高电压梯度zno压敏电阻仿真研究现状

高电压梯度zno压敏电阻仿真研究现状

0特高压避雷器的研发在“五一”期间，中国完成了世界第一个高压通道“晋东南-南阳-荆门”的高压交流示范工程。在“十二五”期间,我国将在特高压交流输电工程方面建成华北、华东、华中特高压电网,形成“三纵三横一环网”的特高压交流输电骨干网架;在特高压直流输电工程方面,将建设11回特高压直流输电工程,形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局。特高压交、直流输电工程的规模化建设将会极大地推动特高压输电核心技术升级,尤其是全套电气设备制造能力的提升。随着电网电压等级的提高,电力系统过电压问题也日益突出,需要对过电压进行有效地限制以保护高压设备的绝缘不被破坏。金属氧化物避雷器(MOA)是电力系统中限制过电压的关键设备,其过电压保护水平在较大程度上决定了电力系统各种设备的绝缘水平。ZnO压敏电阻阀片是避雷器中的核心器件,具有优良的非线性特性和较高的能量吸收能力,可以有效地限制过电压。传统ZnO压敏电阻阀片由于压敏电压梯度较低,若用于特高压避雷器,会使得避雷器高度、体积和质量大幅增加,不利于生产和运输。通过提高ZnO压敏电阻的电压梯度则可以缩短避雷器的长度并改善电位分布,比如若特高压罐式避雷器采用高梯度ZnO压敏电阻阀片,可以较大地减小其体积和质量,使其小型化,同时可以有效减小其均压结构,在安全的绝缘配合条件下降低绝缘需求水平,从而降低电力设备的绝缘成本,大幅度降低设备造价。为了配合特高压电网的建设并提高国内特高压避雷器的自主研发水平,需要开发出具有高电压梯度、低残压比和大通流容量等特点的压敏电阻阀片,用于特高压MOA的生产。这也是其他电压等级的电力系统对避雷器技术的要求。本文通过调研国内外相关文献报导,从压敏电压梯度、残压比、通流容量和耐老化特性4个方面出发,分析ZnO压敏电阻研究现状。1新型压敏阀片的开发ZnO压敏电阻的压敏电压梯度是指在特定电流值(0.1~几mA之间,往往取1mA)对应的压敏电阻两端的电场强度,研究表明若将压敏电压梯度从传统阀片的200V/mm分别提高到300V/mm和400V/mm,可以使串联阀片净高度相应地从5.85m降低到3.90m和2.93m。另外,通过提高ZnO压敏电阻的压敏电压梯度可以改善特高压避雷器电位分布不均匀性,采用压敏电压梯度为300V/mm的ZnO阀片,阀片最大耐压偏差为20.48%,无法满足技术指标要求。将压敏电压梯度提高到367V/mm,可以使阀片最大耐压偏差减小到13.83%,已经满足技术指标的要求。压敏电压梯度进一步提高到400V/mm,可以使阀片最大耐压偏差约控制在10%。综合多方面的因素,1000kVGIS避雷器的最短芯体高度要控制在>4000mm(分节芯体连接件高度约为1250mm),对应的压敏电阻的合适的电压梯度为435V/mm,此时1000kVGIS避雷器内压敏电阻的电位分布不均匀度可控制在<10%。ZnO压敏电阻的压敏电压梯度主要取决于单位高度内有效晶界的数量,因而可以通过减小晶粒尺寸和改进烧结工艺以增加有效晶界的数目。研究发现在ZnO中掺杂稀土金属氧化物会将晶粒尺寸从十几μm降至几μm,可以在较大范围内提升压敏电阻的压敏电压梯度。目前,国外具备生产特高压氧化锌避雷器和高压敏电压梯度阀片能力的公司主要包括:日本的TMT&D(2002年由三菱、东芝合组)和日立、俄罗斯电瓷工联、美国的GE、OB,瑞典ABB、英国EMP等,其中日本厂商研制的产品具有较为领先的保护性能。日本特高压系统中主要采用的是由三菱公司研制的特高压ZnO避雷器,先后发展了A、B、C三种特性的ZnO阀片。A型阀片的伏安特性类似于已有的500kV避雷器所用ZnO阀片的特性,B、C两种阀片则具有更加优异的保护性能,因而更适合于特高压系统绝缘配合的要求。近年来,日本日立和东芝等公司开发了新一代高电压梯度的ZnO阀片。普通阀片晶粒尺寸在10μm左右,压敏电压梯度为200V/mm,而高电压梯度ZnO阀片晶粒尺寸仅为5μm,压敏电压梯度达到400V/mm,约提高到2倍。此外,新型阀片的冲击能量吸收密度达300J/cm3,与传统阀片相比约提高到1.7倍;新型阀片的非线性伏安特性和老化性能也相当优良,相同外径阀片的残压比降低了10%以上。目前,日立和东芝公司已经将新型ZnO阀片应用于22~765kV的瓷套型和GIS罐式避雷器。我国从20世纪70年代开始自行研制ZnO避雷器及阀片,80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,我国ZnO避雷器及阀片的制造技术已有较大提升。我国首条特高压交流1000kV输电工程采用了罐式和瓷套型两种避雷器,前者由廊坊电科院东芝避雷器有限公司生产,后者分别由廊坊电科院东芝避雷器有限公司、抚顺电瓷制造有限公司和西安西电避雷器有限公司制造,工频参考电压在834~844kV之间,直流参考电压为1137~1144kV,泄漏电流为20~70μA,所用阀片的研发工作主要是在国外压敏电阻片的基础上进行的。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高电压梯度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,并且过于关注ZnO压敏电阻阀片压敏电压梯度的提高,而没有全面地考虑ZnO压敏电阻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。通过添加Co和Mn的氧化物,能有效降低ZnO压敏电阻的泄漏电流和增加其非线性系数。试制的压敏电阻样品的电压梯度达492V/mm,非线性系数达76,而泄漏电流只有1μA。图1为普通和高梯度压敏电阻的微结构比较。2al离子掺杂量对残压比的影响根据GB11032—2000和IEC60099-4规定,ZnO非线性电阻的残压定义为放电电流通过避雷器时其端子间的最大电压峰值。放电电流分为陡波电流、雷电冲击电流、操作冲击电流。在电力系统提及或工厂例行试验中,残压一般是指雷电冲击电流下两端子间的最大电压峰值,标称放电电流等级分为1.5、2.5、5、10和20kA。残压比一般定义为残压值与直流参考电压的比值,即UnkA/UnmA。电力系统的绝缘水平是由避雷器的残压水平决定的。如图2所示,如果避雷器中应用的ZnO压敏电阻片具有低残压特性,也就是说避雷器具有更加平坦的伏安特性,更小的冲击系数,将提高过电压保护水平的同时,还将大大降低电力系统绝缘要求,简化绝缘设备,降低制造成本。研究发现氧化锌压敏电阻残压比主要取决于晶界和晶粒电阻率,一般采取降低残压比的方法是在ZnO非线性电阻中掺杂施主离子,例如Al3+、Ga3+和In3+,从而降低ZnO非线性电阻中晶粒的电阻率,从而使得翻转区移向更大的电流区域。目前工业生产配方中一般添加摩尔分数为0.004~0.007的施主离子。研究表明Al离子能够显著地降低ZnO的电阻率和ZnO压敏电阻的残压,如图3所示。这是因为在烧结过程中,Al离子替代ZnO晶格中的Zn原子,反应式如下Al离子替代ZnO晶格中Zn原子后形成的一价正电荷中心AlZn,并释放一个自由电子。随着ZnO晶粒中自由电子数量的增加,其电阻率也随着Al离子掺杂量的增加而降低。然而当Al离子掺杂量达到一定比例时,Al离子会进入ZnO晶格间隙而形成间隙Al离子,反应式如下ZnO晶格上一个电子与Al离子结合而形成Al′i,它是处于ZnO晶格间隙的带负电荷的铝离子,而在失去电子的ZnO晶格上就形成了带正电的空穴h。由于空穴数量的增加,使得ZnO中参与导电的电子数量减小,从而电阻率又将随着Al离子掺杂量的增加而增加。因此随着Al离子掺杂量从0开始逐渐增多时,电阻率的变化规律呈现出U型曲线特征,电阻率先降低然后又增加。由于不同研究课题组的试验工艺、原料以及测量方法略有差异,试验结果也会有所不同,目前关于Al离子的最佳掺杂比较尚有争议,需要开展系统深入的研究。日本三菱公司研制了采用C型阀片的特高压避雷器,其额定电压为826kV,在20kA和10kA的8/20μs波形放电电流的作用下,残压分别仅为1620kV和1550kV。与500kV避雷器在20kA放电电流下的残压为1112kV相比,在系统电压提高1倍的条件下,C型避雷器残压仅增加45.7%。我国特高压交流1000kV输电工程采用了国产避雷器,其1/5μs陡波冲击残压为1714~1760kV,8/20μs雷电冲击残压为1606~1616kV,30/80μs操作冲击残压为1436~1460kV,某厂生产的1000kV交流MOA在承受20kA、8/20μs雷电冲击作用时,单片电阻片的冲击残压比为1.588。3能量吸收密度的确定ZnO阀片的损坏主要包括3种情况:穿孔、破裂、热崩溃。通流容量I2ms与I4/10μs,以及能量吸收能力W与能量吸收密度Q均用于表征ZnO避雷器或阀片能够承受特定大电流作用而不发生损坏的能力。ZnO压敏电阻的能量吸收能力决定于其微结构电气性能的非均匀性,也具有非均匀特性,与微结构的非均匀性、电性能和热物理特性的非均匀性有关。微结构的非均匀性将导致电流和能量的集中,从而导致总体的能量吸收能力的降低。商用ZnO压敏电阻的能量吸收能力只达到了理想均匀压敏电阻能量吸收能力的24.2~29.9%。特高压避雷器的通流容量I2ms与I4/10μs分别指避雷器能够承受18次2ms方波电流作用,以及承受4次4/10μs冲击电流作用而不发生阀片损坏的耐受电流最大限值。通常而言,在2ms方波电流作用下,ZnO阀片主要发生穿孔损坏,而4/10μs冲击电流主要导致ZnO阀片发生破裂损坏。相应地,能量吸收能力W是指在不发生阀片损坏的条件下,避雷器所吸收能量的极限值,单位为MJ;能量吸收密度Q则是指单位体积ZnO阀片所吸收能量的极限值,单位为J/cm3。目前,日本已开发出冲击能量吸收密度达300J/cm3,U-I非线性和老化性能优良的氧化锌非线性电阻片,并用于避雷器生产。日本三菱公司研制的C型阀片通过改进造粒过程,提高阀片内部的均匀性,使电流分布更加均匀,从而使得阀片单位体积的能量吸收能力提高40~50%,整个避雷器吸收能量的能力>55MJ。西安西电避雷器有限公司生产的特高压交流1000kV避雷器的能量吸收能力≥40MJ,4/10μs大电流冲击耐受电流达4×100kA,单片电阻片大电流冲击耐受电流达到100kA。国内学者在实验室对氧化锌电阻片原料粉体的大小、形状对电阻片性能的影响等方面进行了研究,并在实验室采用化学共沉淀法及等离子体焙解技术制得纳米粉料(<100nm),在900°C下烧制的φ30×15的电阻片的电压梯度E1mA达480V/mm,但非线性系数只有12;方波电流通流能力为100A,但没有说明此时的电压梯度。而他们用传统机械造粒技术制得的同样尺寸的氧化锌电阻片的电压梯度为230V/mm,非线性系数为38,2ms方波电流通流能力<100A。初步估算冲击能量吸收密度最大约为198J/cm3,这个数值仅为日本高电压梯度氧化锌电阻片的2/3。另外,在氧化锌电阻片不发生冲击破坏(穿孔或破裂)的情况下,对避雷器最严峻的考验是其动作负载试验,要求电阻片在吸收两次方波冲击电流或线路放电的能量后,施加规定时间的额定电压之后,回到正常工作电压状态而不发生热崩溃。因为电阻片吸收冲击能量后温度上升,每吸收1J/cm3的能量后温度升高约0.35°C,注入两次300J/cm3的方波冲击能量后电阻片温升约210°C,加上试验时环境温度60°C,电阻片的温度达270°C。由于电阻片U-I曲线在小电流区具有负的温度系数,在额定电压或正常工作电压作用下泄漏电流会增加几倍甚至几十倍,若在后续承受额定电压和正常工作电压时的泄漏电流过大,电阻片发热将超过其散热能力导致热崩溃,造成永久性损坏,甚至引起爆炸等严重事故。很多氧化锌电阻片虽然能够通过18次方波冲击电流,却在动作负载试验中发生热崩溃而损坏。因此,开发具有较高通流容量的氧化锌压敏电阻阀片,必须采取有效的措施,在理论上研究电阻片微观结构和电气参数对电阻片总体性能的影响,在制造技术上就生产配方和工艺等方面进行深入、全面的研究。4晶界老化特性采用ZnO压敏电阻的金属氧化物避雷器在电力系统中使用时通常不带串联间隙,长期承受工作电压和间歇地承受不同幅值和脉宽的瞬时雷电过电压和操作过电压的作用,ZnO压敏电阻的电气性能会发生劣化以至失效,影响电力系统的长期、稳定、可靠运行。关于ZnO压敏电阻老化机理的研究尚存争论,提出的老化机理主要包括离子迁移、载流子陷阱、偶极子极化、氧离子解吸附和化学反应等。目前被较多接受的机理是离子迁移理论,是指在外加电场的作用下,晶粒耗尽层填隙锌离子会向带负电的晶界层界面移动,与之发生中和反应后生成电中性的缺陷,由于电场的持续作用,中性缺陷会不断生成,耗尽层中的正电荷和界面处的负电荷会持续减少,因而导致势垒高度降低,泄漏电流增加,产生老化现象。目前对氧化压敏电阻老化特性的研究主要集中于老化前后宏观电气性能的改变,尚未系统研究长期电压或冲击电流对单个晶界电气性能的作用规律和作用机理。对单晶界老化特性的研究有助于开展与氧化锌压敏电阻相关的导电机理、老化机理和性能改进方面的研究。目前,采用微探针法可以实现单个晶界层伏安特性的测量。图4为利用微探针法测量晶界伏安特性的过程,首先选定需要测试的晶界,通过定位装置移动微探针针尖至溅射沉积的微电极正上方,使之与电极紧密接触。通过测量老化前后晶界层特性的变化,可以更好地探索ZnO压敏电阻的老化机理。图5统计了100个ZnO压敏电阻表面晶界在不同老化阶段的非线性系数α。从图5可以看出当累计老化时间达24h后,大多数晶界的非线性系数分布在5~20区间内,非线性系数高于30的晶界数量比老化前有显著的减少。当累计老化时间达到48h时,非线性系数的分布更向低值区间集中,有超过半数的晶界的非线性系数<10,高非线性系数的晶界数目相较老化24h时更少,统计结果表明,在升温加速交流电压老化作用下,ZnO压敏电阻晶界的非线性系数明显逐渐降低。为了提高ZnO压敏电阻耐老化特性,在制备工艺方面可以采取的主要措施有细化原料、封闭烧结、增加成型压力和在550~600°C下进行热处理;在原料成分方面的改进措施主要有掺杂BaCO3提高受主浓度、掺杂玻璃体以束缚可移动阳离子、掺杂Ag2O以减少施主密度和掺杂SnO2以影响氧离子的扩散等。日本研制的特高压避雷器用ZnO阀片是通过添加玻璃质成分等使晶界层稳定的添加剂,使得阀片寿命特性提高10~15%,可以按约0.85的荷电率使用。我国不同厂家生产的特高压避雷器用ZnO压敏电阻阀片老化性能差别较大,在环境温度为115°C下进行1000h加速老化试验,有两个厂家的产品老化系数分别为0.71和0.6,另两个厂家的产品老化系数较高,分别达1.14和1.17。5关于电子机械的最新研究随着测量技术及制备工艺的发展,目前研究者试图从微结构的模拟以及ZnO双晶结构的制备来研究ZnO压敏电阻的导电机理。5.1zno压敏电阻的晶界模型及数值计算方法ZnO压敏电阻的计算模拟模型涉及显微结构模拟和晶界特性模拟两个部分。Voronoi网格可以作为ZnO压敏电阻的微结构模拟模型,还是最为合理有效的方式,图6为一种采用辅助种子构造Voronoi网格,每一个Voronoi多边形表示一个ZnO晶粒,多边形的每一条边线对应为相邻ZnO晶粒之间具有非线性电气特性的晶界。对于晶界特性的描述,以往研究者均采用了近似的经验公式来描述晶界的非线性伏安特性,公式中涉及的计算参数大都为曲线拟合参数和人为设置参数,这些正是以往ZnO压敏电阻计算模拟模型中存在的最主要问题和不足。为此,文采用了ZnO压敏电阻晶界真实的导电机理模型,如图7所示,并基于材料本身固有的物理参数作为核心计算参数,开展ZnO压敏电阻宏观电气性能参数的计算模拟。在图7所示的晶界分区模型中,一共包含3种结构类型的区域:1)厚晶间相区:当晶间相很厚时,认为无法形成双肖特基势垒,产生非线性伏安特性。对于该区域的导电模型,仅考虑晶间相的阻抗,不再有双肖特基势垒非线性阻抗单元。2)双肖特基势垒区:双肖特基势垒的晶界部分是一层非常薄、甚至于无明显可观测到的晶间相,相应的晶间相阻抗对势垒导电过程无明显影响,不应该再予以考虑。对于该区域的导电模型,仅考虑双肖特基势垒的非线性阻抗,不再有晶间相阻抗单元。3)晶粒直接接触区:相邻晶粒直接接触的部分,不存在晶间相,该区域在以往的研究中往往被忽略。对于双肖特基势垒区的导电机理,可以基于电荷填充表面态导致势垒高度降低的ZnO压敏电阻晶界导电理论来描述,该理论能够最大程度地符合各种观测到的实验现象,并且在预击穿区和击穿区的导电机理以及相关的计算公式都是完全一致、自然过渡的;相关导电机理不仅适用于ZnO压敏电阻,还可以应用到超级电容、太阳能电池、超导材料等其它具有类似半导体晶界特性的功能型陶瓷材料并得到相应的验证。在建立上述ZnO压敏电阻微结构模拟模型、晶界分区模型以及晶界双肖特基势垒导电机理模型的基础上,可以得到ZnO压敏电阻整体的等效电路,待求解非线性方程组的规模和复杂程度都有极大幅度的提高,采用传统的Newton迭代算法已经基本无法胜任,可以采用小信号分析的方法将非线性电路进行近似的线性化处理,由此简化计算求解过程。按照上述导电模型和数值计算方法可以仿真出ZnO压敏电阻在不同形式激励下的响应,图8为某ZnO压敏电阻实测交流电压响应和仿真响应的比较。从图8中可以看到,两者在波形形状及其变化规律上呈现了很好的一致性,并且电压、电流波形在数值上也基本符合。同时图8(b)中给出计算模拟误差,整个计算过程中所有计算点的误差都非常小。图9为某ZnO压敏电阻样品在承受8/20μs雷电冲击电流作用下的电压响应和数值仿真波形。对比实际测试的和仿真得到的两组波形,可以发现两者的电压、电流波形在形状及数值上都基本吻合,并且最大误差数值<6%。5.2zno压敏电阻的晶界层双晶是两个或两个以上同种晶体构成的﹑非平行的规律连生体,又称孪晶。接合面是指双晶中单晶体间相互接合的实际界面。双晶中以接合面为界,其两侧单晶体的晶格互不连续。接合面可以呈阶梯状或很不规则,亦可为一平面﹐且是两单晶体中相互等同的一个公共面。ZnO压敏电阻从微观结构上,可以看做是数量众多的ZnO双晶在空间上通过复杂的串、并联组合后得到材料,ZnO双晶中的接合面就是所谓的晶界层。为了更为深入地分析和了解ZnO压敏电阻的非线性特性的起源、导电机理和老化机理,有必要从ZnO压敏电阻的最基本结构单元(ZnO双晶)出发,通过实验手段揭示ZnO双晶的电气特性,