的经验方程，其中非线性系数α由式(2)给出。
U＝A·Iα (1)
观察式(2)可知该非线性系数α是在电流区间I1～I2中的平均值，用某个区间的平均值去代替整个电流区间，其拟合精度自然不高。
因此本发明转换思路提出依靠电阻-电流的方式去描述避雷器的非线性伏安特性曲线。如图1所示，本发明提供一种ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，包括以下步骤：
测量样品的伏安特性曲线，尽可能增加测量点以减小误差；
计算其每个测量点的等效电阻值Ri，
Ri＝Ui/Ii (3)
式中U，I表示所测得的电压值和电流值，下标i表示测量点序号。在得到电阻值和电流值后，分别对其进行对数处理，并进行二次多项式拟合，结果有：
lgR＝K1+K2·lgI+K3·(lgI)2 (4)
其中K1，K2，K3是表征避雷器伏安特性曲线的三个常数，在避雷器老化影响其非线性特性曲线的形状时，必然影响上述三个常数的值。
由上可知，对比前传统单指数或者多指数函数，该改进拟合函数因为在非线性指数中引入自变量I，因此拟合范围更加宽阔，也更加准确。
为验证拟合的准确性，在实验室条件下对ZnO阀片进行了老化实验，选取了南阳金冠电气有限公司110kV级MOA中的阀片作为试验对象，直径为59mm，厚度为23mm，出厂时参考电压为5.19kV。
为了实现对MOA阀片不同程度的老化，需要对该阀片进行电老化操作，老化接线图如图2所示。
对避雷器的长期老化需要对避雷器施加最大运行电压，并且至少运行1000小时，期间温度需要保持在115±4℃。通过“十度倍半”加速老化试验方法在提高温度的情况下可加速其老化速度。
避雷器的老化速度满足Arrhenius公式：
可以从(5)式推导出避雷器在115℃运行1000h时，在135℃的等效时长为：
而老化电压可由式(7)进行确定：
上式中U1mA为压敏电阻通过1mA直流电流时的电压值；s为荷电率，IEC和国标推荐取0.85，因此所加运行电压为3.12kV(有效值)。在本实验中，对该样品分别进行1，3，5，7天的老化。
本实验在样品老化到不同时长后取出阀片进行直流伏安特性的测量，以评估ZnO阀片在老化至不同程度后直流伏安特性曲线的改变。其试验接线图如图3所示。阀片通过特殊夹具夹置在两个铜电极之间置于恒温箱中，测量温度为30℃,60℃和90℃。通过直流发生器对避雷器阀片产生高电压，利用示波器通过电阻分压器测量加在阀片上的电压。电流表采用Fluke8846A型电流表，分辨率为1nA，准确度为±0.05％。在低电流区因伏安特性成线性，可适量测量少量点，而在U1mA附近处，可适当增加测量点数目，注意测量时注意每个点需至少等待1min待示数稳定再进行读数。另外，当微安电流表示数缓慢增加至1mA时，读取U1mA值。测量电流范围为1μA～10000μA。
通过所述测量方法对不同老化程度的避雷器ZnO阀片样品进行直流伏安特性数据测量，得到了不同样品在30℃、60℃、90℃下老化1、3、5、7天的样品直流伏安特性数据，本发明仅列举30℃下数据对其本发明提出的拟合模型准确性进行判断。
根据所述直流伏安特性拟合函数及其拟合流程对该章直流伏安特性测量值进行拟合，为视图方便，绘图采用lgR-lgI坐标。
由图4可知，在同一温度下，lgR-lgI曲线是随着老化程度的加重而逐渐下移的，且在小电流区变化明显，而在大电流区，基本收束为一束曲线。而这是符合实测直流伏安特性曲线的不同状态下的规律。
同时，表1列出了lgR-lgI重构曲线在不同老化时长测试的拟合优度，可以看到，拟合度均在0.98以上，且电流的拟合区间在3～4个数量级，高于以往单指数模型的拟合电流区间。也即利用该模型对直流伏安特性曲线进行拟合能够携带更多避雷器伏安特性状态信息，也更加准确。该结果也证实了本发明所述模型和方法的有效性。
表1不同老化状态下拟合优度
| 老化时长 | 未老化 | 老化一天 | 老化三天 | 老化五天 | 老化七天 |
| R | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.98 |
将利用所述改进直流伏安特性函数辨识的得到的参数结果列于表2中：
表2 30℃直流伏安特性拟合函数参数
| 老化时长 | 未老化 | 老化一天 | 老化三天 | 老化五天 | 老化七天 |
| K<sub>1</sub> | 0.59210 | 0.32923 | 0.19498 | 0.10961 | -0.26029 |
| K<sub>2</sub> | -0.92299 | -0.85702 | -0.6917 | -0.55497 | -0.49328 |
| K<sub>3</sub> | -0.01117 | -0.02011 | -0.04479 | -0.05872 | -0.06569 |
由表2可以得出，K1和K3参数是随着老化程度的增加而逐渐减小的。而参数K2是随着老化天数的增加而逐渐增大，这三个参数已经包含了测量范围内丰富的避雷器状态信息，且已经能够表示避雷器的老化程度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测量样品的伏安特性曲线，尽可能增加测量点以减小误差；
S2：计算等效电阻Ri，并将电阻Ri和电流Ii同时做对数处理；
S3：求取lgI-lgR的二次多项式拟合函数；
S4：转换为改进伏安特性拟合函数。
2.根据权利要求1所述的ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，其特征在于：步骤S2中，每个测量点的等效电阻值Ri：
Ri＝Ui/Ii
式中U，I表示所测得的电压值和电流值，下标i表示测量点序号。
3.根据权利要求1所述的ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，其特征在于：步骤S3中，二次多项式拟合函数为：
lgR＝K1+K2·lgI+K3·(lgI)2
其中K1，K2，K3是表征避雷器伏安特性曲线的三个常数。
4.根据权利要求3所述的ZnO阀片直流伏安特性新型拟合方法，其特征在于：步骤S4中，得到K1，K2，K3参数后代入二次多项式拟合函数中，得到改进伏安特性拟合函数。
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