[发明专利]一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法

说明书

本发明公开了一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法，采用第一性原理，利用计算机构造ZnO电阻阀片两相晶界结构；采用CASTEP软件包对晶胞进行结构优化；对建立的晶界结构进行弛豫计算，对比弛豫前后晶界结构，分析原子位移；对弛豫后的晶界结构进行二次差分电荷密度分析和原子的电子布居分析；进行晶界结构电子势能分析和界面原子分波态密度分析。相对于实验测量方法，本发明对ZnO电阻阀片内部存在的微观结构进行了研究，分析晶界结构内建电场，确定界面原子的电子轨道的电荷量，分析层片内原子成键情况，对提高材料的非线性伏安特性、研制高性能氧化锌避雷器具有重要意义。

技术领域

本发明属于避雷器特性研究领域，具体涉及一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法。

背景技术

金属氧化锌避雷器的基本结构是阀片，阀片以氧化锌为主要材料，添加少量其他金属氧化物经高温煅烧而成。该阀片在正常的工作电压下，通过的阻性电流很小，一般约为10-15μA，接近绝缘状态。当雷电过电压施加在避雷器上时，它的电阻迅速减小，通过的电流很大，残压很小，使设备得到保护，当过电压消失后，避雷器电阻阀片又恢复到高阻状态。因为金属氧化锌避雷器具有优良的非线性伏安特性，它作为电力系统中最基本的保护设备有着广泛的应用。

目前，对避雷器氧化锌电阻阀片的研究主要采用电子探针测量的实验方法，局限性大，无法从微观分子层面对避雷器氧化锌电阻阀片性能进行深入分析。

第一性原理是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，可以不依赖于实验参数，而仅仅在给定原子坐标、元素种类的情况下就可以计算出材料的物理化学性质。CASTEP(Cambridge Serial Total Energy Package)软件包是基于密度泛函理论的从头计算量子力学程序，利用总能量平面波赝势方法，将离子势用赝势代替，电子波函数用平面波基组展开，电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(local-densityapproximation, LDA)或广义梯度近似(general gradient approximation, GGA)进行校正，是目前较准确的电子结构计算程序。

因此，采用第一性原理，从微观分子层面研究避雷器氧化锌电阻阀片的晶界结构。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法，采用第一性原理，从微观分子层面对避雷器氧化锌电阻阀片性能进行深入分析。

本发明的技术方案是一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法，具体步骤如下，

步骤1：利用计算机构造ZnO电阻阀片两相晶界结构；

步骤1.1:构造ZnO/Bi₂O₃两相晶界结构；

步骤1.2:对晶胞进行结构优化；

步骤1.3:确定交换和相关势，自洽求解Kohn-Sham方程；

步骤2：对建立的晶界结构进行弛豫计算，对比弛豫前后晶界结构，分析原子位移；

步骤3：对弛豫后的晶界结构进行二次差分电荷密度分析，分析层片间电荷转移情况；

步骤4：进行原子的电子布居分析；

步骤4.1：分析原子轨道电子占据情况；

步骤4.2：分析原子带电情况；

步骤4.3：统计晶体层片带电量；

步骤5：进行晶界结构电子势能分析，比较两晶体层片电子势能；

步骤6：进行界面原子分波态密度分析，分析原子间成键情况；