电涌保护器在雷电流冲击下的老化机理及失效预警研究

Surge protective devices provide effective means for lightning protection.The core ZnO varistor may heat up,burn in or even lose efficacy under the lightning current impact.The traditional ageing mechanism based on ionic migration theory ignores the thermal diffusion process.It means its advantages or disadvantages can only be judged by measuring the static parameters, such as leakage current.That may exists aging inflection point and brings hidden security danger.This project researches the aging degradation mechanism and failure early warning from the perspective of the ZnO varistor conductive model and dynamic characteristic in the process of impact evolution.The main content includes:（1）Simulate the numerical model of microscopic characteristics and grain boundary character by using the microstructure model of Voronoi grid.Study the conductive model of ZnO varistors by combining with the thermal parameters in the aging process.（2）Study the changes of the electric parameters and the temperature distribution of voltage dependent resistors in the impact process by means of lightning impulse platform,multi functions SPD tester and thermal imaging instruments.（3）Combine the simulation of the conductive model with the experiments and modify micro structure model and the thermal diffusion coefficient to improve the aging mechanism of ZnO varistor.At the same time, the change curve of the parameters and the influence factors of aging are studied, and the mathematical model of failure warning is established. In addition,it provides important theoretical guidance for the development of high performance SPD,and solves the problem that the arrester can only be replaced after totally losing efficacy without any warning.

电涌保护器是雷电防护的有效手段，其核心ZnO 压敏电阻在雷电流冲击下会升温、老化乃至失效，基于离子迁移理论的传统老化机理忽略了热扩散过程，导致其优劣仅通过测量漏电流等静态参数判断，存在老化拐点而带来安全隐患。从ZnO 压敏电阻的导电模型和冲击过程中动态特性演变的角度出发，研究老化机理及失效预警。主要内容包括：(1)利用Voronoi网格的微结构模型对显微特性和晶界特性进行数值模拟，结合老化过程中的热学参数，研究压敏电阻的导电模型。(2)利用雷电冲击平台、SPD测试仪、热成像仪等实验研究冲击过程中压敏电阻的宏观电气参数变化和温度分布规律。(3)将导电模型的仿真激励响应和实验相结合，修正微结构模型和热扩散系数，完善ZnO压敏电阻的老化机理。研究冲击过程中参数的变化曲线和老化因子，建立失效预警的数学模型。为高性能避雷器的研制提供理论指导，解决目前避雷器只能在失效后被动更换而不能提前预警的问题。

ZnO压敏电阻电涌保护器是电力和通信领域重要的过电压防护器件。受雷电流脉冲的冲击作用，其核心元件ZnO压敏电阻会逐渐劣化。研究其劣化机理、特性及检测方法具有重要的意义。主要研究内容包括：. 1、研究了ZnO压敏电阻的微观特性和雷电流冲击下的劣化机理。.通过电镜扫描和XRD衍射观测了ZnO 压敏电阻在雷电流冲击前后的微观结构、EDS能谱、衍射图谱。结果表明在冲击前后，晶粒尺寸变小，晶界增长，晶相结构和Bi元素的比例发生了变化。导致ZnO严重失效甚至破损。. 2、研究了ZnO压敏电阻电涌保护器在多脉冲雷电流冲击下的电气参数和表面温度分布。.新型连续多脉冲冲击平台能较真实地模拟自然雷电。利用平台进行冲击实验，改变脉冲数量、时间间隔和幅值等参数，从电气性能、热性能等方面定量研究了ZnO压敏电阻的劣化特性。结果表明泄漏电流会产生跃变；压敏电压表现为先上升后下降，不同于多次单脉冲冲击时的下降趋势；电容值在小范围内波动，不同于多次单脉冲冲击时的上升现象；表面温度分布不均匀；结论为电涌保护器的研制和劣化预警提供参考。. 3、研究了多脉冲雷电冲击下电涌保护器的漏电流和表面温度分布模型。.利用漏电流的不可逆性以及遗传算法的自适应性，建立了基于遗传算法的漏电流拟合模型。引入瞬态热阻抗，研究冲击过程中能量净吸收状况。建立了基于神经网络的压敏电阻表面温度分布模型，可通过检测表面温度分布实现脱扣。为智能化SPD的研制奠定了基础。. 4、研究了ZnO压敏电阻电涌保护器漏电流检测和提取方法，开发了低功耗的检测仪器。.漏电流的阻性分量是表征ZnO压敏电阻老化的重要参数，将漏电流进行过零检测、低通滤波和相位测量，确定基波频率和移相角度，利用各分量的相位关系求解容性电流并提取阻性分量。将该方法应用到仿真和实际数据中，对提取的阻性电流进行FFT 分析，结果表明阻性电流基波和谐波的提取精度得到了改善。