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壓電陶瓷范文第1篇

關(guān)健詞：粉體加工；壓電陶瓷；超聲換能

1 引言

壓電陶瓷是電子功能陶瓷中的一大類材料，它的基本特性是能進(jìn)行電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，可制成無線電元件、電聲元件、超聲換能元件、引燃引爆元件等，具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3（A表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元系。如果在三元系統(tǒng)上再加入第四種或更多的化合物，可組成四元系或多元系壓電陶瓷。

壓電陶瓷的主要制備工序有：組成配料、預(yù)燒合成、粉體加工、成形、燒成、覆電極、極化、檢測等。在壓電陶瓷的生產(chǎn)中，每一道工序所用設(shè)備、工藝參數(shù)對最終產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響。對粉體加工而言，合成料的粉碎顆粒度及其粒徑分布范圍對壓電陶瓷產(chǎn)品的綜合性能影響很大，通常，粉體粉碎粒徑小、顆粒分布范圍窄對壓電陶瓷產(chǎn)品性能有利。

許多壓電陶瓷超聲換能產(chǎn)品，如超聲波水聲探測、超聲波無損探傷、超聲波焊接、超聲波霧化等換能元件，都是采用干壓成形，成形所用的壓電陶瓷造粒粉體的填充性能對成形質(zhì)量影響很大，理想的干壓成形粉體是松裝密度高、流動性好、得到的壓制坯體和燒成瓷體都具有較高的體積密度。

本文針對壓電陶瓷超聲霧化換能器生產(chǎn)中的粉體加工制備這一基礎(chǔ)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，包括合成料的粉碎和干壓粉體的造粒，以期獲得良好的壓電陶瓷粉體制備技術(shù)和相應(yīng)產(chǎn)品。

2 實驗條件

（1）本實驗的超聲換能壓電陶瓷是改性的Pb（Mn1/3Nb2/3）O3―PZT三元體系，粉體的合成采用神佳SJJ―17高溫箱式電爐。

（2）壓電陶瓷合成料采用KR―2球磨機(jī)、YQ300振磨機(jī)和派勒PHN0.5CE砂磨機(jī)三種工藝設(shè)備進(jìn)行粉碎加工。

（3）壓電陶瓷粉體造粒采用大川原OPD―8T離心噴霧干燥機(jī)進(jìn)行。

（4）粉體粒度和形貌檢測采用歐美克LS900激光粒度分析儀、廣光DV―300光學(xué)顯微鏡、荷蘭PROX電子顯微鏡。

（5）粉體的松裝密度、流動性采用自制裝置檢測，流動性用50 g粉體流出容器所用時間（s）來衡量，體積密度用阿基米德原理檢測，壓電陶瓷性能采用安捷倫4294A分析網(wǎng)絡(luò)儀檢測。

3 實驗及結(jié)果討論

3.1 不同粉碎設(shè)備對粉料粒徑及其分布的影響

（1）實驗方案

在球磨罐、振磨料斗和砂磨機(jī)料桶中分別放入3 kg壓電陶瓷合成料進(jìn)行粉碎加工，全部采用濕法加工，每隔一段時間取樣，測其粒徑及其分布，對比粉料粒徑D50達(dá)到0.5 μm左右時三種設(shè)備加工所需的時間和加工后粉料的粒徑分布情況。

（2）過程數(shù)據(jù)（見表1）

（3）數(shù)據(jù)分析

由實驗結(jié)果可知，從粉碎效率和粒徑分布來看，振磨工藝要好于球磨工藝，砂磨工藝要明顯好于球磨和振磨工藝。這與粉碎所用的磨球尺寸和磨球的運(yùn)動速度和能量有關(guān)。通常，磨球越小，研磨作用越大，粉碎越細(xì)，粒徑分布也越窄。實驗中，砂磨所用的氧化鋯球徑為1.5 mm（1.5 Kg），球磨和振磨所用氧化鋯球徑為20 mm、15 mm和8 mm混配（7.5 Kg），砂磨的研磨工作表面積要遠(yuǎn)大于球磨和振磨。砂磨時磨球運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1800 rpm，振磨時磨球的振動速度為600 次/min，球磨時磨球運(yùn)轉(zhuǎn)速度為65 rpm。因此，砂磨工藝粉碎效率最高，粉體顆粒最細(xì)，粒徑分布最窄，粉碎質(zhì)量最好。

3.2 砂磨工藝對粉料粒徑及其分布的影響

（1）試驗方案

取粗粉碎后的壓電陶瓷合成粉體，檢測粗粉碎后的粉體粒度分布，記下D50，D90。

按粉 ： 水=68：32的比例化漿攪拌0.5 h，過120目篩網(wǎng)后進(jìn)行粉碎（分散劑添加量為粉體質(zhì)量的0.3%）；料漿循環(huán)砂磨一次需時大約5 min。

用滴管每隔5 min取3 ～ 4滴漿料進(jìn)行粒度檢測，記下D50，D90；（樣品加20 ml水，超聲分散3 min），計算出粉碎粒徑變化與漿料過機(jī)循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系。

（2）過程數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)分析

從粉碎粒徑與循環(huán)圈數(shù)關(guān)系圖可以看出，粉體粒徑與粉碎循環(huán)圈數(shù)有關(guān)，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，粒徑不斷減小，當(dāng)循環(huán)圈數(shù)≥12.8圈時，D90、D50變化不再明顯，呈現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定。

從SEMD片中可以看出，原料粒徑接近2 μm，循環(huán)12.8圈后在0.8 μm左右波動，與激光粒度測試結(jié)果相符。

由本次試驗結(jié)果可以看出，粉體粒徑與粉碎循環(huán)圈數(shù)有關(guān)，在粉碎最初時粒度減小明顯，當(dāng)達(dá)到一定循環(huán)圈數(shù)后，顆粒細(xì)度達(dá)到極限，不再降低，因此，過度粉碎不僅增加能耗，降低產(chǎn)量，而且對顆粒分布帶來不良影響。

3.3 噴霧干燥工藝對粉體顆粒形狀、流動性和松裝密度的影響

3.3.1聚乙烯醇PVA含量對造粒形貌的影響

（1）試驗方案

取一定量的粉碎漿料，分別添加1.0 ～ 1.5%的PVA，PVA含量=PVA固體/（漿料+PVA溶液）；漿料固含量為65%，漿料固含量 = 干粉/（干粉+純水）；噴霧干燥造粒條件：進(jìn)風(fēng)口溫度230℃；出風(fēng)口溫度110℃；轉(zhuǎn)速11000 r/min。

用光學(xué)顯微鏡觀查噴霧造粒的顆粒形貌，并進(jìn)行形貌對比。

（2）過程數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)分析

從形貌圖片可以看出，PVA含量對粉體形貌有一定影響，隨著PVA含量的增加，噴霧顆粒尺寸略有增大，當(dāng)PVA固含量達(dá)到1.5%時，粉體顆粒開始出現(xiàn)明顯的窩頭狀（球型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凹陷）。

3.3.2漿料固含量對造粒粉體松裝密度、流動性的影響

（1）試驗方案

制備三種壓電陶瓷漿料，漿料固含量分別為50%、55%、60%，PVA含量為1.2%。

噴霧造粒條件：進(jìn)風(fēng)口溫度230℃；出風(fēng)口溫度110℃；轉(zhuǎn)速11000 r/min。

對比造粒后粉體松裝密度、流出時間（s，50g粉體）。

（2）過程數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)分析

粉體的松裝密度決定壓制成形的壓縮比，松裝密度高，壓制時排氣量小，則壓縮比小。粉體流動性決定粉體在模具中的填充性，流動性好，有利于模具填料和成形。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，漿料固含量對松裝密度、流動性有一定影響；固含量高，松裝密度低，流動性好。固含量低，噴霧干燥時，相同時間內(nèi)進(jìn)水多、進(jìn)料量少，造粒后粉體粒徑偏小，松裝密度偏大，粉體流動性差。

3.3.3進(jìn)風(fēng)口溫度對造粒松裝密度、流動性的影響

（1）實驗方案

取55%固含量的壓電陶瓷粉體漿料，進(jìn)風(fēng)口溫度210℃、230℃、250℃，出風(fēng)口溫度110℃。PVA含量為1.2%。轉(zhuǎn)速11000 r/min。

對比噴霧造粒后粉體的松裝密度、流出時間（s）。

采用光學(xué)顯微鏡觀查噴霧造粒粉體的形貌。

（2）過程數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)分析

從實驗結(jié)果可以看出，進(jìn)風(fēng)口溫度對粉體粒徑和填充性能有一定影響，進(jìn)風(fēng)口溫度低（210℃）時，所得造粒粉體偏細(xì)，并且有破碎等粉體形貌出現(xiàn)，粉體含水率偏高，流動性較差。進(jìn)風(fēng)口溫度高（250℃）時，所得造粒粉體顆粒較大，呈較規(guī)整的球狀，粉體含水率低，流動性較好。進(jìn)風(fēng)口溫度的選定，必須與進(jìn)料速度相匹配，進(jìn)料速度高，進(jìn)風(fēng)口溫度應(yīng)相應(yīng)偏高。

3.3.4霧化頭轉(zhuǎn)速對噴霧造粒粉體松裝密度、流動性的影響

（1）實驗方案

取55%固含量的壓電陶瓷漿料，進(jìn)風(fēng)口溫度230℃，出風(fēng)口溫度110℃，PVA含量為1.2%。霧化頭轉(zhuǎn)速取9000 r/min、11000 r/min、13000 r/min。

對比噴霧造粒所得粉體的松裝密度、流出時間（s）。采用光學(xué)顯微鏡觀查噴霧造粒粉體的形貌。

（2）過程數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)分析

從實驗結(jié)果看出，霧化頭轉(zhuǎn)速會影響粉體的粒徑和填充性能。轉(zhuǎn)速過高（13000 r/min），粒徑較細(xì)，造粒粉體中細(xì)顆粒所占比例較大，所得造粒粉體松裝密度高，流動性差。轉(zhuǎn)速太低（9000 r/min），霧化漿料顆粒較大，干燥時容易形成窩頭狀顆粒，球形規(guī)整度差，松裝密度偏低，且粉體含水率偏高，降低造粒粉體的流動性。因此，不同的漿料，固含量不同，比重不同，要得到好的噴霧造粒粉料，所采用的霧化頭轉(zhuǎn)速是不同的。

3.4 造粒粉體粒徑對壓電陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的影響

（1）實驗方案

取一定質(zhì)量造粒粉體按

將三種粒徑粉體按相同的干壓條件（干壓密度5.40 ～ 5.45g/cm3）進(jìn)行干壓，并用光學(xué)顯微鏡觀查對比干壓坯體的表面形貌。

在700℃進(jìn)行排膠（保溫2 h），1280℃進(jìn)行燒結(jié)（保溫2 h）。

取燒結(jié)后三種粒徑對應(yīng)所得壓電陶瓷體進(jìn)行燒結(jié)密度測量。對燒結(jié)后三種粒徑壓電陶瓷體用電子顯微鏡觀查對比瓷體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

（2）過程數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)分析

從以上實驗數(shù)據(jù)和顯微觀查結(jié)果來看，粒徑

因此，在干壓成形粉體的制備中，僅通過篩分來減小造粒粉體的粒徑分部范圍，提高其松裝密度和流動性，是片面的，還要綜合考慮壓制和燒成后陶瓷的致密度。因此，采用粒徑

4 結(jié)論

（1）旱縑沾珊銑閃喜捎蒙澳セ粉碎，效率高，粉體顆粒細(xì)，粒徑分部范圍窄，更有利于改善壓電陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高壓電陶瓷材料的機(jī)械性能和壓電介電性能，對超聲波霧化換能元件而言，可降低性能衰減速度達(dá)50%，明顯延長其使用壽命，由5000h延長至8000h。

（2） 在粉體噴霧干燥造粒中，PVA含量、進(jìn)風(fēng)口溫度對粉體的形貌有較大的影響，PVA含量過高容易破壞粉體的球型結(jié)構(gòu)；進(jìn)風(fēng)口溫度過低顆粒容易破碎，造粒粉體流動性差，無法成形；漿料固含量、霧化頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)口溫度對粉體粒徑有影響，固含量低、轉(zhuǎn)速過高、進(jìn)風(fēng)口溫度低都會造成造粒過程粉體粒徑偏細(xì)，粉體松裝密度變大，流動性變差。

壓電陶瓷范文第2篇

關(guān)鍵詞 燒結(jié)工藝；壓電材料；晶粒

中圖分類號 TQ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2011)122-0201-01

PZT壓電陶瓷由于具有居里溫度高、壓電性強(qiáng)、易摻雜改性、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代以來，一直是人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，在壓電陶瓷領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。就PZT壓電陶瓷的制備工藝而言，配方是基礎(chǔ)，燒結(jié)是關(guān)鍵，燒結(jié)的好壞直接影響壓電陶瓷材料的各種性能。燒結(jié)過程是氣孔排出、晶粒尺寸與形狀變化的過程，燒結(jié)溫度的高低、升溫速度的快慢及保溫時間的長短都可影響傳質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)，影響晶界的遷移快慢，從而影響陶瓷的晶粒尺寸、晶粒數(shù)量以及氣孔的形貌和數(shù)量，進(jìn)一步影響到材料的介電、壓電性能。

1 實驗過程

本文以傳統(tǒng)的P-4才材料為依托進(jìn)行實驗，取純度合格的原材料，經(jīng)過配料、混和、烘干、預(yù)壓、預(yù)燒、粉碎、增塑造粒、成型，制成圓片狀毛坯，排膠后樣品在1 240 ℃、1 260 ℃、1 280 ℃、1 300 ℃四個溫度下進(jìn)行密封燒結(jié)，分別保溫1 h~3 h，燒結(jié)后的樣品機(jī)械加工成

Φ50×5（mm），后被銀、極化，靜置24 h后測量。

2 主要影響因素

2.1 燒結(jié)溫度

表1為不同燒結(jié)溫度時樣品的相對介電常數(shù)εr、介質(zhì)損耗tgδ、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm及機(jī)電耦合系數(shù)kp。從表中可以看出，燒結(jié)溫度為

1 280 ℃時，εr、Qm、kp達(dá)到最大值，而tgδ達(dá)到最小。

燒結(jié)是顆粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生長的過程，過高的燒結(jié)溫度使陶瓷晶粒生長過大或組織機(jī)構(gòu)不均勻，還會促進(jìn)二次結(jié)晶，而燒結(jié)溫度過低則會導(dǎo)致晶粒發(fā)育不完全。由于陶瓷的電性能很大程度上依賴晶粒的大小，當(dāng)燒結(jié)溫度偏低時，晶粒尺寸較小導(dǎo)致瓷體致密度、氣孔率高，所以介電常數(shù)較低。當(dāng)燒結(jié)溫度偏高時，因PbO的揮發(fā)而導(dǎo)致的氣孔和鉛空位也會使密度下降，介電常數(shù)降低。介質(zhì)損耗是在外電場作用下，疇壁在運(yùn)動過程中的能量損耗，當(dāng)燒結(jié)溫度偏低或過高，瓷體致密度低、氣孔率高，介質(zhì)損耗也相應(yīng)的增加。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和機(jī)電耦合系數(shù)kp同樣隨氣孔率的增加而降低，這也是由于疇壁運(yùn)動所引起。由此看來，密度高是反映壓電陶瓷質(zhì)量的重要參數(shù)，選擇最佳的燒結(jié)溫度以得到晶粒大小適當(dāng)、致密度高的樣品，才能得到良好的壓電性能。本實驗中，最佳的燒結(jié)溫度為1 280 ℃。

2.2 升溫速度

表2是燒結(jié)溫度1 280 ℃保溫2 h條件下，升溫時間分別為10 h和6 h兩種樣品的機(jī)電耦合系數(shù)kp及燒結(jié)開裂、極化擊穿情況（各50件樣品）。明顯看出升溫速度過快，元件的燒結(jié)開裂及極化擊穿數(shù)量增加，又因樣品氣孔率高，極化時漏電流大，極化時難以施加高壓，導(dǎo)致kp值偏低?？梢娚郎厮俣瓤?，不利于氣孔排出，使氣孔分布不均勻，影響材料致

密性。

升溫速度對晶粒長大也有一定的影響，升溫速度過快，晶粒長大速度增加，或出現(xiàn)異常長大，使樣品氣孔不易排出，材質(zhì)變脆。本實驗中，最佳升溫時間約為10 h。

2.3 保溫時間

表3列出了燒結(jié)溫度1 280 ℃，升溫10 h條件下不同保溫時間樣品的相對介電常數(shù)εr、機(jī)電耦合系數(shù)kp、壓電常數(shù)d33。從表中可知，當(dāng)保溫時間≈2h，εr、kp、d33值趨于最大值。

保溫是使樣品在燒結(jié)過程中各部分溫度均勻并促使樣品完全結(jié)晶成瓷的過程。當(dāng)保溫時間過短，材料的晶粒來不及發(fā)育長大，造成晶粒過小，晶界過多，而隨著保溫時間的延長，晶粒重新排列并進(jìn)一步發(fā)育生長，瓷體更加致密。由于陶瓷的電性能很大程度上依賴晶粒的大小，當(dāng)陶瓷從高溫順電相到低溫鐵電相時，相臨晶粒的自發(fā)取向不同而引起應(yīng)力，而這些應(yīng)力反過來影響電疇的取向，對電疇的轉(zhuǎn)向形成夾持效應(yīng)，由小晶粒組成的陶瓷，晶界對電疇的夾持效應(yīng)強(qiáng)，疇反轉(zhuǎn)困難，其壓電性能差。隨著保溫時間的延長，晶粒長大，晶界的夾持效應(yīng)的影響漸漸減弱，鐵電性增強(qiáng)，表現(xiàn)為εr、kp、d33增加。當(dāng)疇反轉(zhuǎn)完全時，各性能參數(shù)值趨于穩(wěn)定。但保溫時間過長，因有些揮發(fā)性成分不氧化鉛在高溫下?lián)]發(fā)，瓷體密度反而下降，導(dǎo)致各參數(shù)值變差。本實驗中，最佳的保溫時間為2 h，在此保溫時間下陶瓷的致密性最好，氣孔少，壓電性能

最佳。

3 結(jié)論

研究燒結(jié)工藝對壓電陶瓷材料性能的影響發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度、升溫速度和保溫時間對壓電陶瓷的介電、壓電性能有密切關(guān)系。研究結(jié)果表明，升溫速度過快時材料致密性下降，對傳統(tǒng)的P-4材料來說，燒結(jié)溫度1 280 ℃下保溫2 h，升溫時間為10 h，可以得到一種綜合性能優(yōu)良的壓電材料。

參考文獻(xiàn)

[1]張沛霖,鐘維烈,等編著.壓電材料與器件物理[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社,1996.

[2]劉杏芹.現(xiàn)代陶瓷工程學(xué)[M].安徽:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),1991:119.

[3]張福學(xué),孫慷主編.壓電學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1984.

壓電陶瓷范文第3篇

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷傳感器；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；動力荷載；裂縫損傷；全過程監(jiān)測

中圖分類號：TU375文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Cracking Damage Process Monitoring of RC Frame Structure

Based on Piezoceramic Ceramic TransducersSUN Wei1，2， YAN Shi2， JIANG Shaofei1， CHEN Xin2

（1. School of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， Fujian， China； 2. School of Civil

Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang 110168， Liaoning， China）Abstract： Based on piezoceramic ceramic transducers， a cracking damage process monitoring of reinforced concrete （RC） frame structure under dynamic loading was conducted. In the test， some piezoceramics transducers were buried into a twospan and twostory RC frame structure； the pseudo dynamic loads and static loads were applied on the model structure respectively. The cracking damage process of structure under the load was monitored. Moving average method was used in data smooth processing. The results show that the method is effective for monitoring the development tendency of structure health situation in longterm. But monitoring data has volatility caused by environmental factors， which brings certain difficulty for damage identification. It will get better results after the data processing by moving average method. The concrete crack damage monitoring method based on piezoceramic ceramic transducers is fit for a longterm monitoring of structure， and the effective measure of data processing is significant for the damage identification.

Key words： piezoelectric ceramic transducer； RC frame structure； dynamic loading； crack damage； process monitoring

0引言

混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程領(lǐng)域中最為常見的結(jié)構(gòu)形式。隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各類大型混凝土結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，結(jié)構(gòu)可靠性備受重視，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行的定期檢測工作就顯得尤為必要[16]。近年來，基于壓電陶瓷傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷監(jiān)測方法受到學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。壓電陶瓷材料以其靈敏度高、響應(yīng)快、具有傳感與驅(qū)動的雙重功能以及造價低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器制作材料[7]，特別是針對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷監(jiān)測，壓電陶瓷傳感器更有優(yōu)勢[89]。

目前，利用壓電陶瓷傳感器的混凝土裂縫損傷監(jiān)測已取得豐富的研究成果[1016]。但是以往開展的研究工作多是針對單體構(gòu)件的試驗，鮮有大尺寸模型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測試驗。本文中筆者將壓電陶瓷傳感器埋入到鋼筋混凝土框架模型結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，開展動力荷載作用下的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測試驗。在試驗中，探索利用壓電陶瓷傳感器對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)措施，以驗證該技術(shù)對結(jié)構(gòu)整體監(jiān)測的有效性，同時采用移動平均法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，使結(jié)構(gòu)損傷識別結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文的研究工作為該方法進(jìn)一步應(yīng)用于實際工程打下基礎(chǔ)。

1試驗概況

1.1模型結(jié)構(gòu)

試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)為1個2層2榀鋼筋混凝土框架，第1層層高2.1 m，第2層層高1.5 m，底座高0.4 m。模型的橫向軸線跨度為3.0 m，縱向軸線跨度為1.5 m，框架柱截面尺寸為200 mm×200 mm，框架梁截面尺寸為150 mm×200 mm。模型結(jié)構(gòu)框架柱部分的混凝土強(qiáng)度等級為C60，梁、板及底座的混凝土強(qiáng)度等級為C40。模型結(jié)構(gòu)所使用的鋼筋包括高強(qiáng)鋼筋和普通鋼筋。高強(qiáng)鋼筋為預(yù)應(yīng)力鋼棒，直徑為7.1 mm和10.7 mm兩種，分別用于框架柱中的縱筋和箍筋；普通鋼筋采用HPB235級和HRB335級鋼筋，HPB235級用作梁中箍筋及板中配筋，HRB335級用作梁中縱向配筋。模型結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。圖1中，黑色圓點(diǎn)表示壓電陶瓷傳感器，其中，傳感器SA1與SA2構(gòu)成的監(jiān)測單元負(fù)責(zé)柱根部的監(jiān)測，SA1作為信號驅(qū)動器，SA2作為信號傳感器；傳感器SA3與SA4構(gòu)成的監(jiān)測單元負(fù)責(zé)第1層梁柱節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測，SA3作為信號驅(qū)動圖1模型結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

Fig.1Model Structural Sizes （Unit：mm）器，SA4作為信號傳感器；傳感器SA3與SA5構(gòu)成的監(jiān)測單元負(fù)責(zé)第1層柱頂和第2層柱底的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測，SA3作為信號驅(qū)動器，SA5作為信號傳感器；傳感器SA6與SA7構(gòu)成的監(jiān)測單元負(fù)責(zé)第2層梁、柱節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測，SA6作為信號驅(qū)動器，SA7作為信號傳感器。

1.2試驗加載

在試驗中對模型結(jié)構(gòu)同時施加水平荷載與豎向荷載，如圖2所示。水平方向施加的荷載作為動力荷載，加載裝置采用2臺MTS電液伺服加載作動器；豎直方向施加的荷載為恒載，加載裝置采用4臺500 kN油壓千斤頂，通過水平滑板將4個豎向荷載分別施加在各柱頂部。

圖2試驗加載裝置

Fig.2Test Loading Device水平加載過程分為2個部分：前一部分為對結(jié)構(gòu)施加擬動力荷載，后一部分為對結(jié)構(gòu)施加擬靜力荷載。在對結(jié)構(gòu)模型施加擬動力荷載過程中，選取El Centro波、Taft波以及天津波用于模擬地震力對結(jié)構(gòu)的作用；在對結(jié)構(gòu)模型施加擬靜力荷載過程中，按照位移控制原則，從±20 mm開始為第1個加載等級，荷載逐級增加直至試件破壞，每一個加載等級進(jìn)行2次循環(huán)。試驗加載工況見表1。

擬靜力試驗 倒三角形分布力，直至試件完全破壞1.3壓電陶瓷傳感器的布設(shè)

模型結(jié)構(gòu)在試驗中以承受水平荷載為主，易損部位為梁、柱節(jié)點(diǎn)處，因此，選取梁、柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行裂縫損傷監(jiān)測。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，選擇其中1根柱作為監(jiān)測對象。選取PZT4型壓電陶瓷片作為傳感器，將其以“智能骨料”（Smart Aggregate，SA）的形式封裝，并埋置在結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置，如圖1所示。試驗監(jiān)測平臺由dSPACE實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建，監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括PC機(jī)、dSPACE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及壓電陶瓷驅(qū)動電源。監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3監(jiān)測系統(tǒng)

Fig.3Monitoring System2損傷診斷方法

研究結(jié)果表明，監(jiān)測信號的能量可作為裂縫損傷識別的特征參量。以結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的監(jiān)測信號能量Eh作為基準(zhǔn)信號，結(jié)構(gòu)處于某一損傷狀態(tài)下的監(jiān)測信號能量為Ei，那么該時刻結(jié)構(gòu)的損傷程度Di可定義為[17]

Di=1-Ei Eh=（1-+∞ n=0|xi（n）|2 +∞ n=0|xh（n）|2）×100%（1）

式中：xh（n），xi（n）分別為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下傳感器采集到的離散信號。

顯然，Di的取值范圍在0～1之間。當(dāng)Di=0時，表示結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)；當(dāng)Di=1時，表示結(jié)構(gòu)處于功能完全失效狀態(tài)。

由于基于壓電陶瓷傳感器的混凝土裂縫損傷監(jiān)測是一種針對結(jié)構(gòu)相對狀態(tài)的監(jiān)測方法，結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是損傷評判的基礎(chǔ)。但是自結(jié)構(gòu)開始服役起，判斷其在哪個時間范圍內(nèi)是處于嚴(yán)格意義上的健康狀態(tài)是不容易的，這就給健康基準(zhǔn)信號的提取帶來了困難。因此，為使本次試驗與工程實際更加接近，將式（1）進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，則有

Di=1-Ei+1 Ei=（1-+∞ n=0|xi+1（n）|2 +∞ n=0|xi（n）|2）×100%（2）

式中：Ei+1為監(jiān)測采樣點(diǎn)傳感器采集的監(jiān)測信號能量；xi+1（n）為所對應(yīng)的離散信號。

式（2）表明，在監(jiān)測過程中，每次傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)都以它前一次采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)參照。理論上，結(jié)構(gòu)處于同一狀態(tài)時，Ei+1=Ei，Di值恒為0。但是如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷或損傷發(fā)展恰好介于2次數(shù)據(jù)采集之間，則采集數(shù)據(jù)應(yīng)該表現(xiàn)為 Di

Dt=+∞ i=1Di（3）

以Dt作為結(jié)構(gòu)監(jiān)測損傷程度長期走勢的判定依據(jù)，可以有效區(qū)別Di曲線突變是由結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展所引起還是環(huán)境因素干擾所引起。因為由環(huán)境干擾引起的Di值的波動是無序的，其長期累積的結(jié)果是Dt趨勢線仍將處在0軸附近。而由損傷引起的Di值的突起，其長期累積的結(jié)果是Dt脫離0軸并穩(wěn)定在一定的數(shù)值附近波動。3試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1試驗現(xiàn)象

模型結(jié)構(gòu)在最大加速度為0.35，1.0 m·s-2的地震波作用下，均未出現(xiàn)目測可見的裂縫。在加速度峰值為2.0 m·s-2的El Centro波作用下，第1層梁端處出現(xiàn)第1條垂直裂縫；繼續(xù)加載，柱底處出現(xiàn)水平裂縫，接近柱下端約12 cm，縫寬約0.1 mm。當(dāng)加速度峰值為4.0 m·s-2時，隨著柱底剪力的增大，已有裂縫繼續(xù)延伸和加寬，同時又出現(xiàn)了一些新的裂縫。特別是柱根部的裂縫出現(xiàn)較多，說明柱底部受力較大，從而使柱的裂縫集中在底層，其余各層基本上無裂縫，僅在第1層柱頂部與連梁連接的角區(qū)出現(xiàn)了一些彎曲裂縫。此時，第1層梁端截面鋼筋率先屈服，第1層柱底部的普通鋼筋亦已屈服。在加速度峰值為6.0 m·s-2的El Centro波作用下，裂縫基本上是原有裂縫的不斷延伸和擴(kuò)展。第1層梁端鋼筋均達(dá)到了屈服應(yīng)變，第1層柱頂和第2層柱底部的部分普通鋼筋已經(jīng)屈服，同時第1層柱底部的高強(qiáng)鋼筋應(yīng)變亦有很大增幅。最后，在加速度峰值為7.0 m·s-2時，第2層梁端的鋼筋也達(dá)到屈服應(yīng)變，第1層柱底部的混凝土裂縫較寬，柱根部的混凝土被壓裂，第2層柱根部普通鋼筋也達(dá)到屈服應(yīng)變，柱中的高強(qiáng)縱筋及高強(qiáng)箍筋應(yīng)變亦有很大增幅，由于高強(qiáng)縱筋強(qiáng)度很大，整體結(jié)構(gòu)并未形成破壞機(jī)構(gòu)，擬動力試驗結(jié)束。

在第2階段的擬靜力試驗中，試驗采用位移控制，根據(jù)擬動力試驗結(jié)束時測得的結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，按倒三角形分布力。每級位移增量為20 mm，當(dāng)頂點(diǎn)位移達(dá)到120 mm時，結(jié)構(gòu)的破壞急劇增加，剪切滑移已非常明顯，當(dāng)位移達(dá)到160 mm時，邊柱底部的混凝土被壓酥，梁、柱節(jié)點(diǎn)部位的混凝土剝落，荷載下降至最大荷載的85%左右，標(biāo)志著模型結(jié)構(gòu)完全破壞。結(jié)構(gòu)被監(jiān)測部位的最終破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4被監(jiān)測部位的最終破壞形態(tài)

Fig.4Final Failure Modes for Monitored Locations3.2監(jiān)測數(shù)據(jù)

在試驗加載前的一段時期內(nèi)，每間隔2 h采集1次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集30次。在結(jié)構(gòu)受荷載期間，每組荷載工況間隙采集1次數(shù)據(jù)。在試驗結(jié)束后，仍每間隔2 h采集1次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集6次。這樣，每個監(jiān)測部位共采集47次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)對鋼筋混凝土框架模型結(jié)構(gòu)的損傷狀況及其發(fā)展趨勢進(jìn)行有效判斷。圖5為埋置在模型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電智能骨料的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中，圖5（a）為第1層柱底處監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果，圖5（b）為第1層柱頂和第2層柱底處的監(jiān)測結(jié)果，圖5（c）為第1層梁、柱節(jié)點(diǎn)處的監(jiān)測結(jié)果，圖5（d）為第2層梁、柱節(jié)點(diǎn)處的監(jiān)測結(jié)果。從各監(jiān)測結(jié)果可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)的走勢能夠很好地反映結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的發(fā)展趨勢。進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，結(jié)構(gòu)在荷載工況1～8的作用下裂縫損傷發(fā)展較為緩慢；而在荷載工況9～11的作用下圖5模型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)

Fig.5Monitoring Data of Model Structure損傷發(fā)展較為明顯，在數(shù)據(jù)曲線的長期走勢中表現(xiàn)為Di產(chǎn)生較為明顯的向上突變，而Dt值則明顯向上偏離0軸。從圖5中Dt值的最終結(jié)果可以判斷：第1層梁、柱節(jié)點(diǎn)處的破壞最為嚴(yán)重，這時的累積損傷指標(biāo)Dt大約在70%左右；其次是柱根處，Dt值接近60%。受損較輕的部位是第1層和第2層的柱節(jié)點(diǎn)位置，Dt值不到20%。將上述監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與圖4中各監(jiān)測部位的最終破壞形態(tài)進(jìn)行對比，可以看出，監(jiān)測結(jié)果較好地反映了結(jié)構(gòu)的實際破壞過程。

3.3監(jiān)測數(shù)據(jù)的平滑處理

從圖5中監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線的長期走勢情況可以看出，Di值和Dt值具有一定的波動性，波動范圍在-10%～10%之間，個別采樣點(diǎn)偏離0軸的幅度接近20%。數(shù)據(jù)的波動主要是由環(huán)境干擾等因素所致，數(shù)據(jù)的波動性給損傷識別帶來一定的困難，因此，有必要對監(jiān)測數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的平滑處理。

本文中采取移動平均法[18]對Dt曲線進(jìn)行平滑處理，將Dt曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)從第m個采樣點(diǎn)開始取m點(diǎn)及前m-1個點(diǎn)的平均值，即

t（j）=[Dt（j-m+1）+Dt（j-m+2）+…+

Dt（j）]/m（4）

式中：t為Dt經(jīng)過光滑處理后的趨勢線平均值；m為平均點(diǎn)數(shù)；j為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；m，j均為正整數(shù)，且m

圖6為平均點(diǎn)數(shù)m分別取5，10時的平滑結(jié)果MA5，MA10與原始曲線的對比。從圖6可以看出，光滑處理可以明顯改善原始數(shù)據(jù)波動性較大的缺點(diǎn)，并能突出結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的走勢。隨著n值的增大，曲線走勢漸趨平緩，但也對損傷識別結(jié)果產(chǎn)生影響。這種影響表現(xiàn)為在相同的采集點(diǎn)數(shù)下m值越大，損傷指標(biāo)的敏感性越低。采用移動平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理，若想獲得結(jié)構(gòu)實際的損傷指標(biāo)，至少需要多采集m-1個數(shù)據(jù)。雖然利用此方法可以使數(shù)據(jù)得到平滑處理，但是有效解決數(shù)據(jù)波動性的根本方法還需要從提高監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力等方面入手。

圖6監(jiān)測數(shù)據(jù)的平滑處理

Fig.6Smooth Processing for Monitoring Data4結(jié)語

利用壓電智能骨料傳感器，開展了動力荷載作用下的鋼筋混凝土框架模型結(jié)構(gòu)的裂縫損傷監(jiān)測試驗。試驗結(jié)果表明，基于壓電陶瓷傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法能有效地用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的長期監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以有效判別結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢。由于受環(huán)境等因素的影響，傳感器采集數(shù)據(jù)存在一定的波動性，這給損傷識別造成一定困難，特別是對結(jié)構(gòu)初級破壞階段損傷識別的影響尤為顯著。采用移動平均法對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理可以有效降低數(shù)據(jù)的波動性，突出損傷的發(fā)展趨勢，但是該方法對損傷識別的敏感性造成一定影響。因此，尋找更加有效的數(shù)據(jù)處理手段濾除數(shù)據(jù)波動性以及提高傳感器的抗干擾能力將是今后的工作重點(diǎn)。本文中的主要工作著眼于基于波動法的壓電智能混凝土結(jié)構(gòu)主動健康監(jiān)測技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，試驗結(jié)果證明了該技術(shù)應(yīng)用于實際工程中的可行性。參考文獻(xiàn)：

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壓電陶瓷范文第4篇

【關(guān)鍵詞】變電站；二次設(shè)備；過電壓防護(hù)

1.變電二次過電壓防護(hù)

隨著綜合自動化系統(tǒng)和通信自動化系統(tǒng)等二次弱電系統(tǒng)在變電站的廣泛應(yīng)用，這類電子系統(tǒng)（設(shè)備）元器件的集成度愈來愈高，信息存儲量愈來愈大，速度和精度不斷提高，而工作電壓只有幾伏，信息電流僅為微安級，因而對外界干擾極其敏感，特別對雷電等電磁脈沖和過電壓的耐受能力很低。當(dāng)雷電等過電壓和伴隨的電磁場達(dá)到某一閥值時，輕則引起系統(tǒng)失靈，重則導(dǎo)致設(shè)備或其元器件永久性損壞。

2.過電壓保護(hù)設(shè)計

IEC（國際電工委員會）TC/81技術(shù)委員會將防雷分為外部防雷和內(nèi)部防雷兩個部分，外部防雷是指避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）、引下線和接地系統(tǒng)，是被保護(hù)物體免受直接雷擊；內(nèi)部防雷則是防止雷電和其他內(nèi)部過電壓侵入設(shè)備造成的毀壞。一個完善的防雷及過電壓保護(hù)系統(tǒng)必須綜合運(yùn)用泄流（分流）、均壓（等電位）、屏蔽（隔離）、接地、限壓（箝位）保護(hù)等各項技術(shù)，按照外部防雷和內(nèi)部防雷的原則，根據(jù)防護(hù)對象的特點(diǎn)，靈活應(yīng)用，采取具體措施，構(gòu)成一個完整的防護(hù)體系。

變電站內(nèi)的過電壓形式主要有：雷電過電壓、工頻過電壓及諧振過電壓、操作過電壓等，這些過電壓以傳導(dǎo)或電磁感應(yīng)的方式在線路及設(shè)備上形成危險的過電壓，特別是雷電過電壓，雷擊變電站時，會在低壓供電系統(tǒng)及弱電系統(tǒng)產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)過電壓，同時使變電站的地電位升高（例如：變電站的接地電阻為1Ω，雷電流為10kA，則地電位為10kV），因地電位升高造成對線路及設(shè)備的反擊而損壞線路及設(shè)備的事件時有發(fā)生，因此，盡管變電站的外部防雷系統(tǒng)（避雷針、引下線及接地裝置）符合國家及部頒標(biāo)準(zhǔn)的要求，且其綜合自動化和通信自動化等二次弱電系統(tǒng)也采取了諸如屏蔽、接地、隔離、濾波等措施，但卻不能完全避免強(qiáng)大的雷電過電壓及電壓反擊對系統(tǒng)造成的干擾和破壞。

3.變電站二次系統(tǒng)過電壓防護(hù)

3.1站用電系統(tǒng)過電壓防護(hù)

安裝在變電站內(nèi)的通信調(diào)度自動化系統(tǒng)大多采用交流電源或直流電源為其設(shè)備供電，在其整流環(huán)節(jié)，一般有較大容量的濾波電容，對瞬態(tài)過電壓沖擊有一定的吸收作用，站用變壓器低壓側(cè)到站用饋電屏之間采用的是屏蔽電纜且設(shè)備都有良好的接地，運(yùn)用現(xiàn)代防雷技術(shù)來分析，必須增加回路的分流措施，因為其工作接地、保護(hù)接地都與其它電氣設(shè)備采用同一接地裝置，而且設(shè)備都處于LPZOB區(qū)，電磁脈沖強(qiáng)度相對較強(qiáng)，在站用變低壓側(cè)雖然有防止線路侵人波的避雷器，但殘壓高，因此在變電站遭受雷擊時，通過線路耦合和地電位升高而造成的反擊過電壓依然存在，而且高壓側(cè)的殘壓高達(dá)幾千伏，因此必須對這些調(diào)度自動化設(shè)備的供電回路進(jìn)行過電壓保護(hù)。

根據(jù)雷電防護(hù)區(qū)域的劃分原則，變電站內(nèi)二次設(shè)備供電系統(tǒng)感應(yīng)雷電過電壓的防護(hù)可以按兩級（B、C級）來進(jìn)行分流保護(hù)。B級防雷一般采用具有較大通流容量的防雷裝置，可以將較大的雷電流泄散入地，從而達(dá)到限流的目的，同時將過電壓減小到一定的程度，C級防雷采用具有較低殘壓的防雷裝置，可以將回路中剩余的雷電流泄散入地，達(dá)到限制過電壓的目的，使過電壓減小到設(shè)備能耐受的水平。

3.1.1第一級防護(hù)處理措施

防護(hù)位置：據(jù)據(jù)《雷電電磁脈沖的防護(hù)》中的雷電保護(hù)區(qū)域的劃分原則。避雷器的安裝位置應(yīng)在不同保護(hù)區(qū)的交界處，對于此網(wǎng)絡(luò)即第一級防護(hù)應(yīng)設(shè)在交流母線處。在兩根母線上各加裝一個同型號的B級三相電源浪涌過電壓保護(hù)器。

3.1.2第二級防護(hù)處理措施

對于較為重要的交流饋線上的設(shè)備，此處為直流充電屏，加裝C級三相電源避雷器。由于直流充電屏是兩路交流供電，所以在直流充電屏處加裝兩個同型號的C級三相電源浪涌過電壓保護(hù)器。

3.2綜合自動化系統(tǒng)過電壓防護(hù)

防護(hù)位置：微機(jī)型綜合自動化系統(tǒng)承受過電壓的能力極低，幾百伏的過電壓就足以將設(shè)備損壞，因此必須對高壓側(cè)避雷器的殘壓（幾千伏）進(jìn)行進(jìn)一步的抑制，以滿足設(shè)備絕緣水平的需要，同時由于地電位升高而感應(yīng)到電源回路零線的過電壓也高達(dá)上千伏，因此必須在采用交流綜合自動化系統(tǒng)的交流回路上加裝C級單相浪涌過電壓保護(hù)器。

3.3不問斷電源設(shè)備（UPS）過電壓防護(hù)

防護(hù)位置：由于內(nèi)部計算機(jī)系統(tǒng)、集線器、監(jiān)控設(shè)備、電能量計費(fèi)系統(tǒng)等均經(jīng)由UPS供電保護(hù)，為了保障以上微電子設(shè)備的安全，故在UPS電源裝置前端加裝C級浪涌過電壓保護(hù)器。選用型號：選用（UPS為單相電源輸入時）C級單相電源浪涌過電壓保護(hù)器或（UPS為三相電源輸入時）的C級三相電源浪涌過電壓保護(hù)器。

3.4通信接口過電壓防護(hù)

通信接口過電壓防護(hù)同電網(wǎng)供電系統(tǒng)相比，此回路對過電壓的敏感程度要高得多，且這些設(shè)備在有過電壓的情況下顯得非常脆弱。設(shè)備的絕緣耐受水平也相當(dāng)?shù)?。與這些設(shè)備相連的有信號線、數(shù)據(jù)線、測量和控制線路，并且這些線路基本上是處于LPZOB區(qū)域，也有穿過LPZOA區(qū)域的，線路上的感應(yīng)過電壓相對較強(qiáng)，根據(jù)IEC的測試，當(dāng)電磁場強(qiáng)度增大到0.07GS時，微型計算機(jī)設(shè)備將產(chǎn)生誤動，丟失數(shù)據(jù)。而且這些回路運(yùn)行的安全與否直接關(guān)系到一次系統(tǒng)設(shè)備的安全，因此須對重要回路的接口進(jìn)行過電壓防護(hù)。

3.4.1微機(jī)遠(yuǎn)動設(shè)備接口過電壓防護(hù)

防護(hù)位置：由于變電站微機(jī)遠(yuǎn)動裝置采用分布分散式結(jié)構(gòu)。由遙信模塊、智能遙測模塊、智能遙控模塊、智能遙調(diào)模塊組成。各單元模塊都裝設(shè)在不同的自動化屏內(nèi)，模塊之間通過RS232接口或現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。這些接口線路都處在室內(nèi)，設(shè)備接口線路的距離較短，因此不會感應(yīng)到較強(qiáng)的過電壓，但是各自動化設(shè)備與其它二次設(shè)備（測量單元、計算機(jī)等）有電氣連接，當(dāng)其它二次設(shè)備感應(yīng)到很強(qiáng)的感應(yīng)過電壓時，將會反擊到這些自動化設(shè)備的通信接口上，從而使設(shè)備接口電路損壞，因此有必要在這些設(shè)備的接口上加裝RS232的浪涌過電壓保護(hù)器。

3.4.2電能量計費(fèi)系統(tǒng)信號過電壓保護(hù)

防護(hù)位置一：變電站采用多功能電子電能表進(jìn)行電能量采集，電子電能表承受過電壓的水平極低。由于電能表與站內(nèi)微機(jī)遠(yuǎn)動設(shè)備的通信采用RS232的接口，其通信線路較長，又處在LVZOB區(qū)域，在變電站附近或變電站遭受直接雷擊時，將感應(yīng)出較強(qiáng)的感應(yīng)過電壓，為了防止設(shè)備的損壞。在靠近電子電能表的RS232端口加裝RS232的浪涌過電壓保護(hù)器。

防護(hù)位置二：電子電能表采集的信息通過集中采集器的MODEM（調(diào)制解調(diào)器）由電話線將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端，由于電話線路從室外引入，線路上感應(yīng)到的感應(yīng)雷電流相對較強(qiáng)，容易將調(diào)制解調(diào)器設(shè)備的接口損壞，因此必須在調(diào)制解調(diào)器的電話線路接口處加裝一個接口浪涌過電壓保護(hù)器。

3.4.3遠(yuǎn)方通信接口過電壓保護(hù)

防護(hù)位置：由于變電站基本采用無入值守。對一次回路的各種保護(hù)、測量、控制、調(diào)節(jié)信號通過光纖、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)或載波向遠(yuǎn)方（省調(diào)、地調(diào)、集控站等）傳送數(shù)據(jù)。如果采用載波，由于載波機(jī)與微機(jī)自動化裝置的信號連接線路相對較長，在變電站附近或變電站遭受直接雷擊時，處在LPZOB區(qū)的通信線路將感應(yīng)出較強(qiáng)的感應(yīng)過電（下轉(zhuǎn)第196頁）（上接第174頁）壓，因此必須在靠近微機(jī)自動化裝置的信號接口端加裝信號避雷器，同時處在LPZOB區(qū)并延伸到LPZOA區(qū)的通信線路（DDN、X.25）非常容易感應(yīng)上雷電過電壓，也必須加裝浪涌過電壓保護(hù)器。

壓電陶瓷范文第5篇

關(guān)鍵詞：電壓互感器；壓降；電能計量

1 電能計量裝置的選擇與配置

計量裝置的選擇：在初步擬定的電能計量裝置選擇范圍內(nèi)，首先要從經(jīng)過國家以及省級計量部門認(rèn)可的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品中進(jìn)行二次優(yōu)選；其次要對選購的電能計量裝置按照有關(guān)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行檢驗，禁止使用檢驗不合格的電能計量裝置。

電能計量裝置的配置：（1）接線方式：對于接入非中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的電能計量裝置，應(yīng)采用三相四線有功、無功電能表，而對于接入中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的電能計量裝置要采用三相三線有功、無功電能表。此外，按照新規(guī)程的相關(guān)要求，低壓供電，負(fù)荷電流為50A及以下時，宜采用直接接入式電能表；負(fù)荷電流為50A以上時，宜采用經(jīng)電流互感器接入式的接線方式。（2）電能表標(biāo)定電流的確定：最新的電能計量規(guī)程規(guī)定，電能表的標(biāo)定電流為正常運(yùn)行負(fù)荷電流的30%左右。此外，為提高低負(fù)荷電能計量的準(zhǔn)確性，應(yīng)選用過載4倍及以上的電能表。（3）電流互感器的選配：應(yīng)保證其在正常運(yùn)行中實際負(fù)荷電流達(dá)到額定值的60%左右，至少應(yīng)不小于30%；否則要通過熱穩(wěn)定電流互感器等來減少變比。如果變比選擇較大，一旦出現(xiàn)電流互感器一次電流小于30%的情況，就會導(dǎo)致負(fù)誤差增加；而如果變比選擇較小，也會引發(fā)誤差增加以及絕緣老化等問題。

2 電壓互感器二次回路壓降對電能計量的影響

電能計量的綜合誤差主要包括以下幾部分：電流互感器、電能表、電壓互感器、電壓互感器到電能表的二次回路壓降的計量誤差。因此，即使使用中的互感器及電能表的計量誤差符合國家有關(guān)規(guī)定，由電壓互感器二次側(cè)到電能表端子之間的二次回路線路的壓降（簡稱TV二次壓降）也會導(dǎo)致電壓測量出現(xiàn)偏差。

從電力發(fā)電到配電的整個環(huán)節(jié)普遍存在著TV二次壓降問題，這不僅使得系統(tǒng)的電壓測量出現(xiàn)誤差，影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，更重要的是導(dǎo)致電能計量的誤差。電壓互感器是一次和二次回路的重要元件，向測量儀表、繼電器的線圈等供電，能正確反映電氣設(shè)備是否正常運(yùn)行。近年來，電壓互感器二次回路接線問題所導(dǎo)致的故障經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響電能計量二次回路的運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)利益。

例如，某地的35kV母線電壓互感器每到春秋季節(jié)，尤其是陰雨或者潮濕天氣，控制室中就會出現(xiàn)電壓降低或者單相接地信號。值班人員切換電壓表后發(fā)現(xiàn)其中一相或者兩相的電壓指示值下降，而另外的兩相或者一相電壓指示值不變。然后，電氣二次人員對電能計量二次回路以及繼電保護(hù)裝置的觸頭進(jìn)行打磨，同時對繼電器重新整定，但是此期間均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。經(jīng)過仔細(xì)檢查，最終發(fā)現(xiàn)35kV母線電壓互感器的二次接線引出端已經(jīng)老化，并有放電的痕跡。

經(jīng)分析，這種戶外式電壓互感器的二次接線引出端較短，二次配線時所留線頭端子也比較短。一般正常運(yùn)行時，由于北方氣候干燥、灰塵較多，就會導(dǎo)致二次接線表面存留大量灰塵，一旦遇到潮濕或陰雨天氣就會在電壓互感器的二次側(cè)發(fā)生電壓降低或者是單相接地的現(xiàn)象。但是，這種現(xiàn)象并非真正意義上的短路或者接地，只是二次回路保護(hù)誤發(fā)信號造成故障，但其也影響了二次回路的穩(wěn)定運(yùn)行，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。有文獻(xiàn)指出：某省的年售電量如果設(shè)為100億kw.h，TV二次壓降設(shè)為1V，而TV二次額定電壓為100V，那么由此帶來的漏計算的電能將多達(dá)1億kw.h，這就導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

由此可見，電壓互感器二次回路壓降對電能計量有著直接的影響，TV二次壓降的存在會直接導(dǎo)致電能及經(jīng)濟(jì)損失。

3 降低二次壓降及提升計量準(zhǔn)確性的措施

3.1 降低二次壓降的措施

鑒于電壓互感器二次壓降對電能計量的重大影響及對系統(tǒng)安全運(yùn)行的威脅，國內(nèi)很多學(xué)者對如何改善二次壓降進(jìn)行了深人研究。降低壓降的方法有很多，歸納起來可以分為降低回路阻抗、減小回路電流和增加補(bǔ)償裝置等，下面僅就降低回路阻抗進(jìn)行詳細(xì)分析。

回路阻抗是導(dǎo)致電壓互感器二次回路壓降的重要參量，電壓互感器二次回路阻抗包括導(dǎo)線阻抗、接插元件內(nèi)阻、接觸電阻三部分。

（1）導(dǎo)線阻抗。由于電壓互感器二次回路的長度在100-500m之間，而且導(dǎo)線截面積過小，因而二次回路導(dǎo)線電阻成為回路阻抗中最被關(guān)注的因素。基于此，在DL/T448-2000《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》中對電壓互感器二次回路的測試有明確的規(guī)定：互感器二次回路的連接導(dǎo)線應(yīng)采用銅質(zhì)單芯絕緣線。對電流二次回路，連接導(dǎo)線截面積應(yīng)按電流互感器的額定二次負(fù)荷計算確定，至少應(yīng)不小于4mm2。同時，對電壓回路，連接導(dǎo)線你截面積應(yīng)按允許的電壓降計算確定，至少應(yīng)不小于為2.5mm2，而實際中一般均選擇6mm2。盡管選擇使用的導(dǎo)線截面積已經(jīng)比計算值大很多，可依然不能完全消除導(dǎo)線阻抗，只是減小而已。

（2）接插元件內(nèi)阻。在電壓互感器二次回路中存在諸如保險、刀閘、自動開關(guān)或熔斷器等轉(zhuǎn)接端子以及電壓插件等接插元件，在不考慮接觸電阻的前提下，各元件的自阻被認(rèn)為是一個定值，即為一常數(shù)，該值很小，不易減小。

（3）接觸電阻在電壓互感器二次回路阻抗中，接觸電阻占很大的比重，其阻值是不穩(wěn)定的。受接觸點(diǎn)狀態(tài)和壓力以及接觸表面氧化等因素的影響，阻值不可避免地會發(fā)生變化，且這種變化是隨機(jī)的，又是不可預(yù)測的。接觸電阻的阻值在不利情況下，將比二次導(dǎo)線本身的電阻還大，有時甚至大到幾倍。測試中，二次導(dǎo)線壓降通常都比計算值大許多，其根本原因就是沒有估計到接觸電阻有如此大的變化。

從上述分析中可以清楚地看到，電壓互感器二次回路阻抗的三個組成部分中，可以通過增加導(dǎo)線截面積降低導(dǎo)線阻抗；接插元件內(nèi)阻基本不變；接觸電阻占主導(dǎo)地位，且其阻抗變化具有隨機(jī)性。于是得到降低電壓互感器二次回路阻抗的具體方案：（1）電壓互感器二次回路更換更大截面積導(dǎo)線；（2）定期打磨接插元件、導(dǎo)線接頭，盡量減小接觸阻抗。但無論采取何種處理手段，都只能將二次回路阻抗減小到一個數(shù)值，不可能減小到0。

3.2 提升計量準(zhǔn)確性的措施

電能計量裝置的綜合誤差主要由電能表本身誤差、電流互感器與電壓互感器合成誤差以及電壓互感器二次壓降等因素構(gòu)成。為了消除這些因素導(dǎo)致的誤差，就要從以下幾點(diǎn)著手：（l）增加二次回路導(dǎo)線截面積并減小連接導(dǎo)線長度，從而減小二次壓降及阻抗；（2）合理選擇電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式，減少不合理電網(wǎng)運(yùn)行方式帶來的影響；（3）建議用戶安裝電能無功補(bǔ)償裝置，以提升功率因數(shù)；（4）合理、正確選擇安裝環(huán)境，首選沒有腐蝕性氣體、振動小、磁場強(qiáng)度小的環(huán)境，戶外高壓電能計量裝置要增設(shè)避雷針、防污及防腐設(shè)施。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文從電能計量裝置的選擇與配置入手，重點(diǎn)論述了電壓互感器二次回路壓降對電能計量的影響，并提出了降低二次壓降以及提升電能計量準(zhǔn)確性的措施。

參考文獻(xiàn)

[1]張紅.電壓互感器二次壓降與計量誤差[J].四川電力技術(shù)，1997（5）.