Impuls-Energieaufnahmevermögen von Metalloxidvaristoren für Überspannungsableiter in Hochspannungsnetzen
Final Report Abstract
ZnO-Varistoren werden als Spannungsableiter eingesetzt. Dabei müssen sie größere Mengen an elektrischer Leistung aufnehmen und ableiten. Hierbei besteht die Gefahr, dass das Bauteil versagt. Die Ursachen für das Versagen können unterschiedlich sein, genauso wie die Ausfallerscheinungen. Diese hängen in der Regel von der Dauer und der Höhe der eingebrachten elektrischen Leistung ab. Die Beobachtungen wurden bereits in der Literatur phänomenologisch ausführlich beschrieben, jedoch ist das physikalische Bild nicht ausgereift. In dieser Arbeit sollte daher ein umfassenderes Verständnis verschiedener Einflussparameter auf das Verhalten von ZnO-Varistoren untersucht werden. Damit soll es möglich werden, präzisere Modelle aufzustellen, die es ermöglichen durch Computersimulationen das Verhalten von Varistoren vorhersagbar zu machen und dadurch Optimierungsmaßnahmen zu ergreifen. Um den Einfluss von Poren auf das Verhalten von Varistoren zu untersuchen, wurden Proben mittels einer speziellen Herstellungsvariante mit künstlichen Poren versehen, die in der Größenordnung von Realporen lagen. Es stellte sich mittels Thermographie und Elektrolumineszenzmessungen heraus, dass solche Arten von Poren, die in der Größenordnung von 100 µm und größer liegen, einen starken Einfluss auf den Stromverlauf ausüben. Da der Strom nicht durch diese Poren fließen kann, werden diese umflossen. Dabei konzentriert sich der Strom an den Flanken von den Poren, wodurch sich hohe Stromdichten und dadurch bedingt auch höhere lokale Temperaturen ausbilden. Dieses Verhalten kann zu beschleunigter Degradation führen. Auch werden die Poren je nach Spannungspolarität anders umflossen. Neben dem Einfluss von Poren wurde auch der Einfluss mechanischer Spannung auf das Varistorverhalten untersucht. Hier existierten bereits auch einzelne Arbeiten, die gute Ansätze für eine theoretische Erklärung lieferten. Dafür wurde eine spezielle Apparatur aufgebaut, um sowohl temperatur- als auch druckabhängige Strom-Spannungsmessungen durchzuführen. Bei den Messungen stellte sich heraus, dass sich der Widerstand der Varistoren sehr stark mit der mechanischen Spannung ändert. Dadurch lässt es sich als Material für die Anwendung als Drucksensor in Betracht ziehen, vor allem, da es eine deutlich höhere Sensibilität im Vergleich zu konventionellen Materialien in Drucksensoren zeigt. Die Ursache für die starke Änderung des Widerstandes mit der Spannung wurde durch zusätzliche temperaturabhängige Messungen untersucht. Dies ermöglichte es, Arrheniuskurven zu erstellen und mit physikalischen Modellen anzupassen. Als Hauptgrund für dieses spannungsabhängige Verhalten lässt sich die Piezoelektrizität von ZnO ausmachen. Die zusätzlichen Grenzflächenladungen die durch den Piezoeffekt an den Korngrenzen des Materials entstehen, beeinflussen die dortigen Doppel-Schottky-Barrieren, die hauptverantwortlich für den Widerstand des Varistors sind. Diese Barrieren können je nach Orientierung der benachbarten ZnO-Körner herab- oder heraufgesetzt werden. Dadurch entsteht eine größere Varianz an Barrierenhöhen. Da generell in Varistormaterialien eine größere Varianz an Materialeigenschaften auch ein höheren Leckstrom bedeutet, lässt sich auch dieses Phänomen dadurch erklären.
Publications
- ‘Microstructure, degradation and macroscopic electric behavior of ZnO varistors‘, International Conference - European Ceramic Society 13, Limoges, Frankreich, 23.- 27.06.2013
R. Baraki, M. Tuczek, W. Jo, T. Granzow, V. Hinrichsen, J. Rödel
- ‘Bulk ZnO as piezotronic pressure sensor’, Applied Physics Letters, 105, 111604 (2014)
R. Baraki, N. Novak, T. Frömling, T. Granzow, J. Rödel
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4895941) - ‘Electron paramagnetic resonance study of ZnO varistor material’, Journal of Physics: Condensed Matter, 26, 115801 (2014)
R. Baraki, P. Zierep, E. Emre, S. Weber, T. Granzow
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/11/115801) - ‘Influence of mechanical stress on the characteristics of ZnO varistors’, Electroceramics 14, Bukarest, Rumänien, 16.-20.06.2014
R. Baraki, N. Novak, T. Granzow, T. Frömling, J. Rödel
- ‘Varistor piezotronics: Mechanically tuned conductivity in varistors’, Journal of Applied Physics, 118, 085703 (2015)
R. Baraki, N. Novak, M. Hofstätter, P.Supancic, J. Rödel, T. Frömling
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4929360)
