高压ZnO压敏电阻耐大电流冲击及老化性能研究

作     者：王亚萍 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜胜林

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 08[工学] 

主      题：ZnO压敏电阻 高电位梯度 耐大电流冲击 老化特性 

摘      要：超高压直流输电具有长距离、高电压、经济环保、占地小等优点,是二十一世纪理想的高效率绿色输电方式,而ZnO避雷器则是实现直流输电网和供电系统可靠运行的保证。ZnO压敏电阻是避雷器中最关键的部分,长久以来人们对其研究重点围绕在提高电位梯度等方面,较少的关注大电流冲击性能和直流老化性能。因此,在保证ZnO压敏电阻优异的压敏电性能的基础上,提高大电流冲击能力和直流负荷下耐老化性能是本文的主要目的。首先,本文采用两步烧结(TSS)来减小晶粒尺寸,进而提高电位梯度E1mA,改善压敏电性能。通过设计不同的TSS工艺,研究了不同的t1,T2,t2对电阻电性能的影响。结果表明:当第一步烧结温度T1=1180℃,第一步保温时间t1=10 min,第二步烧结温度T2=850℃,第二步保温时间t2=5 h时可得最佳电性能参数。此时E1mA=4221V/cm,非线性系数α=93.3,漏电流IL=0.24μA,残压比K5KA=2.34,压敏电位梯度变化率ΔE1mA(%)=-9.2%。其次,基于掺杂少量的高价态且离子半径接近Zn离子的物质作为施主离子可以提高晶粒电导率,进而降低残压比,提高大电流冲击能力,本文提出了Zn粉掺杂,研究了不同的Zn粉掺杂量对大电流冲击性能的影响。实验结果表明:Zn粉对电阻的d有减小的作用,但会提高中间相的含量。当Zn粉的掺杂量为3 mol%时,陶瓷在4000-6000A大电流冲击下的残压比和冲击之后的压敏电位梯度变化率均小于未掺杂样品,这与Zn粉进入到晶粒内部提供自由电子有关。冲击电流为6000 A时,掺杂3 mol%Zn粉的陶瓷样品的残压比K6KA=2.40,压敏电位梯度变化率ΔE1mA(%)=-6.81%。此外,探讨了样品在多次大电流作用下的击穿现象,表明电极边缘的熔洞结构是多次大电流冲击下样品失效的根本原因。最后,针对降低晶粒内的填隙iZn?浓度能够提高电阻在直流负荷下耐老化性能,本文采用在ZnO晶格中引入两性掺杂剂Na。实验结果表明:当加入0.06 mol%的Na2CO3时,通过SEM分析,样品微观结构最均匀,平均晶粒尺寸为6.9μm,致密度达到94.1%。因Na离子既可以占据晶格位置阻止填隙Zn离子的生成,也可以占据间隙位置阻止填隙Zn离子的迁移,进而有效地提高Zn O压敏电阻的直流老化特性。所以在0.9V1mA/125℃/8 h的老化条件下,样品有最小的老化系数(KT=4)、最小的压敏电位梯度变化率(ΔE1mA(%)=-0.54)及最小的漏电流变化率。此外因热处理对氧离子、锌离子等粒子扩散和迁移的影响,对掺杂0.06 mol%的样品进行热处理,结果表明在900℃进行热处理时老化性能最优,此时KT=3.3(0.9V1mA/125℃/8 h),ΔE1mA(%)=-0.5(0.9V1mA/125℃/8 h)。