避雷器放電計(jì)數(shù)器用高通流氧化鋅電阻片配方優(yōu)化試驗(yàn)

吳 勇 林 芳

(1寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建福安 355000;2壽寧縣武曲鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站 福建壽寧 355513)

1 引言

隨著具有優(yōu)異非線性、高通流能力和持久的抗老化金屬氧化物電阻片制造技術(shù)的快速發(fā)展，金屬氧化物避雷器已成為限制高幅值內(nèi)部過電壓、雷電過電壓的主要設(shè)備［1－4］。避雷器用放電計(jì)數(shù)器是用來監(jiān)測避雷器放電動(dòng)作的一種電器，非線性電阻元件是放電計(jì)數(shù)器的核心部件［1］，必須同時(shí)具備信號取值與通流的雙重作用。在超高壓電力系統(tǒng)中，電阻片長期工作的穩(wěn)定性即耐高壓、抗老化性能的優(yōu)劣，直接影響避雷器能否安全可靠運(yùn)行，電阻片性能的高低直接影響計(jì)數(shù)器正常工作和使用壽命。

常用的金屬氧化物電阻片 (又稱ZnO非線性電阻片)是將質(zhì)量百分比占90%左右的ZnO粉末與 Bi、Sb、Ti、Cr、Si、Ni等的氧化物粉末相混合，經(jīng)傳統(tǒng)電瓷工藝燒結(jié)而成。原ZnO非線性電阻片配方具備通流能力好、低殘壓等優(yōu)點(diǎn)，但2ms方波2200A 20次通過后前后性能差異過大，方波后穩(wěn)定性較差。為進(jìn)一步提高ZnO非線性電阻片的通流穩(wěn)定性，通過對原配方組分分析，我們擬定系列優(yōu)化配方進(jìn)行試驗(yàn)，試圖找到ZnO非線性電阻片優(yōu)化配方組成。

2 試驗(yàn)配方優(yōu)化原理

特高壓避雷器 (Metal oxide arrester，MOA)放電計(jì)數(shù)器性能要求:2ms/2200A方波通過20次、U5.5kA小于1.5kV。所以ZnO非線性電阻片試驗(yàn)配方優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從滿足容量和殘壓的基礎(chǔ)上，降低電位梯度、提高通流容量及穩(wěn)定性方面著手。

Bi2O3是氧化鋅電阻片中不可缺少的添加劑［5］。焙燒過程中，由于Bi2O3熔點(diǎn)相比其他組分低得多，溫度870℃時(shí)就可以熔化為液相。各種添加劑在Bi2O3液相的牽引力作用下，不斷向晶界偏聚，形成勢壘很高的薄界面，從而提高了ZnO電阻片的非線性系數(shù)和耐大電流通流能力。降溫冷卻時(shí)，由于Bi3+離子半徑 (0.117nm)遠(yuǎn)比Zn2+離子半徑 (0.074nm)大，Bi3+無法進(jìn)入氧化鋅晶粒而偏析在晶界［5］，對氧化鋅電阻片的電氣性能不會(huì)產(chǎn)生不良影響，所以優(yōu)化配方中可適當(dāng)增加Bi2O3含量。

研究表明，配方中添加Sb2O3，可以抑制氧化鋅晶粒生長。焙燒過程中Sb2O3可與氧化鋅反應(yīng)生成尖晶石相，該相在晶界處沉淀，釘扎于ZnO晶粒的表面，阻礙了晶界移動(dòng)，從而限制氧化鋅晶粒的進(jìn)一步長大，使U1mA/mm值顯著提高。這即是Sb2O3在氧化鋅電阻片配方中的作用，凡高梯度氧化鋅電阻片 (Metal oxide varistor，MOV)配方中都采用該成分。降低電位梯度是特高壓避雷器放電計(jì)數(shù)器性能要求，所以在試驗(yàn)配方中盡可能不采用Sb2O3。

為促進(jìn)氧化鋅晶粒生長，降低電位梯度，可在優(yōu)化配方中引入TiO2添加劑。氧化鋅電阻片焙燒過程中，TiO2能與其他組分形成低共熔點(diǎn)的液相，氧化鋅晶粒生長動(dòng)力學(xué)指數(shù)及表觀激活能都有所降低［1］，得到的氧化鋅晶粒顯著增大。同時(shí)焙燒過程生成的3價(jià)或4價(jià)Ti離子能取代氧化鋅晶粒中Zn2+的位置，并進(jìn)一步電離形成低價(jià)的有效施主中心，增加了耗盡層中施主的濃度，相應(yīng)地減小了耗盡層寬度，引起勢壘下降。勢壘下降則引發(fā)晶粒界面上的電子到達(dá)導(dǎo)帶能級的概率增加［1］，高壓工作狀態(tài)下，擊穿晶粒隧道概率相應(yīng)增加，氧化鋅電阻片的擊穿電壓隨之下降［6］。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)配方(mol%)

通過預(yù)備實(shí)驗(yàn)和理論分析，確定ZnO電阻片試驗(yàn)配方，詳見表1。

表1 ZnO電阻片試驗(yàn)配方

3.2 電阻片制造工藝流程

ZnO電阻片制造工藝流程大致如圖1所示。

圖1 ZnO電阻片制造工藝流程圖

主要工藝控制:添加劑以氧化鋅原料質(zhì)量為基準(zhǔn)，按比例稱取，球磨時(shí)間1.5h。有機(jī)結(jié)合劑液按水分的15%添加，混料時(shí)間24h，混料水分控制在35%以內(nèi)，噴霧造粒含水1.2%?；炝详惛瘯r(shí)間12h，并在24h內(nèi)壓制成型。原配方及試驗(yàn)配方電阻片設(shè)定相同的焙燒溫度 (1155℃)和熱處理溫度 (530℃)。

4 測試結(jié)果記錄

依據(jù)《交流無間隙金屬氧化物避雷器》 (國家標(biāo)準(zhǔn)GB11032－2000)對待測配方的電阻片進(jìn)行相關(guān)電氣性能測試。

4.1 電氣性能測試

對原配方氧化鋅電阻片進(jìn)行2ms方波2000A 20次、100KA大電流及殘壓測試，測試結(jié)果如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)看，原配方氧化鋅電阻片20次通過2ms方波2000A，但5.5kA的殘壓達(dá)1.37kV，壓比K5.5為2.29。

表2 原配方氧化鋅電阻片測試結(jié)果

分別對5個(gè)試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片進(jìn)行2ms方波2200A 20次、100KA大電流及殘壓測試，測試結(jié)果如表3所示。與原配方比較，試驗(yàn)配方電阻片20次通過2ms方波2200A，比原配方的2ms方波2000A有所提高。1#、2#、3#、4#試驗(yàn)配方的電位梯度 U1mA、U10μA、U5.5kA均比原配方低20～30%，5#試驗(yàn)配方電位梯度則有所升高。從壓比性能看，比原配方的K5.5(2.29)都有所降低。除5#試驗(yàn)配方外，其余試驗(yàn)配方電阻片電氣性能優(yōu)于原配方。

表3 5個(gè)試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片測試結(jié)果

4.2 對比試驗(yàn)

綜合考慮氧化鋅電阻片成本及其它因素，筆者選定2#試驗(yàn)配方與原配方進(jìn)行對比試驗(yàn)。在相同的大電流及方波沖擊后，分別測試2#試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片與原配方氧化鋅電阻片電氣性能變化情況，測試結(jié)果如表4所示。對比試驗(yàn)可以看出，2#試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片抗大電流及方波沖擊能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性能明顯提高。

表4 2#試驗(yàn)配方與原配方對比試驗(yàn)結(jié)果

4.3 小批量試驗(yàn)

小樣試驗(yàn)后，對2#試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片進(jìn)行小批量生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證該配方應(yīng)用前景。測試結(jié)果 (見表5)顯示，2#試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片5個(gè)試驗(yàn)樣品全部通過了電氣性能測試，U1mA、U10μA、U5.5kA及 K5.5變化率均小于 ±5%，電氣性能穩(wěn)定，基本滿足優(yōu)化配方設(shè)計(jì)要求。

表5 2#試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片批量試驗(yàn)結(jié)果

5 晶相結(jié)構(gòu)對比

從晶相圖 (圖1、圖2)比較看，2#試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片 (MOV)的晶粒大小可達(dá)到原配方氧化鋅電阻片晶粒1.5倍以上。電氣性能測試中，晶粒尺寸的增大減小了氧化鋅電阻片 (MOV)的電位梯度，更能滿足特高壓避雷器 (MOA)放電計(jì)數(shù)器的技術(shù)要求。

圖1 2#試驗(yàn)配方晶相結(jié)構(gòu)圖 (1000×)

圖2 原配方晶相結(jié)構(gòu)圖 (1000×)

6 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)確定的氧化鋅電阻片 (MOV)優(yōu)化配方—2#試驗(yàn)配方，適當(dāng)增加Bi2O3含量，提高了ZnO電阻片的非線性系數(shù)和耐大電流通流能力。配方中去除Sb2O3成分相，引入TiO2，促進(jìn)氧化鋅晶粒生長，晶粒尺寸增加50%。電阻片的擊穿電壓隨之下降，明顯降低氧化鋅電阻片的電位梯度。優(yōu)化配方電阻片制造工藝中，添加劑以生料添加，并適當(dāng)減少球磨時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。優(yōu)化配方電阻片電位梯度比原配方低20～30%，壓比性能也有所降低。優(yōu)化試驗(yàn)配方氧化鋅電阻片抗大電流及方波沖擊能力比原配方更強(qiáng)，穩(wěn)定性能明顯提高。

綜上所述，試驗(yàn)得出的優(yōu)化配方與原配方電阻片比較，優(yōu)化配方電阻片具有更優(yōu)越的電氣性能指標(biāo)，且成本低、生產(chǎn)效率高，較好地滿足特高壓等級避雷器 (MOA)放電計(jì)數(shù)器的性能要求。

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