北京
避雷器是电力系统过电压保护的关键设备，核心元件是氧化锌阀片。在高压直流输电系统功率调度与故障清除过程中，电压极性反转易引起避雷器出现幅值高、衰减慢的功耗过冲现象，严重时甚至导致避雷器失效。然而，极性反转条件下氧化锌阀片的功耗过冲规律不明，晶界势垒的老化机制尚不明确，难以提升阀片直流极化反转老化下的稳定性。
围绕上述问题，西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室李建英/武康宁/程卓林科研团队，从直流极性反转老化机理与稳定性调控两个方面开展了系列研究：
1.针对高压直流输电中电压极性反转引起的功耗过冲与老化问题，团队基于前期建立的离子重排晶界势垒模型[Phys. Rev. Applied 17(3), 034042 (2022)]，揭示了直流老化过程中晶界势垒两侧耗尽层的非对称演变是暂态功耗过冲的起源。
研究发现，电压反转后，晶界势垒两侧的正反偏状态互换，新反偏侧的平均耗尽层浓度较高，导致势垒高度下降，进而引发电流激增与功耗过冲；随后，在界面态电荷脱陷与离子重排的共同作用下，势垒逐渐重建，功耗恢复至反转前水平。本研究建立了极性反转下暂态功耗过冲与长期老化失效之间的联系，阐明了其电荷输运机制，为提高阀片极性反转下的直流老化稳定性提供了理论依据。
2. 针对氧化锌阀片稳定性调控问题，团队采用原位高温介电谱，基于直流电导活化能表征了烧结过程中晶界势垒的形成与演变，揭示了势垒形成及调控的关键温度区间。
研究发现，氧化锌阀片的致密化与晶粒生长主要发生在升温和保温阶段，而晶界势垒主要在降温阶段形成。其中，800～650℃范围内，伴随Bi、Sb元素在晶界处偏析，晶界势垒逐步形成；600～500℃范围内，富Bi相转变进一步调控晶界势垒的演变。本研究建立了晶界势垒形成与介电响应、微观结构演变之间的关联，为氧化锌阀片性能的精准调控提供了新的研究方法。
相关研究分别发表在Applied Physics Letters和Journal of Advanced Ceramics上。程卓林助理教授、王佳乐博士生分别为第一作者，武康宁副教授为通讯作者。电工材料电气绝缘全国重点实验室为第一完成单位；研究工作获得电工材料电气绝缘全国重点实验室基金、中央高校基本科研业务费专项资金和国家自然科学基金等项目资助。
团队长期从事高性能氧化锌阀片研究，联合西安高压电器研究院股份有限公司、西安天工电气有限公司等单位组建了“西安市新型电力系统用非欧姆先进电工陶瓷产业创新联合体”，开发了系列耐强过电压冲击、高直流极性反转老化稳定性的氧化锌阀片，服务新型电力系统特别是柔性高压直流输电系统过电压防护需求。
内容来源：电工材料电气绝缘全国重点实验室
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