CC BY
22
Научная статья УДК 621.315
DOI: 10.14529/power230204
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И МИКРОСТРУКТУРЫ ВАРИСТОРОВ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
A.В. Коржов1, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8504-9668
B.И. Сафонов1, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6452-9286 М.А. Дзюба1, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3270-6190
Р.М. о. Бабаев1, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0931-4543 Я.Е. Коростелев12, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0584-4643 Д.А. Жеребцов1, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3368-9858
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия 2 АО «Энеръгия + 21», п. Увельский, Челябинская обл., Россия
Аннотация. Статья посвящена изучению зависимости между электрическими характеристиками и микроструктурой варистора. Экспериментально были определены вольт-амперные характеристики варисторов десяти производителей, представленных на территории РФ. Для сравнения параметров образцов рассмотрены зависимости «напряженность электрического поля - проводимость» (E-a), определены коэффициенты нелинейности. Исследована микроструктура металлооксидных варисторов и их химический состав. В результате статистической обработки данных сделан вывод, что размер зерна ZnO значимо влияет на напряженность поля в начале зоны проводимости. Полученные результаты предназначены для выбора варистора по способности рассеяния мощности импульсного воздействия.
Ключевые слова: перенапряжение, коммутационное перенапряжение, распределительная сеть, изоляция, ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН), металлооксидные варисторы, оксид цинка, вольт-амперная характеристика, кабельная линия
Благодарности. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10201, https://rscf.ru/project/23-29-10201/.
Для цитирования: Исследование электрических характеристик и микроструктуры варисторов для ограничения перенапряжений в кабельных сетях / А.В. Коржов, В.И. Сафонов, М.А. Дзюба и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2023. Т. 23, № 2. С. 46-54. DOI: 10.14529/power230204
Original article
DOI: 10.14529/power230204
INVESTIGATION OF THE ELECTRICAL CHARACTERISTICS AND MICROSTRUCTURE OF VARISTORS TO LIMIT OVERVOLTAGES IN CABLE NETWORKS
A.V. Korzhov1, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8504-9668
V.I. Safonov1, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6452-9286
M.A. Dzyuba1, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3270-6190
R.M. o. Babayev1, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0931-4543
I.E. Korostelev12, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0584-4643
D.A. Zherebtcov1, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3368-9858
South Ural State University, Chelyabinsk, Russia 2 "Energy + 21" JSC, Uvelskiy village, Chelyabinsk region, Russia
Abstract. The article is devoted to the study of the relationship between the electrical characteristics and the microstructure of the varistor. The C-V characteristics of varistors from 10 manufacturers represented in Russian Federation were experimentally determined. To compare the parameters of the samples, the dependences "electric field - conductivity" (E-a) were built out, the coefficients of nonlinearity and were determined. The microstructure of metal oxide varistors and their chemical composition were studied. As a result of statistical processing of the data, it was concluded
© Коржов A.B., Сафонов В.И., Дзюба M.A., Бабаев P.M. о., Коростелев Я.Е., Жеребцов Д.А., 2023
that the ZnO grain size significantly affects the field strength at the beginning of the conduction band. The results obtained are intended for the selection of a varistor according to the ability to dissipate the power of an impulse action.
Keywords: overvoltage, switching overvoltage, distribution system, insulation, surge arresters, metal oxide varistors, zinc oxide (ZnO), C-V characteristic, cable line
Acknowledgments. The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-29-10201, https://rscf.ru/project/23-29-10201/.
For citation: Korzhov A.V., Safonov V.I., Dzyuba M.A., Babayev R.M. o., Korostelev I.E., Zherebtcov D.A. Investigation of the electrical characteristics and microstructure of varistors to limit overvoltages in cable networks. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023;23(2):46-54. (In Russ.) DOI: 10.14529/power230204
Введение
Перенапряжения неизбежны в системах электроснабжения. Данные явления могут быть вызваны как ударами молний, так и переключениями в сети [1-3], приводящими к возникновению в ней коммутационных перенапряжений. По причине износа электрооборудования воздействие подобных явлений, например, на изоляцию кабелей приводит к частому пробою с последующим возникновением межфазных коротких замыканий, однофазных замыканий на землю и бросков напряжения, приводящих к повреждению не только кабельной линии, в которой произошло первоначальное техническое нарушение, но и выходу из строя смежных участков сети. Таким образом, основной практической задачей современных исследований в данной области является уменьшение степени влияния перенапряжений на изоляцию электрооборудования посредством их ограничения.
На текущий момент одними из наиболее эффективных устройств по снижению уровней перенапряжений являются ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) [1-4], которые подключаются параллельно защищаемому оборудованию [1, 3]. ОПН выполнен на основе металлооксидных варисторов, которые изготавливаются из оксида цинка и дополнительных оксидов, благодаря чему ОПН обладает резко нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) [1-3]. ВАХ подобных устройств состоит из трех областей - зоны малых токов (токов утечки), зоны нелинейности и отрезка высоких токов, что и обеспечивает защитное действие ОПН [1, 4-9].
Стандартный варистор изготавливается методом спекания 2п0 с другими оксидами [5]. Микроструктура варисторов определяется конкретной формулой, используемой производителем. При изготовлении подобных нелинейных устройств в состав добавляются легирующие элементы в количестве нескольких процентов. На данный момент известно о возможном использовании более 30 оксидов различных элементов, которые добавляются для контроля одного или нескольких параметров [5, 9]. Чаще всего эти оксиды используются в комбинации, что позволяет добиться лучших характеристик конечного продукта. Условно их можно разделить на несколько групп: основопо-
лагающие, без которых невозможно производство; увеличивающие проводимость, нелинейность, энергопоглащение и способствующие образованию потенциального барьера; уменьшающие токи утечки; улучшающие стабильность варисторов, стойкость к старению и деградации; оказывающие влияние на рост и уплотнение зерен (однородность) и т. д.
Широкое распространение получили варисто-ры с использованием оксида цинка, легированные оксидами висмута и сурьмы (т. е. варисторы на основе тройной системы ZBS) [4, 5, 9-12]. Микроструктура варистора в основном состоит из высоко-проводящих зерен п-типа ZnO [4-14]. Размеры зерен ZnO обычно варьируются в диапазоне 5-20 дм и зависят от состава и условий технологического процесса (температура и длительность спекания) [5, 7]. В местах стыка зерен ZnO присутствуют фазы, богатые висмутом. Подобная непрерывная сеть переходов через всю микроструктуру вари-стора обеспечивает нелинейную ВАХ [5-8, 12]. По принципу действия каждый подобный переход напоминает принцип работы двойного барьера Шоттки со средним напряжением пробоя 2,7-3,5 В на один барьер. Для варистора напряжение пробоя определяется суммарным количеством границ зерен между металлизированными электродами, следовательно, и их размерами ZnO [5].
Основным недостатком современных вари-сторов является их тенденция к старению и деградации, что приводит к увеличению токов утечки и асимметрии ВАХ [6]. Здесь и далее под деградацией понимается процесс ухудшения характеристик варисторов, связанный с разрядными процессами, а под старением - ухудшение стабильности рассеиваемой мощности вследствие длительного воздействия напряжения тока промышленной частоты. Подобный износ в основном определяется [5, 6]: превышением длительно допустимого рабочего напряжения, скачками напряжения, продолжительными перенапряжениями (в т. ч. квазистационарными перенапряжениями), повышенными значениями температуры, внешними факторами (влажность, давление, влияние озона и оксидов азота).
Таким образом, текущие исследования в области изготовления варисторов направлены на усовершенствование технологии производства
вариаторов (изучение процессов деградации структуры, уменьшение токов утечки, увеличение однородности микроструктуры и исключение пор), определение факторов, влияющих на проводимость, и роли легирующих элементов в процессе изготовления. В ряде источников, например, в [7, 13, 15] приводятся результаты исследований зависимости состояния ОПН от микроструктуры варисторов, однако они не дают ответа на вопрос, какая формула и технология изготовления вари-сторов может быть оптимальной для той или иной задачи применения ОПН. Кроме того, сам характер воздействия на варистор неотрывно связан с типом ОПН (NGLA, EGLA), видом тока (постоянный, переменный), условиями эксплуатации [5, 6, 11], что, в конечном итоге, определяет воздействие на микроструктуру варистора и ее поведение в тех или иных условиях.
Целью настоящей работы является исследование связи между электрическими характеристиками варистора и его микроструктурой и химическим составом.
Экспериментальное получение
характеристик «^-с»
Используя прямые измерения, были получены экспериментальные ВАХ варисторов. Электрические испытания проводились с использованием установки для измерения классификационного напряжения и токов утечки СУЪ-15/20, а также генератора импульсных токов FB-8/20&30/60.
Снятие зависимости тока от приложенного напряжения в зоне токов утечки производилось с помощью определения падения напряжения на шунте. Методом осциллографирования получена зависимость I (и). Испытательное напряжение иисп подавалось на варистор при помощи трансформатора напряжения, последовательно с которым включался резистор со значением сопротивления 1 кОм. Величина испытательного напряжения определялась через измерительный трансформатор с коэффициентом деления К = 1000 на первом канале осциллографа; падение напряжения Пш на резисторе получено напрямую со второго канала. Значение тока определялось при условии соблюдения следующих равенств:
\иисп (*) = тах;
|иш/яш = I,
где Писп - амплитуда испытательного напряжения; Пш - падение напряжения на резисторе; Дш - сопротивление резистора.
Зависимость напряжения от протекающего тока проводилась методом воздействия импульсных токов и измерения остающегося напряжения на варисторе. ВАХ образцов определялась в следующих поддиапазонах:
(1)
U -1 =
I(и), (0,2 < искв < 3,4)-л/2; П (130/60 ), (0,25 < I < 2)-103; (2) и2 (^/20 ), (2,5 < I < 20)-103, где искв - среднее квадратическое значение приложенного напряжения переменного тока; и1 (!30/60) -остающееся напряжение при воздействии тока импульса 30/60 амплитудой I; П2 (!8/20) - остающееся напряжение при воздействии тока импульса 8/20 амплитудой I.
Определение остающегося напряжения Пост производилось при воздействии на образцы импульсов тока 30/60 и 8/20 амплитудами 0,125-1 кА и 2,5-0 кА соответственно. Испытательный токовый импульс формировался при помощи емкостного накопителя (параллельно включенные высоковольтные импульсные конденсаторы суммарной емкостью 14 мкФ). Используя трансформатор тока и последовательно включенный диодный мост, было создано зарядное напряжение постоянного тока, величина которого подбиралась с целью формирования токового импульса необходимой амплитуды. Значение зарядного напряжения измерялось при помощи резистивного делителя. Форма требуемого импульса определялась разрядной ¿-Д-цепью. Измерение тока производилось импульсным трансформатором тока, величина остающегося напряжения - резистивным делителем напряжения. За фактические значения тока и напряжения принимались соответственно амплитуды импульсов тока и остающегося напряжения.
Поскольку образцы варисторов обладают разными геометрическими размерами, что оказывает влияние на ВАХ, то для сравнения характеристик, оценки свойств материала варисторов и получения значений нелинейной проводимости произведен пересчет экспериментальных данных для перехода к зависимости удельной проводимости варистора от напряженности электрического поля ст(Е) согласно следующим формулам:
Л -иисп
E = -
h
(3)
где иисп - испытательное напряжение; h - высота варистора;
ст
( E ) =
I
S • E
(4)
где I - ток проводимости; £ - площадь поперечного сечения; Е - напряженность электрического поля.
Зависимости ст(Е) для образцов представлены на рис. 1.
Исходя из рис. 1, можно сделать вывод, что на текущий момент технологии производства вари-
Рис. 1. Зависимость проводимости варистора от напряженности электрического поля Fig. 1. Varistors "E-a" characteristic
сторов достаточно стабильны. Это следует из того, что для образцов от одного и того же производителя полученные зависимости практически совпали.
Валидация экспериментальных данных производилась путем моделирования варистора методом конечных элементов. При моделировании была определена геометрия варистора, аналогичная ранее испытанному образцу; проводимость ст(Е)
была задана в виде кусочной функции согласно экспериментальным данным. Результат моделирования показал сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Состав и микроструктуры образцов
Параметры металлооксидных варисторов связаны с их морфологией, которая характеризуется: средним размером зерен и пор, границами, вторичными фазами вдоль границ и т. д. С целью выявления зависимости между размерами зерен ZnO и электрическими характеристиками в работе были проанализированы 10 варисторов, по 2 образца каждого от различных производителей ОПН,
представленных на рынке Российской Федерации. Геометрические размеры варисторов приведены в табл. 1. Микроскопия производилась при помощи растрового электронного микроскопа Jeol JSM-2100 в режиме отраженных электронов (рис. 2).
Химический состав образцов был определен с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра Oxford INCA X-max 80 (табл. 2). В составе варисторов были обнаружены типичные легирующие элементы, которые приводятся в литературе [4-11]. Анализ морфологии представлен на рис. 3 в виде количества зерен на изображении (см. рис. 2), их среднего размера d и среднего квадратического отклонения с от среднего размера зерен (см. рис. 3). Размеры зерен образцов находятся в диапазоне от 8-15 дм. При этом некоторые варисторы состоят из крупных зерен ZnO (№ 4, 8 и 9). Согласно [8, 10, 14], наличие больших зерен приводит к ухудшению характеристик варистор, что объясняется уменьшением количества барьеров и путей протекания тока, приводящих к локальному нагреву и ускоренному износу.
Таблица 1 Table 1
Геометрические размеры варисторов Geometrical dimensions of varistors
Образец 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D, мм 42,0 32,0 34,0 40,5 45,8 44,8 61,5 59,0 59,5 60,5
h, мм 22,0 20,5 32,5 22,6 4,2 18,0 21,5 26,0 44,4 23,7
Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3 Образец № 4
Образец № 5 Образец № 6 Образец № 7 Образец № 8
Образец № 9 Образец № 10
Рис. 2. Морфология металлооксидных варисторов (размер снимка 45 х 60 рм) Fig. 2. Morphology of metal oxide varistors (image size 45 .< 60 pm)
Таблица 2
Химический состав варисторов, масс. %
Table 2
Chemical composition of varistors, mass. %
Образец ZnO Bi2O3 Sb2Os СГ2О3 MnO2 CoO NiO CuO AI2O3 Ga2O3 ZrO2 SiO2
1 83,5 6,15 3,73 0,56 0,65 1,805 0,47 0,5 0,13 0,15 0,36 2,1
2 87,91 5,22 2,62 0,66 0,41 1,45 0,04 0,2 0,08 0,08 0,27 1,16
3 85,08 7,6 4,02 0,15 0,71 1,35 0,46 0,02 0,09 0,12 0,24 0,26
4 90,86 3,84 2,55 0 0,41 0,89 0,71 0,29 0,08 0,15 0,24 0,04
5 81,81 7,6 3,84 0,95 0,52 1,92 0,013 0,73 0,06 0,17 0,22 2,27
6 76,74 13,75 4,88 0,69 0,65 2,07 0,026 0,6 0,12 0,16 0,14 0,3
7 83,96 7,13 4,91 0 0,82 0,93 1,26 0,5 0,13 0,15 0,26 0,11
8 84,46 9,96 2,59 0,42 0,41 1,16 0,013 0,025 0,08 0,09 0,2 0,24
9 72,26 16,83 5,57 1,23 0,63 0,9 1,17 0,21 0,12 0,17 0,3 0,71
10 85,16 6,06 4,64 0,53 0,62 2,06 0,026 0,16 0,09 0,17 0,26 0,32
Рис. 3. Характеристики морфологии зерен ZnO: количество на снимке, средний размер d и среднее квадратическое отклонение размера а Fig. 3. ZnO grain size: quantity in the image, average size d and standard deviation а
Обработка и анализ результатов
Одним из важнейших параметров варисторов является коэффициент нелинейности а, который позволяет описать область и степень нелинейности ВАХ. Данный коэффициент обеспечивается благодаря большому количеству переходов Шоттки и определяется по нижеприведенному выражению [5, 6, 8-11]
log | 1
1 I U 2 log 2
U
(5)
где 11, 12 - принятые занижения токов в зоне нелинейности ВАХ варистора; и1, и2 - напряжения, соответствующие принятым токам.
С практической точки зрения защитная функция ОПН определяется именно коэффициентом нелинейности. Ограничитель должен выдерживать большие значения приложенного напряжения при малых токах утечки при работе в зоне ВАХ токов утечки (ст < 1бТб См/м) и обеспечивать малое значение остающегося напряжения при больших токах пропускной способности в зоне ВАХ разрядных токов (ст > 1е-1 См/м).
Измерение полноценной ВАХ на практике производится редко. Оценить нелинейность ВАХ можно путем использования коэффициента остающегося напряжения согласно следующей формуле
K =
V
Vim
(6)
где Vn - напряжение при разрядном токе, V1mA -
напряжение при токе амплитудой 1 мА.
С учетом (2) данную формулу можно переписать как
K =-
U
I8/20 =10кА U,
(7)
' I =1мА
Результаты расчета приведены в табл. 3.
Использование данного коэффициента удобно в первую очередь тем, что значения и1=1тА (классификационное напряжение [16]) и и 0=10кА
являются как паспортными значениями ограничителя, так и параметрами, по которым производится подбор ограничителя и его координация с защищаемой изоляцией. Таким образом, по данным табл. 3 можно сделать вывод, что снижение коэффициента нелинейности приводит к увеличению коэффициента остающегося напряжения.
Анализ экспериментальных данных (см. табл. 2) позволяет сделать вывод, что между массовой долей ZnO и суммой массовых долей основных добавок В^03 и Sb2Oз наблюдается корреляционная связь с коэффициентом корреляции R = 0,967. Ввиду большого разброса содержаний различных легирующих оксидов, массовая доля ZnO является общим параметром состава всех многокомпонентных образцов, по которому их удобно сравнивать.
Взаимосвязь массовой доли ZnO и размера зерна показана на рис. 4а (точки). Варисторы были разделены по двум факторам: размер зерна (менее 12 и более 12) и массовая доля оксида цинка (менее 80 % и более 80 %) и проведен двухфак-торный анализ. В результате можно заключить,
Коэффициенты а и K для образцов Coefficient а and K for the samples
Таблица 3 Table 3
Образец 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a, % 67 36 42 39 32 36 49 46 47 52
K 1,62 1,91 1,9 1,92 1,99 - 1,62 1,78 1,71 1,62
и
d, ^m a)
>
pq
b)
d, ^m
8 10 12 14 16
d, ^m c)
Рис. 4. Зависимость массовой доли ZnO (a), напряженности поля на границе зоны проводимости (b) и коэффициента нелинейности (с) от размера зерна для эксперимента (точки) и аппроксимационных функций (линии) Fig. 4. Dependence of the mass fraction of ZnO (a), the electric field at the boundary of the conduction band (b) and the nonlinearity coefficient (c) on the grain size for the experiment (points) and approximation functions (lines)
a =
что размер зерна значимо влияет на напряженность поля (с уровнем значимости 0,1), а изменение массовой доли - фактор незначимый. Для коэффициентов нелинейности оба фактора незначимы (с уровнем значимости 0,1). С увеличением доли 2п0 в среднем увеличивается и размер зерна. Таким образом, размер зерна также удобно рассматривать как критерий рабочих характеристик образца.
Основными электрическими параметрами, характеризующими варистор, являются напряженность поля в начале зоны проводимости и коэффициент нелинейности. Из зависимости напряженности поля на границе зоны проводимости от размера зерна (рис. 4Ь) видно, что общая тенденция заключается в уменьшении напряженности с увеличением размеров зерна. Без образца 2 коэффициент корреляции для такой зависимости Я = 0,811. В целом нельзя выявить явной зависимости между коэффициентом нелинейности и размером зерна (рис. 4с), что подтверждается коэффициентом корреляции Я = 0,211 и согласуется со сделанным ранее выводом двухфакторного анализа.
Заключение
Полученные данные позволяют производить расчет и подбор варисторов для ОПН с учетом их защитной функции и координации с изоляцией. Определенная взаимосвязь между размером зерен 2пО и ВАХ позволяет дать оценку свойств и электрических характеристик варистора без применения непосредственных измерений в случае, когда данные измерения произвести невозможно (разрушен-
ные образцы, анализ аварийных ситуаций и т. д.).
Были проведены испытания и подтверждены характеристики варисторов в соответствии с требованиями п. 8.4 [16]. На основании полученных коэффициентов можно оценить возможность применения варисторов того или иного производителя для разработки и изготовления защитных аппаратов согласно предъявляемым к аппарату требованиям [17, 18]. Использованный в исследовании метод можно применять для анализа и получения коэффициентов для импульсов другой формы и силы тока (импульсы коммутационных перенапряжений и т. д.).
Измерение классификационного напряжения и ВАХ в зоне токов утечки для полностью собранного ОПН, несмотря на трудозатраты, является относительно простой задачей, в отличие от измерения остающегося напряжения. Оценку защитных свойств ОПН в сборе можно косвенно производить, используя коэффициент нелинейности. Помимо этого, полученные результаты можно использовать при разработке и корректировке рецептов как имеющихся, так и вновь разрабатываемых металлооксидных варисторов.
Конечной целью исследований являются подбор металлооксидных варисторов для установки в кабельных сетях. Полученные ВАХ будут использованы для выбора варистора по способности рассеяния мощности импульсного воздействия, оптимизации конструкции и технологии производства ОПН, удовлетворяющих максимальным токам и длительности импульса, возникающих в сетях 6 (10)-20 кВ.
Список литературы
1. Дмитриев М.В. Кабельные линии высокого напряжения. СПб.: Политех-пресс, 2021. 688 с.
2. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: учеб. для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.
3. Перенапряжение в сетях 6-35 кВ / Ф.А. Гиндуллин, В.Г. Гольдштейн, А.А. Дульзон, Ф.Х. Халилов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с.
4. Microstructure Engineering to Drastically Reduce the Leakage Currents of High Voltage ZnO Varistor Ceramics / M. Peiteado, Y. Reyes, A.M. Cruz et al. // Journal of the American Ceramic Society. 2012. Vol. 95, no. 10. P. 3043-3049. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2012.05318.x
5. He J. Metal Oxide Varistors. From Microstructure to Macro-Characteristics. Beijing: Wiley-VCH. Tsinghua University, 2019. 472 p.
6. The effect of aluminium additive on the electrical properties of ZnO varistors / A. Gubanski, W. Mielcarek, K. Prociow et al. // Materials Science-Poland. 2009. Vol. 27, no. 4/2. P. 1207-1218.
7. Hingorani S., Shah D.O., Multani M.S. Effect of process variables on the grain growth and microstructure of ZnO-Bi2O3 varistors and their nanosize ZnO precursors // Journal of Materials Research. 1995. Vol. 10. P. 461-467. DOI: 10.1557/JMR.1995.0461
8. Advances in Ceramics - Electric and Magnetic Ceramics, Bioceramics, Ceramics and Environment / C. Sikalidis (Ed.). Rijeka: InTech, 2011. 566 p.
9. Daneu N., Bernik S., Recnik A. Inversion boundary induced grain growth in ZnO ceramics: from atomic-scale investigations to microstructural engineering // Journal of Physics: Conference Series. 2011. Vol. 326, no. 1. P. 012003. DOI: 10.1088/1742-6596/326/1/012003
10. Microstructure control to reduce leakage current of medium and high voltage ceramic varistors based on doped ZnO / A. Izoulet, S. Guillemet-Fritsch, C. Estournes, J. Morel // Journal of the European Ceramic Society. 2014. Vol. 34, no. 15. P. 3707-3714. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.05.033
11. Peiteado M., Fernandez J.F., Caballero A.C. Varistors based in the ZnO-Bi2O3 system: Microstructure control and properties // Journal of the European Ceramic Society. 2007. Vol. 27. P. 3867-3872.
12. Bai S.-N., Tseng T.-Y. The effect of grain boundaries on the electrical properties of zinc oxide-based varistor // Journal of Electronic Materials. 1992. Vol. 21, no. 11. P. 1073-1079.
13. Research of ZnO Arrester Deterioration Mechanism Based on Electrical Performance and Micro Material Test / Q. Zhang, S. Wang, X. Dong et al. // Electronics. 2021. Vol. 10. P. 2624. DOI: 10.3390/electronics10212624
14. Giraudet F. Line surge arresters: applications, designs, trends, monitoring and recommendations // Conference: Earthing Africa 2017. 2017. P. 13.
15. Progress on rare-earth doped ZnO-based varistor materials / J. Jiang, Z. Peng, Y. Zang, X. Fu // Journal of Advanced Ceramics. 2013. Vol. 2, no. 3. P. 201-212. DOI: 10.1007/s40145-013-0071-z
16. ГОСТ Р 52725-2021. Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия. М.: Рос. ин-т стандартизации, 2022. 48 с.
17. СТО 56947007-29.120.50.076-2011. Типовые технические требования к ограничителям перенапряжения классов напряжения 6-750 кВ. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2011. 64 с.
18. СТО 56947007-29.130.10.197-2015. Методические указания по применению ОПН на ВЛ 6-750 кВ. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2015. 138 с.
References
1. Dmitriev M.V. Kabel'nye linii vysokogo napryazheniya [High voltage cable lines]. St. Petersburg: Politekh-press; 2021. 688 p. (In Russ.)
2. Bazutkin V.V., Larionov V.P., Pintal' Yu.S. Tekhnika vysokikh napryazheniy: Izolyatsiya i perenapryazhe-niya v elektricheskikh sistemakh: ucheb. dlya vuzov [High voltage technique: Isolation and overvoltage in electrical systems. Textbook for universities]. Leningrad: Energoatomizdat; 1986. 464 p. (In Russ.)
3. Gindullin F.A., Gol'dshteyn V.G., Dul'zon A.A., Khalilov F.Kh. Perenapryazhenie v setyakh 6-35 kV [Overvoltage in 6-35 kV networks]. Moscow: Energoatomizdat; 1989. 192 p. (In Russ.)
4. Peiteado M., Reyes Y., Cruz A.M. et al. Microstructure Engineering to Drastically Reduce the Leakage Currents of High Voltage ZnO Varistor Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2012;95(10):3043-3049. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2012.05318.x
5. He J. Metal Oxide Varistors. From Microstructure to Macro-Characteristics. Beijing: Wiley-VCH. Tsing-hua University; 2019. 472 p.
6. Gubanski A., Mielcarek W., Prociow K. et al. The effect of aluminium additive on the electrical properties of ZnO varistors. Materials Science-Poland. 2009;27(4/2):1207-1218.
7. Hingorani S., Shah D.O., Multani M.S. Effect of process variables on the grain growth and microstructure of ZnO-Bi2O3 varistors and their nanosize ZnO precursors. Journal of Materials Research. 1995;10:461-467. DOI: 10.1557/JMR.1995.0461
8. Sikalidis C. (Ed.). Advances in Ceramics - Electric and Magnetic Ceramics, Bioceramics, Ceramics and Environment. Rijeka: InTech; 2011. 566 p.
9. Daneu N., Bernik S., Recnik A. Inversion boundary induced grain growth in ZnO ceramics: from atomic-scale investigations to microstructural engineering. Journal of Physics: Conference Series. 2011;326(1):012003. DOI: 10.1088/1742-6596/326/1/012003
10. Izoulet A., Guillemet-Fritsch S., Estournes C., Morel J. Microstructure control to reduce leakage current of medium and high voltage ceramic varistors based on doped ZnO. Journal of the European Ceramic Society. 2014;34(15):3707-3714. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.05.033
11. Peiteado M., Fernandez J.F., Caballero A.C. Varistors based in the ZnO-Bi2O3 system: Microstructure control and properties. Journal of the European Ceramic Society. 2007;27:3867-3872.
12. Bai S.-N., Tseng T.-Y. The effect of grain boundaries on the electrical properties of zinc oxide-based varistor. Journal of Electronic Materials. 1992;21(11):1073-1079.
13. Zhang Q., Wang S., Dong X., Liu M., Ou Q., Lv F. Research of ZnO Arrester Deterioration Mechanism Based on Electrical Performance and Micro Material Test. Electronics. 2021;10:2624. DOI: 10.3390/electronics 10212624
14. Giraudet F. Line surge arresters: applications, designs, trends, monitoring and recommendations. In: Conference: Earthing Africa 2017. 2017. P. 13.
15. Jiang J., Peng Z., Zang Y., Fu X. Progress on rare-earth doped ZnO-based varistor materials. Journal of Advanced Ceramics. 2013;2(3):201-212. DOI: 10.1007/s40145-013-0071-z
16. GOST R 52725-2021. Ogranichiteli perenapryazheniy nelineynye dlya elektroustanovok peremennogo toka napryazheniem ot 3 do 750 kV. Obshchie tekhnicheskie usloviya [State Standard R 52725-2021. Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c electrical installations from 3 to 750 kV. General specifications]. Moscow: Russian Institute of Standardization; 2022. 48 p. (In Russ.)
17. STO 56947007-29.120.50.076-2011. Tipovye tekhnicheskie trebovaniya k ogranichitelyam perenapryazheniya klassov napryazheniya 6-750 kV [STO 56947007-29.120.50.076-2011. Typical technical requirements for surge arresters of voltage classes 6-750 kV]. Moscow: JSC FGC UES; 2011. 64 p. (In Russ.)
18. STO 56947007-29.130.10.197-2015. Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu OPN na VL 6-750 kV [STO 56947007-29.130.10.197-2015. Methodological guidelines for the use of surge arresters on the 6-750 overhead line]. Moscow: JSC FGC UES; 2015. 138 p. (In Russ.)
Информация об авторах
Коржов Антон Вениаминович, д-р техн. наук, доц., проф. кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения, проректор по научной работе, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; [email protected].
Сафонов Валерий Иванович, канд. физ.-мат. наук, доц., доц. кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; [email protected].
Дзюба Михаил Александрович, канд. техн. наук, доц., доц. кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; dziubama@susu. ru.
Бабаев Расим Мирсалам оглы, аспирант, инженер кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; [email protected].
Коростелев Ян Евгеньевич, аспирант кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; начальник отдела перспективных разработок, АО «Энеръгия + 21», п. Увельский, Челябинская обл., Россия; iankorostelev@ gmail.com.
Жеребцов Дмитрий Анатольевич, д-р хим. наук, старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физико-химии материалов, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; zherebtcovda@susu. ru.
Information about the authors
Anton V. Korzhov, Dr. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Prof. of the Department of Power Plants, Networks and Power Supply Systems, Vice-Rector for Research, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Valery I. Safonov, Cand. Sci. (Phys. and Math.), Ass. Prof., Ass. Prof. of the Department Power Plants, Networks and Power Supply Systems, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Mikhail A. Dziuba, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Ass. Prof. of the Department of Power Plants, Networks and Power Supply Systems, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Rasim M. o. Babayev, Postgraduate Student, Engineer of the Department of Power Plants, Networks and Power Supply Systems, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Ian E. Korostelev, Postgraduate Student of the Department of Power Plants, Networks and Power Supply Systems, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; Head of Research and Development Department, "Energy + 21" JSC, Uvelskiy village, Chelyabinsk region, Russia; [email protected].
Dmitry A. Zherebtcov, Dr. Sci. (Chem.), Senior Researcher of the Department of Materials Science and Physical Chemistry of Materials, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Статья поступила в редакцию 06.05.2023; одобрена после рецензирования 25.05.2023; принята к публикации 25.05.2023.
The article was submitted 06.05.2023; approved after review 25.05.2023; accepted for publication 25.05.2023.
