（高电压与绝缘技术专业论文）基于空间电荷的氧化锌电阻片老化特性研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 氧化锌电阻片由于其优异的非线性伏安特性，被广泛应用于电力系统和电子系 统的过电压和浪涌防护中，其交流老化特性是近年来被人们较为关注的参数之一。 本文研究了传统配方的氧化锌电阻片老化前后的功耗特性、伏安特性、热刺激电流 特性( t s c ) 和电声脉冲法( p e a ) 测试的空| 、日j 电荷分布特性。试验结果显示随着 老化时问的增加，氧化锌电阻片的功耗增大，其伏安特性曲线发生对称性漂移，t s c 和p e a 方法测试的空间电荷特性变化表明陷阱电荷增加以及陷阱能级的加深。对试 验结果分析表明，迁移的填隙锌离子影响了空问电荷的分布，导致肖特基势垒的降 低，这是氧化锌电阻片老化的原因。因此，空间电荷测试足评估氧化锌电阻片老化 性能和寿命的一种有效手段。 关键词：氧化锌电阻片，交流老化，离子迁移，热刺激电流，电声脉冲法 a b s t r a c t z n ov a r i s t o r sa r eh i g h l yn o n o h m i cr e s i s t o ra n dt h e ya r ew i d e l yu t i l i z e di n p r o t e c t i n ge l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n ea n de l e c t r o n i cd e v i c ea g a i n s tt h ed a n g e r o u s o v e r v o l t a g eo rv o l t a g es u r g e ，a n dt h ea cv o l t a g ea g i n gc h a r a c t e r i s t i co fz n o v a r i s t o r si s o n eo ft h em o s tc o n c e r n i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r ，t h ep o w e rf e a t u r e s ， v - ic h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r m a l l ys t i m u l a t e dc u r r e n t ( t s c ) p e r f o r m a n c ea n dt h es p a c ec h a r g e d i s t r i b u t i o n st e s t e db yp u l s e de l e c t r o a c o u s t i cm e t h o d ( p e a ) o fz n o s a m p l e s ，w h i c hw a s p r e p a r e dw i t hac o m m o nf o r m u l a ，h a sb e e ni n v e s t i g a t e db e f o r ea n da f t e ra na c c e l e r a t e d a g i n gt e s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s i n go fa g i n gt i m e ，t h e p o w e rl o s si n c r e a s e sa n dt h ev - ic h a r a c t e r i s t i cc u r v e s d r i f ts y m m e t r i c a l l y t h es p a c e c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c st e s t e db yt s ca n dp e a s h o wt h et r a p p e dc h a r g e si n c r e a s ea n d t h et r a pl e v e lb e c o m e sd e e p e nt h ea n a l y s i so nt h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e st h a t t h em i g r a t i o no fi n t e r s t i t i a lz i n ci o n sc h a n g et h es p a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o n sa n d d e c r e a s et h e s c h o t t k y b a r r i e rh e i g h t s ，w h i c hi e a d st h ea g i n go fz n ov a r i s t o r s c o n s e q u e n t l y , t h es p a c ec h a r g et e s t i sap o w e r f u lm e t h o df o re v a l u a t i n gt h ea g i n g c h a r a c t e r is t ica n dl if eo fz n 0v a r is t o r s h ej i e ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n i q u e ) d i r e c t e db yp r o f t uy o u p i n g k e yw o r d s ：z n ov a r i s t o r , a cv o l t a g ea g i n g ，i o n si m m i g r a t i o n ，t s c ，p e a 75 4 6 97，iil-y j ， 华北电力人学硕十论文 摘要 a bs t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景意义l 1 2 空间电荷及其特性2 1 3 国内外研究现状及进展3 1 3 1 氧化锌电阻片老化机理的研究概况3 1 3 2 氧化锌电阻片老化程度判断的研究概况4 1 3 3 基于空间电荷对绝缘材料老化特性的研究借鉴5 1 3 4 空间电荷测量技术的发展及现状6 1 4 本论文的主要工作7 第二章试验系统的建立8 2 1 氧化锌电阻片加速老化试验系统8 2 1 1 加速老化试验原理一8 2 1 2 加速老化系统装置及特点9 2 1 3 相关参数10 2 2 伏安特性测试系统1 1 2 3 空间电荷测试系统1 2 2 3 1 热刺激电流法测试系统及原理1 2 2 3 2 电声脉冲法测量系统及原理1 4 2 4 试样的制备1 6 2 5 小结17 第三章测试方案的确定1 8 3 1 氧化锌电阻片加速老化方案1 8 3 2 氧化锌电阻片伏安特性测试方案1 9 3 3 氧化锌电阻片热刺激电流测试方案1 9 华北电力人学硕士论文 3 3 1 热释电电流的影响1 9 3 3 2t s c 测试的分散性和曲线处理2 0 3 3 3 试验参数对t s c 试验结果的影响2 l 3 3 4t s c 曲线相关参数计算2 3 3 3 5t s c 试验参数的确定2 4 3 3 6 氧化锌电阻片t s c 发射源分析2 6 3 4 氧化锌电阻片电声脉冲法测试方案2 7 3 4 1 测试参数2 7 3 4 2 数据处理2 7 3 5 小结2 8 第四章氧化锌电阻片老化性能测试3 0 4 1 老化功耗曲线3 0 4 1 1 测试结果3 0 4 1 2 结果分析3 2 4 2 伏安特性测试3 4 4 3 热刺激电流测试3 6 4 3 1 热刺激电流曲线谱3 6 4 3 2 陷阱电荷量比较3 7 4 3 3 陷阱能级及其他参数比较3 8 4 3 4 结果分析3 9 4 4 电声脉冲法测试空问电荷分靠4 1 4 4 1p e a 测试空间电荷分布曲线4 l 4 4 2p e a 测试空间电荷量的变化4 3 4 4 3 结果分析4 3 4 5 小结4 4 第五章结论4 5 参考文献4 6 致谢5 0 在学期间发表论文和参加科研情况5 l 华北电力人学硕仁论文 1 1 课题研究的背景意义 第一章绪论 随着我国经济快速发展，电力需求增长旺盛，而我国的水力电力资源主要集中 于中西部地区，西电东送、南北互供等超高压大功率电力输运工程的输电容量不断 增大，输电线路电压不断提高，对输变电设备安全性、可靠性的要求越来越高。超 高压、特高压输变电工程的建设，离不开过电压保护装置，避雷器是输电系统过电 压保护的关键设备。电力系统防雷保护的需要，促进了避雷器的发展，且随着科学 技术的发展和进步以及电力系统过电压保护技术不断地提高和进步，为具有更高的 保护可靠性，避雷器还在继续发展和前进中【l 】。 由于具有残压低、无续流、动作时延小、通流容量大等优点，目前由氧化锌非 线性电阻片组装成的金属氧化物避雷器( m o a ) 已成为电力系统中性能最好和发展 最快的过电压保护装置。其应用范围极其广泛，主要作用是吸收雷电过电压、操作 过电压等的冲击能量，防止过电压进入变电站及用户而损坏电力设备及用电设备【2 j 。 金属氧化物避雷器在应用上分交流电力系统的和直流电力系统的；在结构上分无间 隙的和有间隙的；从产品结构分有瓷套型避雷器、g i s 型避雷器、复合外套型避雷 器和油浸避雷器( 用于变压器中) 4 种【3 】；其中，交流系统无间隙金属氧化物避雷 器( w g m o a ) 是当今电力系统广泛使用的过电压保护装置【4 巧】。由于没有串联间隙 隔离，w g m o a 实际上是连续在电网上的一个非线性电阻器，要长期( 数十年) 持 续地承受着电网运行电压应力，使得氧化锌电阻片在各种电压应力下发热老化。一 般来说，运行电压长期作用在氧化锌非线性电阻片上，长期有泄漏电流流过，对于 工频电压的作用，电流中包括一定分量的阻性电流，并可能随着作用时间逐渐增加， 结果导致功率损耗的增加，这样的现象称为氧化锌电阻片的老化。更广泛地来说， 氧化锌电阻片的老化是指其在各种外加应力及外界因素作用下，其性能及电气物理 参数发生改变，逐渐偏离其起始性能指标的现象。所指的外加应力可以是电应力或 热应力。电应力和热应力则包括长期工作电压，也包括在各种过电压作用下短时间 的冲击电流i b 】。 国内外运行经验表明，w g m o a 的损坏主要是电网运行电压所致，尤其是中性 点非有效接地的电力系统。据两部调查组19 9 1 年5 月统计，w g m o a 的事故率为 0 2 1 9n ( 百年相) 。经制造质量和维护水平的提高，截止1 9 9 3 年木，w g m o a 事故率下降为0 1 8 5 相( 百年相) ，但预防性试验中淘汰率仍居高不下，达2 相 ( 百年相) 。w g m o a 的淘汰完全是冈为氧化锌电阻片劣化无法修复造成的。中 1 华北电力人学硕十论文 国进口的11 0 k v 及以上的w g m o a 在电网运行电压下损坏亦是相当严重的。例如， 深圳进口日本三菱公司生产的1 1 0 k v 、2 2 0 k v w g m o a ，洛河电厂进口的a s e a 公 司生产的2 2 0 k v w g m o a ，葛洲坝电厂进口同本同立公司生产的5 0 0 k v w g m o a ， 北京房山变电所进口a s e a 生产的5 0 0 k v w g m o a ，运行都不过5 年，便相继发生 损坏。据华东电管局19 9 5 年报告，“自l9 9 1 年以来连续地发生了七起进口b b c 生 产的5 0 0 k v m w m 型w g m o a 事故，事故率为o 5 3 台( 百台年) ”【7 1 。 因此，研究氧化锌非线性电阻片在各种电压应力下发热老化特性，确保 w g m o a 在长期电网上安全运行是当今的一个技术热点。近年来围绕氧化锌非线性 电阻片在应用中对各种电气特性所提出的要求，学术界的研究主要集中在导电机 理、老化机理以及热破坏和冲击破坏等几个方面。由于很多问题都涉及金属氧化物 半导体材料的微观结构和复杂的物理过程，研究者提出了一些不同的假定和解释各 种电气现象的物理模型【8 。12 1 。这些基础研究成果虽然还没有取得完全一致的意见、 并形成完整和统一的理论体系，但无疑对指导不断改进非线性电阻的特性，开发更 优异的材料起到重要的促进作用。 氧化锌非线性电阻片的老化将直接影响氧化锌避雷器的工作稳定性和可靠性， 当氧化锌避雷器出现老化时，其绝缘特性遭到破坏，表现为阻性泄漏电流增加，全 电流、损耗也随之增加，最终导致热破坏甚至爆炸事故的发生，严重影响电网的安 全运行，造成国民经济损失。因此，自氧化锌电阻片应用之同起，其老化特性一直 是人们关注的焦点。了解和研究氧化锌电阻片的老化机理、判断其老化程度是氧化 锌避雷器应用中非常重要的问题，具有重大的技术和社会经济意义。 1 2 空间电荷及其特性 宏观固体物质通常可划分为一些相同的结构单元，一般来讲，每个结构单元应 该是电中性的，如果在一个或多个这样的结构单元内正负电荷不能互相抵消，则多 余的电荷称为相应位置上的空间电荷。空间电荷一般指陷阱电荷，即被陷阱捕获后 停留在电介质内的那部分电荷，也包括由于不均匀极化表现出来的分布电荷，而实 际上从这二者的外部表现上是很难区分的。本文所讨论的空问电荷特指陷阱电荷。 陷阱可以是由于生产过程中的污染、在机械加工时或在应用过程中产生的，捕获电 荷的陷阱或是物理陷阱或是化学陷阱，而电极注入通常被认为是空问电荷形成的主 要原因。 空间电倚的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质 内部的局部电场起到削弱或加强的作用。目前国际上已经普遍认可，由于空间电荷 对电场的这种畸变作用，空i 、日j 电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等各方面的 电特性都有明显的影响。随着研究的深入，空问电荷对绝缘材料电特性的影响越来 2 华北电力人学硕士论文 越受到重视，被直接应用于绝缘材料的开发和评估。降低空间电荷的积聚水平，或 者促进积聚空间电荷的消散，成为评价和开发绝缘材料的一个重要指标和手段。 1 3 国内外研究现状及进展 1 3 1 氧化锌电阻片老化机理的研究概况 目前关于氧化锌电阻片的老化机理还没有形成共识，研究者先后提出有电子陷 阱、偶极子定向、氧气解析和离子迁移等老化理论。其中，l9 8 0 年e d a 等人提出的 离子迁移理论能够较好地解释一些实验现象( 热刺激电流t s c 结果、局域场作用下 离子迁移的库仑势计算结果等) 而被许多学者所接受，这种理论认为，在外场作用 下由于晶粒耗尽层中间隙锌离子( 这种问隙锌离子是在烧结后的冷却过程中产生 的) 向界面迁移，在电性方面中和了界面能，导致肖特基势垒高度的降低，使得电 气性能劣化3 。1 5 j 。 1 9 8 3 年s a t o 等人研究建立了完全不同的模型，认为耗尽层中载流子陷阱效应 和激发效应是氧化锌电阻片老化现象的一个合理解释。e i n z i n g e r 研究了老化对固溶 于陶瓷中的氧化物的氧化程度的依赖性，随氧化物中氧浓度的增加，老化倾向变小 【1 6 】。ljb o w e n 等认为，发生老化是由二f 弱的耗尽层的预先失效和显微结构弱点处 过大的电流集中，因此需寻找最佳工艺和配方，使晶粒长大，以提高脉冲稳定性， 同时避免显微结构波动对胝敏材料寿命的影n i 句【i7 1 。 在离子迁移理论基础上，1 9 8 5 年t kg u p t a 提出了晶粒边界缺陷模型，认为迁 移离子是填隙锌离子z n i 和z n i ”，这一模型被深能级瞬念谱d l t s 测试结果和正电 子湮灭谱p a s 测试结果证实。同本学者经过研究认为可以合理的推测加交流电压后 由于界面的空间电荷的分布改变，引起肖特基势垒发生变形后泄漏电流增加，发生 老化【18 1 。 此外，也有人提出对老化起决定作用的迁移离子可能是其它离子而非问隙锌离 子，例如c h i a n gl e v i s o i l 借助s t e m 看晶界元素分布，发现在电场作用下原子或离 子的确发，生运动，观察到老化后的z n o 压敏陶瓷其晶界附近累积有b i 和c o ，但是 这些数据没有足够的分辨率来显示晶界附近原子分布的变化 1 7 】。基于此，中国科学 院的张树高等人提出了一种压敏链向线性链转化的模型，并对这种转化的条件进行 了探讨。离子迁移理论在解释“恢复”问题中有着不可克服的矛盾，因为氧化锌非 线性电阻老化到一定程度后撤除外电场，其特性不能完全恢复。线性链理论可以解 释氧化锌非线性电阻“恢复”现象。该理论研究了z n o 压敏电阻在直流下的老化现 象，认为老化到一定程度后，晶界由可变电阻转化为线性电阻，即压敏链转化为线 性链，线性链具有线性的伏安特性，是稳定的、不可恢复的【l9 。2 0 j 。 华北电力大学硕士论文 1 9 9 3 年，西安交大的李盛涛等提出了氧化锌电阻片长期老化机理的新见解：在 长期电压作用下，除了出现可动离子迁移使势垒降低的过程之外。还应考虑另一相 反作用的因素离子的热扩散。提出了“电场下离子迁移一热扩散反迁移”模型。 同时，他们认为随着老化时间的延长，氧化锌耗尽层中空间电荷总量减少使得晶界 势垒的高度下降，引起泄漏电流增加，发生老化【2 1 1 。 除此之外，2 0 0 2 年清华大学的裴根林、何金良等人在s o n d e r 等人的研究基础 上分析了z n o 非线性电阻内部的微裂纹在老化中的作用。氧化锌电阻片内的微裂纹 可能是氧原子和水分的扩散通道。通道内水分子可能与氧原子发生形成良电阻通 道，使泄漏电流加大，导致电阻片的劣化【2 2 。2 3 1 。 从理论研究上看，氧化锌电阻片的老化与空间电荷有一定的联系，但是目前的 研究都只限于理论上的推测，现代材料中空间电荷测试技术的发展，使得证实这种 直接的联系成为可能，这也有助于进一步完善氧化锌电阻片老化的具体理论。 1 3 2 氧化锌电阻片老化程度判断的研究概况 一般来说，通过对氧化锌电阻片进行加速老化试验，测量泄漏电流或功率损耗 来观察其老化程度，并在此基础上预测氧化锌阀片的老化寿命。至于“寿命终点”， i e c l 9 8 1 年定为避雷器已不满足动作负载要求来判定。据此，有的研究者采用功率 损耗达到的两倍来作为老化试验的寿命终点判据，有的采用电流到达l m a 或 1 0 0 m a ，有些采用功率损耗达到每厘米高度电阻柱1 w 作为寿命终点。由于按照这 些标定预测的氧化锌阀片寿命在实际运行中往往是不对的。i e c l 9 8 4 年以后历届标 准草案均取消了寿命的判定。虽然如此，研究氧化锌电阻片的老化程度，作为一种 诊断方法和评价，并能防患于未然，是一项重要的技术【2 4 粕】。 事实上，基于泄漏电流或功率损耗常用的判断预测只是一种相对比较的参考方 法，目前在判断氧化锌电阻片的老化程度方面还没有标准的方法可循，如何更完善 地判断氧化锌电阻片的老化程度尚在研究中，其中最为典型的有以下两方面的探 讨。 1 9 9 3 年西安交大李盛涛等人提出表征氧化锌非线性电阻片的老化速率的参数 f ( t ) ，类似于失效率的概念，用下式表示： 巾，= 毪导 式中l i t ) 为老化速率，代表老化速度的快慢，t + a t 和t 表示老化时刻，为该时 刻的直流泄漏电流或交流阻性电流。他们通过大量的试验研究发现，老化速率随着 老化时问总趋势逐渐减少，并趋于一定值，并且经过优化配方与热处理工艺的氧化 锌交流老化试样的老化速率较小【n 。 4 一 华北电力人学硕十论文 在2 0 0 5 年西安交大李军浩等人发表的文献中，提出了一种利用单次流通能量 来分析氧化锌电阻老化程度的方法，其原理也是基于分析能量损耗来判断氧化锌电 阻的老化程度。文献中通过实验分析，随着老化程度的增加，给定幅值的电压单次 冲击时氧化锌电阻所吸收的能量逐渐增大。并通过曲线拟合泄漏电流及单次能量损 耗，发现两者一定的范围内具有良好的线性关系。所以，通过对比历史记录，可以 判断出氧化锌电阻的老化程度拉川。 总的来说，在取消寿命规定后，继续采用测量泄漏电流或功耗来作为一种判断 氧化锌电阻片老化程度的方法，这在目前的工程应用上是行之有效的。而上述报道 中的两种最新的判断方法也都是基于这个两个参数转换而得，对于具体理论的进一 步研究并没有实质性的进展。从基础理论的研究角度出发，若能联系到材料老化的 微观机理，跳出宏观参数的范围，分析老化过程中材料微观特性及结构的变化与老 化程度的关系，从本质上提出一种新的判断方法，这具有理论意义的突破。 1 3 3 基于空间电荷对绝缘材料老化特性的研究借鉴 在绝缘聚合物电老化的过程中，聚合物材料将会发生化学结构的变化，引入更 多的缺陷陷阱，陷阱密度的增加，可以作为判定聚合物电老化程度的一个有效参数 2 8 - 3 3 。基于空间电荷与聚合物中的陷阱或缺陷有非常密切的关系，目i j i 国际上成立 了两个专门委员会( i e e e 2 de i s t c 3 2 2 13 和3 2 2 4 ) ，研究空问电荷的存贮与绝缘材料 的老化和击穿间等宏观特性相应的微观机理，目的是解释聚合物电老化与空问电荷 作用之间的关系。另外通过此方面的研究，可以获得一种评估绝缘聚合物电老化程 度的新方法。 2 0 0 0 年同济大学的李吉晓和西安交大的张治文等人在计算了空问电荷周围的 电磁能和电机械能的基础上，结合一些最新的实验结果，说明聚合物绝缘材料的老 化和击穿是发生在空间电荷脱陷时，与空间电荷周围的电机械能的释放有关【3 引。 2 0 0 2 年上海交大的尹毅和西安交大的屠德民等人对不同聚乙烯试样经过不同 时间的电老化后，测量空间电荷表明，在电老化过程中，空间电荷的分布发生变化， 空间电荷总量都近似地随老化时问呈线性增长，并与老化后的残余绝缘强度的变化 有对应关系。分析表明，以试样的短路空间电荷总量与老化时间关系，可以评估聚 乙烯的电老化程度p 卜妯j 。 。一。 2 0 0 4 年英国莱斯特大学的m f u 等人研究了低密度聚乙烯( l d p e ) 在交流老 化后的空间电荷积累，他们将厚度为18 0 微米的l d p e 施加工频场强5 0 k v m m ，在 常温老化不同的时f u j ，利用电声脉冲法( p e a ) 监测空间电荷变化。通过试验证明 电老化对空问电荷变化的影响是重要的，尤其是在老化的初期，老化程度的改变即 使用化学分析( 傅立叶转换红外线光谱测试和拉曼光谱测试) 也几乎不能测到任何 、 ， 华北电力人学硕十论文 变化，但是通过测量空间电荷的总量却能有效地判断试样的老化程度【3 7 】。 2 0 0 7 年华北电力大学的梁英，丁立健等人初步研究了用热刺激电流( t s c ) 技术 进行硅橡胶合成绝缘子老化状态评估诊断的可行性。首先研究各种试验参数对硅橡 胶合成绝缘子t s c 特性的影响。试验发现，t s c 测试结果与憎水性、微观结构之间 存在一定联系。研究结果表明，如果深入系统地研究t s c 特性与老化特性之间的关 系，t s c 技术有可能成为硅橡胶合成绝缘子老化程度评价及诊断的新方法【3 8 09 1 。 大量的研究表明，氧化锌电阻片的老化主要集中在预击穿区，在击穿区的老化 程度很小。而在预击穿区，氧化锌基本就是一种绝缘材料，所以参考目前国内外基 于空间电荷对绝缘材料老化的研究来探索氧化锌材料的老化，这是可行而有意义 的1 1 3 4 空间电荷测量技术的发展及现状 空i 日j 电荷测量技术是空间电荷研究的基础。空间电荷测量技术的发展与电介质 材料电特性的发展是相互促进的，基于电介质材料空间电荷研究的需要，出现了空 问电荷测量技术，并且不断发展，而空间电荷测量技术的发展也推动了空i 、日j 电荷研 究的发展1 4 。空间电荷的测量方法主要分为有损和无损测量。 在2 0 世纪7 0 年代，学者们主要使用有损的测量方式来i 【j j 接研究材料内部的空问 电倚，包括：t s c ( t h e r m a l l ys t i m u l a t e dc u r r e n t ，热刺激电流) 法，t s s p ( t h e r m a l l y s t i m u l a t e ds u r f a c ep o t e n t i a l ，热刺激表面电位) 法，t l ( t h e r m ol u m i n e s c e n c e ，热 致发光) 法等等。在8 0 年代以后，开始先后出现了多种无损空间电荷监测方法，用 于测量空问电荷在介质内的分布，主要包括热脉冲法、激光光强调制法( l i m m ) 、 压力波扩展法( p w p ) 和电声脉冲法( p e a ) 等1 4 。 空间电荷测试样品最早只能测量薄膜试品中的空间电荷，随着测量技术的发 展，逐渐可以测量厚度更大以及多层试品。并自9 0 年代开始实质性应用到实际研究 中，推动了空间电荷用于同轴电缆试品的测量研究的发展。 国际大电网会议( c i g r e ) 19 9 6 年成立15 0 3 工作组研究空间电荷测量技术的 评估、标准化以及各种测量技术的比较【4 2 1 。与c i g r e 的工作相结合，1 9 9 7 年日本 电气学会诱电绝缘材料技术委员会成立了诱电绝缘材料内部的空间电荷分布测试 法调查专门委员会，研究空间电荷测量技术的标准化问题。该委员会在2 0 0 1 年出 版了诱电绝缘材料的空问电荷分布测试法的标准化技术报告，对流行的空间电 荷测量方法进行了对比分析和标准化工作。同时，l i 【4 3 1 、m o r s h u i s 4 4 1 、a h m e d 4 5 】和 t a k a d a _ 4 6 1 在不同时期先后对空问电荷测量技术的发展给出了很好的综述。 在过去的二十年中，国内外对空间电荷进行了大量的研究工作，主要集中在空 | 口j 电荷测量技术的发展以及空问电荷对电介质电性能影响的研究。对空| 日j 电荷特性 6 华北电力人学硕：十= 论文 研究的需要促进了测量技术的发展，测量技术的发展又使得对空问电荷问题有了更 清晰的认识，两种研究相互促进共同发展。在研究初期，研究者比较关注空间电荷 的测量，包括选择合适的测量系统及测量方法，随着测量技术的成熟，更注重对电 介质空间电荷特性的研究。 1 4 本论文的主要工作 尽管人们对氧化锌压敏电阻进行了很多研究，但是有理论意义上的突破不多， 因为大多数的研究从某种意义上柬说都是基于经验性质的提高和改进，主要方法是 通过改变配方或工艺方法，对比测试相应的氧化锌电阻片的宏观特性，进而总结配 方和工艺的优缺点，己达到性能改进和提高的目的。然而，这种传统的依赖外特性 评价配方和制备工艺的方法很难从氧化锌电阻片内在的电特性来揭示配方或制备 过程对最终性能的影n i 句，因为传统方法无法直接将氧化锌电阻片的非线性特性、老 化和击穿特性与材料本身组成及其微结构联系起来。 ， 众所周知，电介质材料的电导过程就是材料中载流子的运动结果，而电介质材 料的击穿过程是大量电荷在电场作用下的剧烈运动结果。因此研究氧化锌电阻片中 载流子的产生、运输及其变化过程，这对于探索氧化锌电阻片的仆线性特性以及老 化和击穿特性来说是一种最直接和最有效的途径。基于此，本论文主要进行以下研 究：r 作： ( 1 ) 确定氧化锌电阻片的加速老化参数和空间电荷测试的参数。重点研究热 刺激电流测试氧化锌电阻片的试验参数。 ( 2 ) 对氧化锌电阻片进行加速老化试验，监测老化过程中泄漏电流和功率耗 耗的变化。 ( 3 ) 对不同老化时问的氧化锌电阻片进行伏安特性测试、电声脉冲法测试和 热刺激电流测试。比较分析老化过程中空问电荷特性变化与老化时间之问的关系。 ( 4 ) 在试验结果分析的基础上，探索基于空间电荷分布的氧化锌电阻片材料 微观结构与老化之问的关系，分析其老化机理。 ( 5 ) 初步提出一种基于空间电荷来判断氧化锌电阻片老化程度的方法。 华北电力人学硕士论文 第二章试验系统的建立 本论文的试验系统分为三个部分，即氧化锌电阻片加速老化试验系统、伏安特 性测试系统和空间电荷测试系统。其中由加速老化试验系统完成对氧化锌电阻片在 恒定的温度和荷电率、不同时间的加速老化，并监测老化过程中的功耗变化；伏安 特性测试系统用来测量老化前后氧化锌电阻片在小电流区域的伏安特性；空问电荷 测试系统包括热刺激电流测试系统和电声脉冲法测试系统，用于测量老化前后氧化 锌电阻片空间电荷分布及相关陷阱参数。 2 1 氧化锌电阻片加速老化试验系统 2 1 1 加速老化试验原理 加速老化试验的原理图见图2 1 ，其0 7 t 为调压器，b 为变压器，r o 为保护电阻， r 为试样。老化试验的高压部分由调压器和升压变压器组成，通过控制调压器，以 改变加在试样上的工频电压，试样通过高温导线与变压器相连。试品的电压值u 和 电流值i ( u 从p t 两端读取，i 为流经试品的电流) 送到继电器板，再由继电器板经 a d 端子板送至i p c 进行测量。 2 2 0v ( a ) 删子板 r 继电器板 i p c ( b ) 图2 - 1 加速老化试验装置原理图 在测量分析中，氧化锌电阻片可以等效为非线性电阻和线性电容的并联( 其等 效电路如图2 2 ( a ) ) ，在电压作用下的总泄漏电流厶、阻性电流厶、容性电流厶之问的 华北电力人学硕+ 论文 关系如图2 2 ( b ) 所示： r 图2 - 2 氧化锌电阻片等效线路图 测量阻性电流时，先采样全电流i x 和电压u 的信号，分别为i x ( i ) ，矾i ) ，然后用 软件将电压自仃移9 0 度相角，假设为i i c ( i ) ，分别对厶( i ) 和，1 。( f ) 进行d f t 分析，求出二 者基波的幅值分别为a i 、a 2 ；初相位为q 、口：。 则由全电流信号计算出的容性电流基波幅值应为： 彳3 = a l c o s ( o r 2 一口1 ) ( 2 一1 ) 贝l j l l c 与厶之| 、日j 的增益系数： p = a 2 a 3 ( 2 2 ) 故得阻性电流波形： i ，( f ) = i ，( f ) 一，1 。( f ) p ( 2 3 ) 根据g b l l 0 3 2 2 0 0 0 的相关规定，当阻性电流波形上、下不对称时，应取较大值 作为阻性电流的峰值，因此取i r 绝对值的最大值即为阻性电流峰值。该测量方法在 电源的高次谐波占基波分量的比例小于5 的时候，高次谐波对阻性电流峰值的测量 无影口向。由上述原始数据，则可相应算出阀片的其它相关参数。 功率损耗：用电压叭i ) 与阻性电流i r ( i ) 的乘积在一周期内积分，经比对，该方 法与用电压从i ) 和全电流“i ) 的乘积在一周期内积分计算出的结果几乎完全一致。 电压有效值：由电压波形数据矾i ) 的自乘积在一同期内积分求出。 全电流有效值：由全电流波形数据“i ) 的自乘积在一周期内积分求出。 温度：每个测量平台下都有一个高精度铂f 乜阻，采用先进的测温模块将温度转 换为电压信号，i p c 对此电压进行测量，计算出温度并记录下来。这个温度为试品 的表面温度。 2 1 2 加速老化系统装置及特点 氧化锌电阻片加速老化试验系统采用西安交通大学电力电子专用设备研究所 9 华北电力人学硕：卜论文 生产的阀片加速老化试验装置。该装置主要用来检测氧化锌避雷器阀片在长时间加 速老化过程中的功率损耗以及阻性电流等参数。本次试验装置包括高压源、高温试 验箱、稳压电源、电气控制柜和用于测量控制的计算机( 如图2 3 ) 。通过高温试验 箱对氧化锌阀片加热到规定温度并由高压源持续施加恒定电压，由计算机进行六个 项目的测量，包括累计加压时间、试验电压、全电流、温度、阻性电流峰值以及功率损 耗的测量。 _ 日冀； 图2 3 加速老化试验装置示意图 这套装置集控制、测量、保护于一体，采用了计算机自动巡回测量、数据处理 存储和波形自动显示，从而保证了产品性能稳定，具有如下特点： ( 1 ) 装置可以在无人职守的情况下，按照预先设定的时间间隔，对各路试品 进行巡叫检测，自动测量并记录各试品的施加电压值、功耗与阻性电流值等参数。 ( 2 ) 装置设有完善的保护电路，一旦某路试品过流被击穿，能及时切断该路 主回路电源并记录该试品的破坏时间，并给予指示。 ( 3 ) 设备具有多个通道，可以在不同的荷电率下进行试验，提高了试验的效 率。 ( 4 ) 设备能进行手动、自动转换，可以满足用户的不同测试要求。 ( 5 ) 可以自动记录老化试验过程中外部电源的断电次数和断电时间。 2 1 3 相关参数 本次试验中氧化锌电阻片加速老化试验装置的技术指标、功能及精度、使用条 件等参数分别如表2 1 i2 2 、2 3 所示。 表2 1 主要技术指标 温度范围 r t 2 0 0 恒温槽尺寸内部l 6 0 0 w 5 0 0 x t t 7 0 0 m m ，外部l 8 5 0 x w l l 0 0 h 1 2 5 0 m m ； 输出电压 a c0 6 k v 、1 0 0 m a 、6 条电路 1 0 华北电力人学硕士论文 表2 - 2 功能及精度 容量5 k v a 稳压电源 输入变动范围1 5 时，稳压器输出电压精度1 ； 负载0 1 0 0 变动时，波形失真 乱6 0 4 5 3 0 1 2 3 4 8 0 7 0 多6 0 皿 5 0 7 0 6 0 萋5 0 正 4 0 3 0 7 0 6 0 曼5 0 皿 4 0 3 0 01 02 03 04 05 0 t ( h ) ( b ) 老化2 天 02 04 06 08 010 0 t ( h ) ( d ) 老化4 天 03 06 00 01 2 01 5 0 t ( h ) ( f ) 老化6 天 0 3 0 6 09 01 2 0 1 5 018 0 t ( h ) ( f ) 老化7 天 图4 - 1 不同老化时间的功耗曲线 3 l 华北电力人学硕+ 论文 4 1 2 结果分析 由于不同试样的老化初始功率损耗值不同，要判断经过老化试验后功率损耗值 的变化，需要计算每条曲线功率损耗的最终值与初始值的比。将所有的曲线计算得 到的功率损耗增加比值绘制在同一张图中，横坐标为老化天数，纵坐标为功耗增加 的倍数，并补上不老化的情况下功耗不增加的点( 0 ，1 ) ，如图4 2 所示。 一1o1234567 老化时间t 图4 - 2 不同老化时间的功耗增长倍数 根据图4 2 中各点的分布舍掉偏差较大的特殊点( 如试样1 3 、2 2 等) ，得到 不同老化时间下功率损耗增加倍数的平均值，如表4 1 表示。 表4 1 不同老化时间的功耗增长倍数均值 老化时间 l 天2 天3 天4 天5 天6 天7 天 功耗增加倍数 1 5 81 6 9 1 8 0 1 8 71 9 52 0 32 1 0 由于泄漏电流随老化时间的增加可以表示成公式4 1 所示【6 1 。彳、b 及n 为常数， t 为老化时间。 = a e x p ( b t ”) ( 4 1 ) 当老化时