​​​​​​​​در پژوهش حاضر، ما ورسترهای ZnO دارای چند آلاینده را مورد مطالعه قرار دادیم و ریزساختار و خواص الکتریکی آن‌ها را با تنظیم فرآیند زینترینگ بهینه کردیم. در غلظت‌های معینی از عناصر نادر خاکی ایتریوم و ایندیوم، با افزایش دمای زینترینگ از ۱۱۶۰ به ۱۳۲۰ درجه سانتیگراد، شیب ولتاژ از ۶۸۳.۷ به ۲۹۳.۰ ولت بر میلی‌متر کاهش یافت. علاوه بر این، ضریب غیر خطی ابتدا افزایش و سپس با افزایش دمای زینترینگ کاهش می‌یابد. هنگامی که در دمای ۱۲۴۰ درجه سانتیگراد سینتر شدند، نمونه‌های ورایزرهای ZnO چند آلاییده عملکرد بسیار خوبی از خود نشان دادند، گرادیان ولتاژ ۵۲۰ ولت بر میلی‌متر، نسبت ولتاژ باقی مانده ۱.۵۵ و چگالی ۶۳.۷ آمپر بر سانتی متر مربع تحت شکل موج جریان ۸ / ۲۰ ثانیه و ضریب غیر خطی ۷۴.۵ را نشان دادند. ​

این خواص بهینه در ساخت برق‌گیرها اکسید فلزی بسیار سودمند خواهند بود. هنگامی که از ورسترهای با عملکرد بالا در برق‌گیر شبکه‌های ولتاژ فوق بالا استفاده شد، سطح ولتاژ اضافی در طول خط انتقال و در ایستگاه فرعی به ترتیب ۳۱.۱۴ % و ۳۳.۵۳ % کاهش یافت. این ترکیب ویژگی‌ها به طور چشمگیری اثر حفاظتی برق‌گیرها را برای فرو نشاندن عمیق ولتاژهای بیش از حد در سیستم‌های قدرت بهبود می‌بخشد، به طور قابل‌توجهی نیاز به عایق‌بندی و هزینه دستگاه قدرت را کاهش می‌دهد و همچنین ایمنی سیستم‌های قدرت را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. ​

​

۱. مقدمه

چندین پروژه انتقال برق AC با ولتاژ فوق بالا (‏UHV)‏۱۰۰۰ کیلوولت در چین کار می‌کنند، و پروژه‌های UHV بیشتری در آینده نزدیک ساخته خواهند شد [‏ ۱، ۲ ]‏. از این رو، کاهش هزینه‌های ساخت‌وساز و بهبود کارایی چنین پروژه‌های UHV مهم شده‌است [‏ ۳، ۴ ]‏. هماهنگی عایق‌بندی سیستم‌های UHV AC عمدتا توسط سطح اضافه ولتاژ کلیدزنی کنترل می‌شود [‏ ۴، ۵ ]‏. در میان روش‌های مختلف مورد استفاده برای کنترل کلیدزنی اضافه ولتاژها، بهبود عملکرد حفاظتی برق‌گیرها بهترین راه است [‏ ۵ ]‏. در حال حاضر، نصب برق‌گیرها در ترمینال‌های خط انتقال یک روش مکمل برای کنترل اضافه ولتاژ کلیدزنی در امتداد خط انتقال است [‏ ۶ ]‏. برای حفاظت از ایستگاه فرعی، معمولا سه مجموعه از برق‌گیرها در یک ایستگاه فرعی UHV نصب می‌شوند، یک مجموعه از برق‌گیرها در ورودی خط انتقال به ایستگاه فرعی نصب می‌شوند، مجموعه دوم بر روی باس بارها نصب می‌شوند، و مجموعه سوم برای محافظت از ترانسفورماتورهای برق نصب می‌شوند [‏ ۷ ]‏. ​

ورسترهای ZnO، سرامیک‌های نیمه رسانای نوع n پلی کریستال هستند که می‌توانند با مخلوط کردن و سینتر کردن ZnO با دیگر مواد افزودنی اکسید جزئی تهیه شوند [‏ ۸، ۹ ]‏. به دلیل ویژگی‌های غیر خطی عالی آن‌ها و قابلیت‌های جذب انرژی موجی، این اجزا به طور گسترده‌ای در سیستم‌های الکتریکی به عنوان دستگاه‌های حفاظت موجی به کار می‌روند [‏ ۱۰، ۱۱ ]‏. سطح عایق‌بندی و حفاظت در سیستم‌های قدرت ولتاژ بالا عمدتا به نسبت ولتاژ باقی مانده برقگیر اکسید فلزی بستگی دارد. بنابراین، کاهش نسبت ولتاژ باقی مانده ورسترهای ZnO می‌تواند به طور موثری الزامات عایق‌بندی و هزینه‌های سیستم‌های قدرت را کاهش دهد. ​

گزارش شده‌است که کاهش دمای زینترینگ و زمان زینترینگ، گرادیان ولتاژ را بهبود می‌بخشد [‏ ۱۲ ]‏. در این مطالعه، ما تحقیق قبلی خود [‏ ۱۳، ۱۴ ]‏ را برای بررسی خواص الکتریکی ورایزرهای ZnO جدید دوپ شده با ایتریوم عنصر خاکی کمیاب و افزودنی‌های ایندیم گسترش دادیم. ما همچنین اثر حفاظتی این واریستر ها را در هنگام پیاده‌سازی در برق‌گیرها مورد بررسی قرار دادیم. ​

۲. آزمایش‌ها و شبیه‌سازی

نمونه‌های چندگانه ورزیستور ZnO مبتنی بر آلایش با ترکیبات زیر تهیه شدند: ۹۴.۰۷۵ mol % ZnO، ۱.۰ mol % Bi۲O۳، ۰.۷۵ mol % MnO۲، ۱.۰ mol % Co۲O۳، ۰.۵ mol % Cr۲O۳، ۱ mol % Sb۲O۳، ۱.۲ mol % SiO۲، ۰.۴۵ mol % Y2O3، و ۰.۰۲۵ mol % در (‏NO)‏۳. ۹ H۲O. مواد اولیه مورد نیاز در نسبت‌های تعیین‌شده با آب دیونیزه در یک آسیای گلوله‌ای سیاره‌ای به مدت ۱۰ ساعت مخلوط شدند. مخلوط حاصل در دمای ۹۰ سانتی‌گراد به مدت ۱۲ ساعت خشک شد و سپس در۴۰۰  کیلوگرم سانتی‌متر مربع به دیسک‌هایی به قطر ۳۰ میلی‌متر و ضخامت ۲ میلی‌متر فشرده شد. دیسک‌ها به پنج گروه تقسیم شدند، همه نمونه‌ها در یک کوره (‏نبرترم LH۶۰ / ۱۴ آلمان)‏تحت هوا با نرخ حرارت ۳ سانتی‌گراد  بر دقیقه تا ۷۰۰ سانتی‌گراد سینتر شدند و سپس با نرخ ۲ سانتی گراد بر دقیقه تا ۱۱۰۰، ۱۱۵۰، ۱۲۰۰، ۱۲۵۰ و ۱۳۰۰ سانتی‌گراد  حرارت داده شدند و به مدت ۲ ساعت سینتر شدند. همان طور که در شکل ۱ نشان‌داده شده‌است، تمامی نمونه‌ها با سرعت سرد شدن ۲ درجه سانتی گراد بر دقیقه خنک شدند. سپس از یک دستگاه آسیاب دیسکی برای آسیاب کردن سطوح نمونه‌های ورستور اکسید روی و استفاده از تمیز کننده اولتراسونیک برای پاک کردن روغن و گرد و غبار بر روی سطوح نمونه‌ها استفاده شد. نمونه‌ها سپس در یک محفظه خشک کردن در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲۴ ساعت قرار داده شدند تا رطوبت جذب‌شده در نمونه‌ها حذف شود. در نهایت، هر دو انتهای نمونه‌ها با خمیر نقره پوشانده شدند تا به عنوان الکترود عمل کنند. ​

سطوح نمونه‌ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (‏SEM، ابزار هپاتیت نوع ۸۰۱۰، ژاپن)‏مورد بررسی قرار گرفت. ما از یک منبع سنج (‏Keithley ۲۴۱۰، USA)‏برای اندازه‌گیری مشخصات چگالی میدان الکتریکی – جریان (‏E – J)‏نمونه‌ها در ناحیه پیش شکست استفاده کردیم. گرادیان ولتاژ (‏E۱میلی‌آمپر)‏در چگالی جریان ۱.۰ میلی‌آمپر سانتی‌متر مربع اندازه‌گیری شد، در حالی که چگالی جریان نشتی JL در E۱میلی‌آمپر ۷۵ / ۰ اندازه‌گیری شد. جریان ضربه‌ای با شکل موج ۸ / ۲۰ ثانیه توسط یک مولد ضربه تولید شد. نسبت ولتاژ باقی مانده K با فرمول زیر محاسبه شده‌است: که در آن ولتاژ تحت چگالی جریان آمپر بر سانتی متر مربع ۶۳.۷ است. ضرایب غیرخطی با معادله زیر محاسبه شده‌اند: که در آن و به ترتیب نشان‌دهنده میدان های الکتریکی در چگالی‌های جریان ۱.۰ و ۰.۱ میلی‌آمپر سانتی‌متر مربع می‌باشند. ​

ویژگی‌های ولتاژ خازن (‏C – V)‏در ۱ کیلو هرتز با یک ابزار دی‌الکتریک پهن باند (‏مفهوم کنترل نوو ۸۰، آلمان)‏مورد آزمایش قرار گرفت. وابستگی ولتاژ اعمالی ظرفیت به صورت زیر تعیین شد: که در آن C ظرفیت در واحد سطح مرز دانه، V ولتاژ اعمالی در مرز دانه، C۰ مقدار C است وقتی V = ۰ V، q بار الکتریکی و s گذردهی دانه‌های ZnO است. تراکم دهنده دانه‌های ZnO (‏Nd)‏و ارتفاع مانع دو شاتکی در مرزه‌ای دانه (‏b)‏هر نمونه را می توان از شیب و تقاطع خط (‏۱ / C ۱ / C۰)‏۲ در مقابل V تعیین کرد. تلفات توان در محدوده فرکانس از ۰.۱ تا ۱۰۶ هرتز تحت ولتاژ AC اعمالی ۱ – V در دمای اتاق نمونه‌های تیمار شده در دماهای مختلف زینترینگ با یک آلفا – A کنترل نویز – تحلیل گر فرکانس با عملکرد بالا (‏GmbH، وینستون سالم، آلمان)‏اندازه‌گیری شد. ​

نرم‌افزار گذرای الکترومغناطیسی EMTDC برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم قدرت استفاده شد. مدل محاسبه شبیه‌سازی و روش طراحی براساس تحقیقات قبلی ما بودند [‏ ۱۴ ]‏. همانطور که مدل محاسبه سیستم انتقال UHV دو مدار ۱۰۰۰ کیلو ولت در Huainan Wannan با ولتاژ مرجع ۱۰۰۰ کیلو ولت و اضافه ولتاژ پایه ۸۹۸ کیلو ولت بود، و شکل ۲ نمودار مدل مدار شبیه‌سازی شده توسط EMTDC سیستم قدرت را نشان می‌دهد. ​

۳. نتایج و بحث

تصاویر SEM نمونه‌های چندگانه ورزیستور ZnO مبتنی بر آلایش که به وسیله فرایندهای مختلف تف جوشی تهیه شده‌اند، در شکل ۳ نشان‌داده شده‌اند. از تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌توان مشاهده کرد که ترکیبات اصلی عبارتند از اسپینل، دانه‌های ZnO و منافذ. دانه‌های ZnO دارای فاز اسپینل و فاز بین‌دانه‌ای بودند. اندازه دانه‌های میانگین (‏d)‏نمونه‌های اندازه‌گیری شده به وسیله روش تقاطع خط [‏ ۱۶ ]‏ در جدول ۱ خلاصه شده‌است. d از ۴.۵ به ۸.۶ متر با افزایش دمای زینترینگ از ۱۱۶۰ به ۱۳۲۰ درجه سانتی گراد افزایش یافت. از یک سو، سرعت رشد دانه‌های اکسید روی در دمای بالاتر سریع‌تر است، از سوی دیگر، زمان رشد موثر دانه‌ها در دمای بالاتر تف جوشی طولانی‌تر است. بنابراین، اندازه دانه اکسید روی با افزایش دمای زینترینگ افزایش می‌یابد. ​

شکل ۴ ویژگی‌های E – J را از ناحیه پیش شکست تا ناحیه چرخش نمونه‌ها برای فرایندهای مختلف تف جوشی نشان می‌دهد. پارامترهای الکتریکی دقیق، مانند گرادیان ولتاژ (‏E۱میلی‌آمپر)‏، جریان نشتی (‏JL)‏، و ضریب غیر خطی بودن (‏)‏نمونه‌های استنتاج شده از ویژگی‌های E – J در جدول ۱ خلاصه شده‌اند. همانطور که مشاهده شد، گرادیان ولتاژ به شدت از ۶۸۳.۷ به ۲۹۳.۰ ولت بر میلی‌متر کاهش یافت به طوری که دمای زینترینگ از ۱۱۶۰ به ۱۳۲۰ درجه سانتیگراد افزایش یافت. علاوه بر این، ضریب غیرخطی روند عکس را نشان داد؛ با افزایش دمای تف جوشی به ۱۲۴۰ درجه سانتی گراد، ضریب غیر خطی بودن از ۳۱.۷ به ۷۴.۵. افزایش می‌یابد. علاوه بر این، کم‌ترین جریان نشتی ۰.۵۸ آمپر بر سانتی متر مربع در دمای تف جوشی ۱۲۴۰ C به دست آمد. ​

شکل ۵ ویژگی‌های C – V را نشان می‌دهد: (۱/C −۱/C0)2 به عنوان تابعی از Ob برای ورسترهای ZnO چندآلایشی آماده‌شده توسط فرایندهای مختلف تف جوشی. Nd دانه‌ها و b مانع دو شاتکی در مرز دانه‌ها از شیب و تقاطع خط ۱/C −۱/C0)2 در مقابل اوگاندا تعیین شدند. مقدار Ni می‌تواند از فرمول زیر محاسبه شود: ϕb= e Ni

۲/۲ Ndε۰ε. پارامترهایی مانند Nd، Ni و b در جدول ۱ خلاصه شده‌اند. مقادیر Nd و Ni نمونه ها با افزایش دمای تف جوشی از ۱۱۶۰ به ۱۳۲۰ درجه سانتی گراد افزایش یافت. در نتیجه، بالاترین ارتفاع سد b معادل ۱٫۹۷ الکترون‌ولت در دمای تف جوشی ۱۲۴۰ درجه سانتی گراد به دست آمد.

برنزه اتلاف دی‌الکتریک اندازه‌گیری شده در محدوده فرکانس از ۰.۱ تا ۱۰۶ هرتز در شکل ۶ نشان‌داده شده‌است. ​

تلفات دی‌الکتریک کم‌تر در فرکانس توان برای عملکرد پیرسازی و پایداری سیستم قدرت مونتاژ شده با برق‌گیرها مفید بود. همانطور که مشاهده شد، در فرکانس‌های پایین، اتلاف دی‌الکتریک با افزایش دمای زینترینگ به دلیل کاهش ارتفاع مانع دو شاتکی کاهش می‌یابد [‏ ۱۷ ]‏، که با نتایج تجربی ویژگی‌های چگالی میدان الکتریکی – جریان (‏E – J)‏و همچنین ویژگی‌های C – V سازگار است. روند مخالف در فرکانس‌های بالا با افزایش دمای زینترینگ در مقایسه با عملکرد در فرکانس‌های پایین مشاهده شد. ​

۴. تجزیه و تحلیل اثرات برنامه

چهار روش مختلف برای محدود کردن اثرات اضافه ولتاژ عملیاتی، یعنی روش A، روش B، روش C1 و روش C3 همانطور که در مطالعه قبلی توضیح داده شد [‏ ۱۴ ]‏. روش A در حال نصب برق‌گیرها در دو ترمینال خط انتقال برق است. و روش B در حال نصب اتصال مقاومت با برق‌گیرها در دو ترمینال خط انتقال برق است. علاوه بر این، روش C۱ یک مجموعه از برق‌گیرها را در وسط خط انتقال براساس روش A مرتب می‌کند و روش C3 به ترتیب سه مجموعه برق‌گیر را در امتداد خط انتقال براساس روش A مرتب می‌کند. ما همچنین سه برق‌گیر مختلف را برای محدود کردن اثرات اضافه ولتاژ عملیاتی مقایسه می‌کنیم. برق‌گیر معمولی (‏OA)‏برق‌گیرها در سیستم ۱۰۰۰ کیلوولت مورد استفاده قرار می‌گیرند، که در ولتاژ مجاز ۳ / ۱ pu کار می‌کند. پسماند باقی مانده کم (‏LRA)‏یک مجموعه از پسماندهای با عملکرد بهینه به‌دست‌آمده از پسماندهای ZnO است که در دمای ۱۲۴۰ سانتی‌گراد زینتر شده و ولتاژ مجاز برابر با ۳ / ۱ pu می‌باشد. نرخ بار الکتریکی بالا برق‌گیر با پسماند کم (‏HLRA)‏یک برق‌گیر با پسماند کم با ولتاژ مجاز کم‌تر از ۱.۲ pu است. منحنی‌های مشخصه ولتاژ – آمپر برقگیر های مختلف در شکل ۷ نشان‌داده شده‌است.​ ​

با توجه به نتایج شبیه‌سازی نرم‌افزار گذرای الکترومغناطیسی EMTDC، ما اثرات متنوع کلیدزنی اضافه ولتاژ و محدودیت استراتژی‌های مختلف محدودکننده که ممکن است در سیستم‌های UHV ظاهر شوند را خلاصه کردیم. سطح ولتاژ اضافی در امتداد خط انتقال در جدول ۲ نشان‌داده شده‌است. از آنجا که مقاومت پایانی نمی‌تواند اضافه ولتاژ زمین تک‌فاز و اضافه ولتاژ پاک‌سازی خطا را محدود کند، اثر محدود کننده روش A مشابه روش B برای اضافه ولتاژ کلیدزنی است. اثر محدود قطع برق معمولی که با مقاومت پایانی (‏روش B – OA)‏هم‌کاری می‌کند، سطح اضافه ولتاژ فعلی خط انتقال UHV را تعریف می‌کند. علاوه بر این، مشاهده کردیم که سطوح مختلف اضافه ولتاژ کلیدزنی، هنگامی که با برق‌گیر باقی مانده کم یا برق‌گیر باقی مانده کم با نرخ بار الکتریکی بالا نصب می‌شوند، درجه بالایی از کاهش را دارند. برای روش C۱، زمانی که LRA و HLRA برای جایگزینی OA استفاده می‌شوند، اضافه ولتاژهای کلیدزنی مختلف می‌توانند به ترتیب ۸ % % ۲۰ و ۱۰ % % ۲۰ کاهش یابند. علاوه بر این، برای روش C3، اضافه ولتاژهای کلیدزنی مختلف را می توان با استفاده از LRA و HLRA به ترتیب به میزان ۱۸ % % ۲۹ و ۲۰ % % ۳۱ کاهش داد. ​

سطح اضافه ولتاژ در ایستگاه فرعی در جدول ۳ نشان‌داده شده‌است. همانطور که مشاهده شد، LRA یا HLRA مزایایی برای محدود کردن اضافه ولتاژ کلیدزنی در ایستگاه فرعی در مقایسه با خط انتقال دارند. زمانی که از LRA و HLRA استفاده می‌کنیم، اضافه ولتاژ کلیدزنی در ایستگاه فرعی می‌تواند به ترتیب به سطوح تقریبی ۱.۲۲ و ۱.۱۷ کاهش یابد، که برای تجهیزات ایستگاه فرعی مفید است. مشابه سطح ولتاژ اضافی در امتداد خط انتقال، روش‌های C1 یا C3 می‌توانند به بهترین اثر حفاظتی دست یابند. بنابراین، نصب سه مجموعه LRA با ولتاژ اسمی ۳ / ۱ pu در امتداد خط انتقال الکتریکی تمام انواع اضافه ولتاژ کلیدزنی را تا ۶ % % ۳۳ کاهش می‌دهد، که بهبود قابل‌توجهی در مقایسه با سطح اضافه ولتاژ اصلی سیستم UHV است. این نتیجه می‌تواند به طور قابل‌توجهی اضافه ولتاژ کلیدزنی را سرکوب کند، به خصوص در مورد مقاومت‌های بسته که قادر به محدود کردن اضافه ولتاژ یک زمین تک‌فاز و پاک‌سازی خطا نیستند. ​

۵. نتیجه‌گیری

در پژوهش حاضر، ما اثرات فرایندهای زینترینگ بر خصوصیات میکرو و خواص الکتریکی ایتریوم عنصر نادر خاکی و سرامیک‌های ZnO varistor مبتنی بر آلاینده ایندیم را مورد مطالعه قرار دادیم. Nd و Ni با افزایش دمای زینترینگ افزایش یافتند و بالاترین ارتفاع مانع ۱. ۹۷ الکترون‌ولت در دمای زینترینگ ۱۲۴۰ درجه سانتیگراد به دست آمد. با افزایش دمای تف جوشی از ۱۱۶۰ به ۱۲۴۰ درجه سانتیگراد، نسبت ولتاژ باقی مانده از ۱.۶۹ به ۱.۵۵ کاهش یافت. نمونه‌های ورتور که در دمای ۱۲۴۰ درجه سانتیگراد سینتر شدند، عملکرد تمام دور عالی نشان دادند، ضریب غیر خطی ۷۴.۵، جریان نشتی ۰.۵۸ آمپر بر سانتی متر مربع، اندازه دانه ۶.۵ میکرومتر، ولتاژ باقی مانده ۱ میلی‌آمپر ۵۲۰.۰ ولت بر میلی‌متر، و نسبت ولتاژ باقی مانده ۱.۵۵ با چگالی ۶۳.۷ آمپر بر سانتی متر مربع تحت شکل موج جریان ۸ / ۲۰ میکروثانیه را نشان دادند. با استفاده از ورایزرهای ZnO بهینه به‌دست‌آمده برای محدود کردن اضافه ولتاژ کلیدزنی در مقایسه با برقگیر معمولی مزایای قابل‌توجهی دارد. هنگامی که یک استراتژی محدودکننده بهینه استفاده می‌شود، سطح اضافه ولتاژ در امتداد خط انتقال و در ایستگاه فرعی می‌تواند به ترتیب ۳۱.۱۴ % و ۳۳.۵۳ % کاهش یابد. این عملکرد بهینه، پتانسیل زیادی را برای بهبود اثرات حفاظتی برق‌گیرها مونتاژ شده با توربین‌های ZnO و پایداری سیستم‌های قدرت و همچنین تحقق هدف فرونشاندن صاعقه و اضافه ولتاژهای کلیدزنی نشان می‌دهد. در نتیجه، نیاز به عایق‌بندی و همچنین هزینه دستگاه قدرت کاهش خواهد یافت، و ایمنی سیستم‌های قدرت به طور قابل‌توجهی با مزایای اقتصادی غیرقابل اندازه‌گیری بهبود خواهد یافت.

​