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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