避雷器放电计数器用高通流氧化锌电阻片配方优化试验

吴 勇 林 芳

(1宁德职业技术学院 福建福安 355000;2寿宁县武曲镇农业技术推广站 福建寿宁 355513)

1 引言

随着具有优异非线性、高通流能力和持久的抗老化金属氧化物电阻片制造技术的快速发展，金属氧化物避雷器已成为限制高幅值内部过电压、雷电过电压的主要设备［1－4］。避雷器用放电计数器是用来监测避雷器放电动作的一种电器，非线性电阻元件是放电计数器的核心部件［1］，必须同时具备信号取值与通流的双重作用。在超高压电力系统中，电阻片长期工作的稳定性即耐高压、抗老化性能的优劣，直接影响避雷器能否安全可靠运行，电阻片性能的高低直接影响计数器正常工作和使用寿命。

常用的金属氧化物电阻片 (又称ZnO非线性电阻片)是将质量百分比占90%左右的ZnO粉末与 Bi、Sb、Ti、Cr、Si、Ni等的氧化物粉末相混合，经传统电瓷工艺烧结而成。原ZnO非线性电阻片配方具备通流能力好、低残压等优点，但2ms方波2200A 20次通过后前后性能差异过大，方波后稳定性较差。为进一步提高ZnO非线性电阻片的通流稳定性，通过对原配方组分分析，我们拟定系列优化配方进行试验，试图找到ZnO非线性电阻片优化配方组成。

2 试验配方优化原理

特高压避雷器 (Metal oxide arrester，MOA)放电计数器性能要求:2ms/2200A方波通过20次、U5.5kA小于1.5kV。所以ZnO非线性电阻片试验配方优化设计应从满足容量和残压的基础上，降低电位梯度、提高通流容量及稳定性方面着手。

Bi2O3是氧化锌电阻片中不可缺少的添加剂［5］。焙烧过程中，由于Bi2O3熔点相比其他组分低得多，温度870℃时就可以熔化为液相。各种添加剂在Bi2O3液相的牵引力作用下，不断向晶界偏聚，形成势垒很高的薄界面，从而提高了ZnO电阻片的非线性系数和耐大电流通流能力。降温冷却时，由于Bi3+离子半径 (0.117nm)远比Zn2+离子半径 (0.074nm)大，Bi3+无法进入氧化锌晶粒而偏析在晶界［5］，对氧化锌电阻片的电气性能不会产生不良影响，所以优化配方中可适当增加Bi2O3含量。

研究表明，配方中添加Sb2O3，可以抑制氧化锌晶粒生长。焙烧过程中Sb2O3可与氧化锌反应生成尖晶石相，该相在晶界处沉淀，钉扎于ZnO晶粒的表面，阻碍了晶界移动，从而限制氧化锌晶粒的进一步长大，使U1mA/mm值显著提高。这即是Sb2O3在氧化锌电阻片配方中的作用，凡高梯度氧化锌电阻片 (Metal oxide varistor，MOV)配方中都采用该成分。降低电位梯度是特高压避雷器放电计数器性能要求，所以在试验配方中尽可能不采用Sb2O3。

为促进氧化锌晶粒生长，降低电位梯度，可在优化配方中引入TiO2添加剂。氧化锌电阻片焙烧过程中，TiO2能与其他组分形成低共熔点的液相，氧化锌晶粒生长动力学指数及表观激活能都有所降低［1］，得到的氧化锌晶粒显著增大。同时焙烧过程生成的3价或4价Ti离子能取代氧化锌晶粒中Zn2+的位置，并进一步电离形成低价的有效施主中心，增加了耗尽层中施主的浓度，相应地减小了耗尽层宽度，引起势垒下降。势垒下降则引发晶粒界面上的电子到达导带能级的概率增加［1］，高压工作状态下，击穿晶粒隧道概率相应增加，氧化锌电阻片的击穿电压随之下降［6］。

3 试验

3.1 试验配方(mol%)

通过预备实验和理论分析，确定ZnO电阻片试验配方，详见表1。

表1 ZnO电阻片试验配方

3.2 电阻片制造工艺流程

ZnO电阻片制造工艺流程大致如图1所示。

图1 ZnO电阻片制造工艺流程图

主要工艺控制:添加剂以氧化锌原料质量为基准，按比例称取，球磨时间1.5h。有机结合剂液按水分的15%添加，混料时间24h，混料水分控制在35%以内，喷雾造粒含水1.2%。混料陈腐时间12h，并在24h内压制成型。原配方及试验配方电阻片设定相同的焙烧温度 (1155℃)和热处理温度 (530℃)。

4 测试结果记录

依据《交流无间隙金属氧化物避雷器》 (国家标准GB11032－2000)对待测配方的电阻片进行相关电气性能测试。

4.1 电气性能测试

对原配方氧化锌电阻片进行2ms方波2000A 20次、100KA大电流及残压测试，测试结果如表2所示。从表2中数据看，原配方氧化锌电阻片20次通过2ms方波2000A，但5.5kA的残压达1.37kV，压比K5.5为2.29。

表2 原配方氧化锌电阻片测试结果

分别对5个试验配方氧化锌电阻片进行2ms方波2200A 20次、100KA大电流及残压测试，测试结果如表3所示。与原配方比较，试验配方电阻片20次通过2ms方波2200A，比原配方的2ms方波2000A有所提高。1#、2#、3#、4#试验配方的电位梯度 U1mA、U10μA、U5.5kA均比原配方低20～30%，5#试验配方电位梯度则有所升高。从压比性能看，比原配方的K5.5(2.29)都有所降低。除5#试验配方外，其余试验配方电阻片电气性能优于原配方。

表3 5个试验配方氧化锌电阻片测试结果

4.2 对比试验

综合考虑氧化锌电阻片成本及其它因素，笔者选定2#试验配方与原配方进行对比试验。在相同的大电流及方波冲击后，分别测试2#试验配方氧化锌电阻片与原配方氧化锌电阻片电气性能变化情况，测试结果如表4所示。对比试验可以看出，2#试验配方氧化锌电阻片抗大电流及方波冲击能力较强，稳定性能明显提高。

表4 2#试验配方与原配方对比试验结果

4.3 小批量试验

小样试验后，对2#试验配方氧化锌电阻片进行小批量生产验证试验，以进一步验证该配方应用前景。测试结果 (见表5)显示，2#试验配方氧化锌电阻片5个试验样品全部通过了电气性能测试，U1mA、U10μA、U5.5kA及 K5.5变化率均小于 ±5%，电气性能稳定，基本满足优化配方设计要求。

表5 2#试验配方氧化锌电阻片批量试验结果

5 晶相结构对比

从晶相图 (图1、图2)比较看，2#试验配方氧化锌电阻片 (MOV)的晶粒大小可达到原配方氧化锌电阻片晶粒1.5倍以上。电气性能测试中，晶粒尺寸的增大减小了氧化锌电阻片 (MOV)的电位梯度，更能满足特高压避雷器 (MOA)放电计数器的技术要求。

图1 2#试验配方晶相结构图 (1000×)

图2 原配方晶相结构图 (1000×)

6 结语

本实验确定的氧化锌电阻片 (MOV)优化配方—2#试验配方，适当增加Bi2O3含量，提高了ZnO电阻片的非线性系数和耐大电流通流能力。配方中去除Sb2O3成分相，引入TiO2，促进氧化锌晶粒生长，晶粒尺寸增加50%。电阻片的击穿电压随之下降，明显降低氧化锌电阻片的电位梯度。优化配方电阻片制造工艺中，添加剂以生料添加，并适当减少球磨时间，提高了生产效率。优化配方电阻片电位梯度比原配方低20～30%，压比性能也有所降低。优化试验配方氧化锌电阻片抗大电流及方波冲击能力比原配方更强，稳定性能明显提高。

综上所述，试验得出的优化配方与原配方电阻片比较，优化配方电阻片具有更优越的电气性能指标，且成本低、生产效率高，较好地满足特高压等级避雷器 (MOA)放电计数器的性能要求。

［1］陈光正，赵卉，吕宏.MOA放电计数器用高通流ZnO电阻片的配方试验 ［J］.电瓷避雷器，2013，56(2):85.

［2］王兴贵，李庆玲，李效珍，等.氧化锌避雷器应用研究 ［J］.高压电器，2008，44(2):175.

［3］张振洪，臧殿红.氧化锌避雷器在线监测方法的研究 ［J］.高压电器，2009，45(5):126.

［4］宋继军，管雅弘，潘仰光.金属氧化物避雷器现状及发展趋势 ［J］.电力设备，2005，6(8):5.

［5］马书蕊，施利毅，钟庆东，等.添加剂对氧化锌电阻片电学性能影响的研究进展 ［J］.电瓷避雷器，2005，48(6):31.

［6］姚政，翟维琴，金继华，等.提高ZnO电阻片电性能的研究 ［J］.电瓷避雷器，2006，49(6):37.