第一章 绪论 1
1.1 金属氧化物非线性电阻 1
1.1.1 陶瓷半导体材料 1
1.1.2 ZnO非线性电阻 2
1.2 金属氧化物非线性电阻的应用 5
1.2.1 应用概况 5
1.2.2 在电力系统中的应用 6
1.2.3 在电子系统中的应用 7
1.3 ZnO限压器及其发展 9
1.3.1 过电压保护装置的发展 9
1.3.2 ZnO限压器发展所提出的新要求 10
1.3.3 合成绝缘ZnO限压器 12
1.4 ZnO非线性电阻及其应用中的主要研究课题 15
1.4.1 ZnO非线性电阻电气物理特性方面的主要研究工作 15
1.4.2 合成绝缘ZnO限压器应用方面提出的新课题 16
参考文献 19
第2章 金属氧化物非线性电阻的导电机理 22
2.1 概述 22
2.2 ZnO非线性电阻的结构 23
2.2.1 ZnO非线性电阻的基本结构 23
2.2.2 晶界层 24
2.2.3 ZnO晶体的能带结构 27
2.3 ZnO非线性电阻的基本电气参数 27
2.3.1 ZnO阀片的非线性U-I特性 27
2.3.2 ZnO电阻的非线性指数 29
2.3.3 ZnO阀片在低电场区域的泄漏电流及其电阻的负温度系数 31
2.3.4 ZnO阀片的电介质特性 32
2.3.5 导电机理应能解释的非线性电阻的一些基本性能 33
2.4 ZnO非线性电阻的双肖特基势垒 35
2.4.1 ZnO非线性电阻的双肖特基势垒的形成 35
2.4.2 肖特基势垒高度 38
2.5 ZnO非线性电阻低电场区域的导电机理 39
2.5.1 低电场区导电机理概述 39
2.5.2 肖特基势垒的电子热激活发射 40
2.5.3 电子的二步传输导电机理 43
2.6 ZnO非线性电阻中电场区域的导电机理 45
2.6.1 中电场区域导电机理的讨论 45
2.6.2 隧道电流机理 46
2.6.3 晶界势垒消失机理 49
2.6.4 产生空穴的证明 51
2.7 金属氧化物非线性电阻特性曲线的解释 52
2.7.1 低电场区金属氧化物非线性电阻U-I特性 52
2.7.2 中电场区金属氧化物非线性电阻U-I特性 53
2.7.3 高电场区金属氧化物非线性电阻U-I特性 53
2.8 建立金属氧化物非线性电阻的等效模型有关的几个问题 54
2.8.1 ZnO阀片在小电流低电场区的极化现象 54
2.8.2 冲击电流作用下ZnO阀片的动态伏安特性 55
2.8.3 陡波头冲击电流作用时ZnO阀片电压的过冲现象 58
2.9 ZnO阀片和限压器的等效电路模型 60
2.9.1 ZnO阀片小电流低电场区域的等效电路 60
2.9.2 ZnO阀片大冲击电流区域的等效计算模型 61
2.9.3 金属氧化物限压器的冲击等效电路模型 62
2.9.4 快速暂态作用下ZnO阀片的等效电路模型 64
2.10 本章主要结论 65
参考文献 66
第3章 非线性金属氧化物电阻的小电流特性 71
3.1 概述 71
3.2 ZnO阀片的功率损耗及阻性电流测量原理及系统 72
3.2.1 ZnO阀片功率损耗测量原理及系统 72
3.2.2 交流ZnO非线性电阻阻性电流的测量 73
3.2.3 ZnO阀片功率损耗及阻性电流测量系统 76
3.3 ZnO非线性电阻的交流阻性电流及功率损耗特性 77
3.3.1 交流ZnO非线性电阻的阻性电流特性 77
3.3.2 ZnO非线性电阻的交流功率损耗特性 79
3.4 ZnO阀片功率损耗的人工神经网络(ANN)模型 80
3.4.1 人工神经网络(ANN)模型 81
3.4.2 ZnO阀片交流功率损耗的人工神经网络(ANN)模拟模型 84
3.5 直流限压器非线性电阻的功率损耗特性 86
3.5.1 直流输电系统ZnO限压器可能承受的工作电压波形 86
3.5.2 直流ZnO非线性电阻性在不同波形下的功耗特性 90
3.5.3 温度对直流ZnO非线性电阻功率损耗特性的影响 94
3.6 ZnO非线性电阻片功率损耗的频率特性 94
3.7 本章主要结论 96
参考文献 97
第4章 ZnO非线性电阻片的老化机理 99
4.1 概述 99
4.2 ZnO阀片老化的基本特征 100
4.2.1 伏安特性曲线的漂移现象 101
4.2.2 功率损耗和阻性电流的增加 102
4.2.3 ZnO阀片电介质特性的变化 104
4.2.4 采用热处理方法恢复老化阀片的性能 106
4.2.5 ZnO阀片的主要老化现象 107
4.3 老化时肖特基势垒的畸变及离子的迁移 107
4.3.1 肖特基势垒的畸变导致老化 107
4.3.2 热激电流表明存在离子的迁移 108
4.3.3 引起肖特基势叠畸变的离子 111
4.4 离子迁移的物理过程描述 114
4.4.1 老化时离子的迁移过程 114
4.4.2 热处理时离子的迁移过程 116
4.5 离子迁移对老化影响的评估 117
4.6 直流和交流电压作用时的老化机理 119
4.6.1 直流老化机理 119
4.6.2 交流老化机理 120
4.7 冲击电流作用时的老化机理 122
4.7.1 冲击电流作用时的老化机理 122
4.7.2 冲击电流与工作电压同时作用的复合老化 124
4.8 ZnO阀片的微裂纹在老化中的作用 126
4.8.1 ZnO阀片内部的微裂纹 126
4.8.2 微裂纹是氧原子扩散的通道 126
4.8.3 微裂纹可能成为水分扩散的通道 127
4.9 研究ZnO非线性电阻功率损耗长期稳定性能的加速老化试验 129
4.9.1 ZnO阀片的加速老化试验 129
4.9.2 提高温度进行加速老化试验 130
4.9.3 同时提高作用电压和温度进行交流加速老化试验 131
4.9.4 直流ZnO阀片在不同电压波形下的加速老化试验 133
4.9.5 加速老化试验曲线和老化机理 136
4.10 本章主要结论 138
参考文献 139
第5章 金属氧化物阀片的冲击破坏机理 142
5.1 概述 142
5.2 ZnO阀片冲击破坏类型及其基本特征 144
5.3 破裂破坏机理及影响破裂破坏能量的因素 148
5.3.1 破裂破坏机理 148
5.3.2 能量吸收均匀度对破裂破坏能量的影响 149
5.3.3 阀片热物理性能均匀度对破裂破坏能量的影响 149
5.3.4 能量吸收和热物理性能都不均匀对破裂破坏能量的综合影响 151
5.4 穿孔破坏机理及提高阀片穿孔破坏能量的措施 153
5.4.1 穿孔破坏机理 153
5.4.2 提高阀片穿孔破坏能量的措施 156
5.5 本章主要结论 157
参考文献 158
第6章 金属氧化物限压器的热特性研究 160
6.1 概述 160
6.2 金属氧化物限压器热传导分析 161
6.3 限压器的热传导方程及其边界条件 163
6.3.1 限压器的热传导方程 163
6.3.2 限压器的表面换热系数 164
6.3.3 瓷套限压器内部间隙的换热 165
6.4 计算限压器热性能的等值热路图法 167
6.4.1 限压器的等值热路图法 167
6.4.2 传导换热的热阻 169
6.4.3 自然对流换热的热阻 170
6.4.4 辐射换热的热阻 171
6.4.5 等值热容 171
6.5 计算限压器热性能的有限差分法的基本原理 172
6.6 限压器热特性分析的有限元方法及软件 174
6.7 合成绝缘氧化锌限压器的散热特性 177
6.7.1 合成绝缘限压器各组成部分对限压器整体散热性能的影响 177
6.7.2 合成绝缘限压器的散热时间常数 179
6.7.3 合成绝缘限压器的散热系数 180
6.7.4 限压器的散热试验 180
6.8 限压器的热稳定性能 182
6.8.1 限压器的热稳定性 182
6.8.2 合成绝缘限压器的热平衡图 183
6.8.3 合成绝缘限压器的稳定工作温度 185
6.8.4 合成绝缘限压器的极限工作温度 186
6.8.5 合成绝缘限压器热稳定的过电压能量吸收能力 188
6.8.6 热稳定时的温度分布 189
6.8.7 阳光辐射对热稳定性能的影响 190
6.9 本章主要结论 191
参考文献 192
第7章 高压金属氧化物限压器电位分布的研究 194
7.1 概述 194
7.1.1 限压器电位分布研究的重要意义 194
7.1.2 影响限压器电位分布的因素 195
7.1.3 电位分布研究的方法 197
7.2 采用模拟电荷法与矩阵变换的方法求等效计算电路 199
7.2.1 模拟电荷法的应用 199
7.2.2 用矩阵变换求限压器各单元之间的等效互电容 200
7.3 几种典型情况下的电位系数 203
7.3.1 点电荷 203
7.3.2 垂直布置的直线电荷 204
7.3.3 水平布置的直线电荷 205
7.3.4 环线电荷 206
7.4 用基尔霍夫电流定律计算电位分布 207
7.5 限压器电位分布试验的光电测量方法 209
7.5.1 电位分布测量的原理 209
7.5.2 光电测量装置的结构及优点 210
7.5.3 限压器电位分布的测量 211
7.6 变电站基座安装的限压器的电位分布 212
7.6.1 忽略阀片间的互电容对计算结果的影响 212
7.6.2 安装高度对限压器电位分布的影响 214
7.6.3 限压器引线长度的影响 215
7.7 悬挂式合成绝缘限压器的电位分布 216
7.7.1 悬挂在室内变电站入口处的限压器的电位分布 216
7.7.2 限压器悬挂在变电站门型构架上时的电位分布 218
7.7.3 悬挂在输电线路杆塔上时限压器的电位分布 220
7.8 本章主要结论 222
参考文献 222
第8章 输电线路采用ZnO限压器后的雷击杆塔分析 224
8.1 概述 224
8.2 计算原理及基本计算参数 225
8.2.1 输电线路参数和线路波过程计算 225
8.2.2 输电线路杆塔参数 227
8.2.3 ZnO限压器参数 227
8.2.4 雷电流 228
8.2.5 计算求意图 228
8.3 采用ZnO限压器后雷击杆塔时线路的耐雷水平 229
8.3.1 杆塔冲击接地电阻对耐雷水平的影响 230
8.3.2 限压器的冲击残压对耐雷水平的影响 234
8.4 合成绝缘ZnO限压器的雷电放电电流 236
8.4.1 合成绝缘ZnO限压器的雷电放电电流波形 236
8.4.2 合成绝缘ZnO限压器的雷电放电电流幅值 236
8.5 合成绝缘ZnO限压器吸收的雷电放电能量 242
8.5.1 杆塔冲击接地电阻对ZnO限压器吸收的雷电能量的影响 242
8.5.2 雷电流幅值对ZnO限压器吸收的雷电能量的影响 242
8.6 带串联外间隙的合成绝缘ZnO限压器的计算结果 244
8.7 本章主要结论 246
参考文献 246
第9章 输电线路装有限压器后的雷绕击导线分析 249
9.1 概述 249
9.2 用规程法分析雷击线路时的绕击率 251
9.3 用电气几何击距模型发析线路的绕击次数 253
9.3.1 电气几何模型 253
9.3.2 击距 254
9.3.3 雷绕击导线的总绕击次数 256
9.4 雷绕击导线的概率数值计算模型 257
9.4.1 概率数值计算模型基本原理 257
9.4.2 雷电先导模型 258
9.4.3 迎面先导产生的判据 260
9.4.4 导线及避雷线表面场强 262
9.4.5 绕击数值计算过程 263
9.5 考虑工作电压影响的绕击概率计算模型 264
9.5.1 雷击的多电极系统模型 265
9.5.2 考虑工作电压影响的绕击概率模型 268
9.6 用数值计算模型计算线路绕击结果 270
9.6.1 不同电压等级线路绕击次数的计算结果 270
9.6.2 最大绕击雷电流与总绕击次数 270
9.6.3 保护角对绕击次数的影响 274
9.6.4 杆塔高度对绕击次数的影响 274
9.7 在输电线路上采用限压器后的绕击分析 274
9.7.1 线路的最大绕击雷电流和最小绕击闪络雷电流 274
9.7.2 绕击时ZnO限压器的雷电放电电流和吸收的雷电放电能量 276
9.7.3 计算结果的讨论 278
9.8 本章主要结论 280
参考文献 281
第10章 金属氧化物限压器限制电力系统操作过电压问题 284
10.1 概述 284
10.2 国内外有关沿线装设限压器改善线路相对地操作过电压沿线分布的研究 286
10.2.1 特高压线路相对地操作过电压及其沿线分布的改善 286
10.2.2 取消合闸电阻后超高压系统相对地操作过电压沿线分布及其改善 289
10.3 紧凑型线路相对地操作过电压的限制 291
10.3.1 紧凑型线路相对地操作过电压特点 292
10.3.2 紧凑型线路相对地操作过电压幅值及沿线分布 294
10.3.3 线路中部加装限压器改善相对地操作过电压的沿线分布 294
10.4 紧凑型线路相间过电压及其限制的必要性 297
10.5 金属氧化物限压器限制相间操作过电压的不同接线方式及其效果 300
10.5.1 用三个相对地限压器组成的三星接线方式 301
10.5.2 限压器的四星接线方式 302
10.5.3 带放电间隙的接线方式 304
10.5.4 同时采用相对地和相间限压器组的接线方式 305
10.6 计算电弧接地过电压的"故障间隙"模型 307
10.6.1 电弧接地过电压的两种理论模型和实测数据 307
10.6.2 电弧接地"故障间隙"模型的描述 308
10.6.3 电弧接地过电压三种计算模型的比较 309
10.7 电弧接地过电压下限压器的通流能量 313
10.7.1 电弧接地过电压作用下限压器能量吸收的计算 313
10.7.2 10kV限压器通流能力的估计 314
10.8 本章主要结论 317
参考文献 318
第11章 合成绝缘ZnO限压器 320
11.1 概述 320
11.2 无间隙合成绝缘ZnO限压器 321
11.2.1 对合成绝缘ZnO限压器的基本要求 321
11.2.2 合成绝缘ZnO限压器的结构 321
11.2.3 合成绝缘 ZnO限压器密封性能的检测 324
11.2.4 合成绝缘ZnO限压器的故障电流耐受性能 326
11.3 带串联外间隙的合成绝缘ZnO限压器 327
11.3.1 用于限制线路过电压的合成绝缘ZnO限压器 327
11.3.2 线路用带串联外间隙合成绝缘ZnO限压器的优点 328
11.3.3 带串联外间隙的限压器的类型 330
11.3.4 带串联外间隙的限压器的结构 331
11.4 带串联外间隙的限压器与线路绝缘子串的雷电冲击绝缘配合 334
11.4.1 50%雷电冲击放电电压的配合 334
11.4.2 雷电冲击放电伏-秒特性的配合 338
11.4.3 限压器本体发生短路故障时的雷电耐受能力 340
11.5 带串联外间隙的限压器的工频过电压和操作过电压耐受特性 341
11.5.1 工频过电压耐受特性 341
11.5.2 工频续流切断能力 341
11.5.3 操作冲击耐受特性 342
11.6 本章主要结论 346
参考文献 346
中英文索引 349