项目编号I01-2019-J019
项目名称深度限制超特高压电网过电压的压敏陶瓷材料基础理论与关键技术
候选单位清华大学
西安西电避雷器有限责任公司
国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司
候选人何金良 胡 军 谢清云 曾 嵘 谷山强 孟鹏飞 张 波 余占清 赵洪峰 龙望成 胡小定 刘 俊 李 刚
项目简介    以ZnO压敏陶瓷为核心的避雷器是电网过电压保护关键设备,是电网安全运行卫士。在电压等级提高、容量剧增的新形势下,为深度限制超特高压电网过电压,避雷器压敏电阻亟待突破以下瓶颈:一是对微观机理认知缺乏,无法为其性能提升提供理论支撑;二是压敏电阻梯度低、残压高、通流容量小,导致吸能装置体积巨大、均流困难,阀片炸裂等事故时有发生,且无法深度限制系统过电压,增加电网建设难度和费用;三是对压敏电阻老化机理缺乏统一共识,导致无法有的放矢来调控其老化性能。项目组经过20年系统性研究,产学研用联合攻关,突破了高性能压敏陶瓷材料基础理论与关键技术难题,取得如下技术创新成果: 1、提出了微观拓扑结构与双肖特基势垒导通机理、晶界稳态及瞬态参数相结合的压敏电阻微观电、热、力多场耦合特性仿真分析模型,建立了基于内在微结构特性参数与宏观电气性能关联仿真分析的压敏陶瓷设计方法。 2、发明了采用稀土多元掺杂抑制晶粒尺寸及增加晶界势垒高度、采用Al/Ga元素多元共生固溶降低晶粒阻抗、分步多元掺杂抑制晶界漏流、Fe离子掺杂改性侧面高阻层等协同调控技术,显著提升压敏电阻梯度与通流容量、降低残压比。 3、揭示了压敏电阻微观晶界老化机理及晶界老化迁移离子,发明优化晶界老化特性及其一致性的老化荷电率调控技术,采用银离子掺杂和热处理结合,显著提升压敏电阻阀片老化性能。。 项目研制出95%荷电率下老化性能稳定的高梯度、低残压电阻阀片,梯度最高达444V/mm、能量吸收能力超过350J/cm3、残压比降低15%、泄漏电流低于1μA/cm2,预期老化寿命达110年。成果在三家企业实现产业化,累计生产阀片640余万片,装配不同电压等级交直流高压避雷器9.6万台、中压避雷器50万台、直流断路器吸能装置数十台。产品应用于美国等6大洲46国及我国近千项输变电工程,总体运行良好,为交直流超特高压等各级电网提供了可靠保护。项目单位近3年新增销售额8.9亿元,经济和社会效益巨大。 主导编写国际导则、国家标准、行业标准各1部;授权发明专利19项、实用新型5项,在审发明专利34项;获软件著作权9项;出版中英文专著3部,论文125篇,其中SCI收录68篇、EI收录107篇,被引1953次,国际会议特邀报告5次。成员获7项国内外个人荣誉及6项国际奖,举办相关国际会议3次;成果获世界知识产权组织最佳发明奖等3项国内外发明奖。 中国电机工程学会鉴定认为,该项目在基础理论、设计方法及调控关键技术等方面取得系统性创新,达到国际领先水平。

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