限制特高压直流系统过电压的高梯度低残压避雷器关键技术研究

Ultra-high voltage DC power transmission technology has the properties that long distance, low loss and mass transport. It's necessary for our country to resolve the present questions that the distribution and demand of energy are not balance. The ultra-high voltage DC engineering provides the solutions for optimizing the allocation of energy sources. The ultra-high voltage DC transmission technology need higher insulation grade than others, which increases the difficulty, volume and cost of power equipments remarkably. The high-performance arrestors are employed to reduce the residual voltage with switching or lightening impulse, which is the acknowledgedly economic and effective resolution today. The key technology for ultra-high voltage DC arrestors is the reality of high-performance ZnO varistors. To optimize the properties of ZnO varistors according to the designing of materials and promote the protection level and energy absorbing capability in nature, then the insulation of ultra-high voltage equipments can be protected effectively. In this project, the excellent ZnO varistors materials are researched detailedly for high-performance ultra-high voltage DC arrestors, the doping properties and process optimization are adopted to realize the targets for new ZnO varistors materials.

特高压直流输电具有输送距离远、规模大和损耗低的优点，适应当前我国资源分布和能源需求不匹配的现状，特高压直流输电的实施为我国能源资源的优化配置提供了有效途径。特高压直流输电由于电压等级的提高，对设备绝缘水平提出了较高要求，显著增加特高压设备的制造难度、体积和工程造价，采用高性能的避雷器降低特高压直流系统在操作冲击和雷电波冲击下的残余电压，对特高压直流设备绝缘提供有效保护是当今公认的经济、有效解决方案。高性能直流ZnO压敏电阻是实现特高压直流避雷器的核心技术，从新材料设计的角度对ZnO压敏电阻材料进行改性，在本质上提高ZnO压敏电阻阀片的保护水平和通流能力，由此实现对特高压直流电力设备绝缘的有效保护。本课题致力于开展适用于特高压直流避雷器的高性能ZnO压敏电阻新材料研究，通过对ZnO压敏电阻材料进行掺杂改性和工艺优化研究，达到实现新材料开发的目的。

本项目主要在B2+掺杂、Al3+/B2+共同掺杂、Ca2+掺杂及Al3+/Ca2+共同掺杂这四个方面研究了各掺杂元素及其掺杂组合ZnO压敏电阻的残压等电学性能及微观特性的影响，并探索了最适合该系列配方体系的烧结工艺。确定用以改善压敏电阻电学性能(以残压为主)的掺杂剂及其最佳掺杂比例，使得在降低直流ZnO压敏电阻残压比的同时维持或提高其其余参数性能，是本研究最主要需要突破的难题。通过微观结构特性映射宏观电学性能，本文详细讨论了各掺杂元素在烧结过程中对样品电性能及微观参数的改进机理，并确定了它们的最佳掺杂比例。B2+掺杂增加了样品晶界的稳定性，同时其在烧结初期产生的液相促进了良好的势垒形成，增强了样品的非线性性能。同时掺杂了B2+和Al3+的直流ZnO压敏电阻具有低泄漏电流、高非线性和低残压的优良电性能。在B2+和Al3+的掺杂比例为3.0 mol％和0.015 mol％下获得的最佳样品的电参数如下：击穿电压E1mA＝475 V/mm；泄漏电流JL=0.16 μA/cm2；非线性系数α=106；剩余电压比K=1.57。为了提升直流ZnO压敏电阻的综合性能，开发了新的掺杂元素Ca。少量的Ca2+掺杂可以增加ZnO压敏电阻的电压梯度、非线性性能并有效抑制漏电流。在烧结过程中，Ca2+参与缺陷形成和晶界工程，促进了势垒的形成，使样品的高非线性性能得以保障。Ca2+钙化晶界形成高阻层，促进了晶界系统的稳定性，抑制了泄漏电流。在烧结过程中，大离子半径的Ca2+钉扎ZnO晶粒，抑制了晶粒的过度生长，提升了样品的电压梯度。最佳样品的电参数如下：击穿电压E1mA=532 V/mm，漏电流JL=0.11 μA/cm2，非线性系数α=96。Ca2+与Al3+的共同掺杂实验发现，Ca2+掺杂可以促进Al3+在晶粒中的溶解并减少Al3+在晶界层中的积累，从而降低了晶粒电阻的最小值并提升了晶界电阻。确定了最佳的Ca2+/Al3+掺杂比为0.045/0.15，该掺杂比例下，样品的晶粒、晶界电阻分别达到最值0.22 Ω和155.4 kΩ，此时样品的残压比达到最小值1.57。最后，本文研究了烧结温度对样品电学性能及微观特性的影响。