淺析浪涌保護(hù)器中壓敏電阻的失效保護(hù)

毛聲道

摘 要：該文主要介紹壓敏電阻在浪涌保護(hù)器中的工作原理，壓敏電阻實(shí)際使用時(shí)的失效原因與失效模式，以及相應(yīng)的失效保護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：壓敏電阻 浪涌保護(hù)器 失效模式

中圖分類號：T64M 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0089-02

壓敏電阻是浪涌保護(hù)器的一種非線性限壓器件，最常用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻。壓敏電阻利用其非線性的伏安特性，把竄入電力、電信傳輸線路的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，以保護(hù)耐壓水平較低的電氣設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

在實(shí)際使用中，壓敏電阻會(huì)受到安裝環(huán)境或電流沖擊而逐漸老化失效，使被保護(hù)設(shè)備處于保護(hù)缺失狀態(tài)，極易造成短路等電力事故。因此，有必要采取一定的失效保護(hù)方法，確保浪涌保護(hù)器和被保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 浪涌保護(hù)器中壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，通常并聯(lián)于被保護(hù)電器的輸入端。在正常電壓條件下，壓敏電阻的阻抗很高，漏電流很小，可以看作開路，對電路幾乎沒有影響。壓敏電阻會(huì)在電路出現(xiàn)過電壓時(shí)內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，它的流通電流可增加幾個(gè)數(shù)量級，同時(shí)將過電壓箝位在一定數(shù)值，有效地保護(hù)電路中的其他設(shè)備不致因過電壓而損壞。

如圖1所示，分壓器由壓敏電阻的阻抗Zv與電路總阻抗Zs（包括浪涌源阻抗）構(gòu)成，當(dāng)電路出現(xiàn)過電壓Vs時(shí)，壓敏電阻的限制電壓為V=VsZv/（Zs+Zv），Zv的阻值可以從正常時(shí)的兆歐級急劇下降到幾歐姆，甚至毫歐級。Zv在瞬間流過很大的電流，過電壓大部分降落在Zs上，用電器兩端的電壓V則被限制在較低水平，從而保護(hù)用電器免受過電壓的危害。過電壓結(jié)束后，壓敏電阻又迅速、自動(dòng)恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。

2 壓敏電阻的失效

壓敏電阻經(jīng)過長期運(yùn)行和多次電涌作用后，會(huì)出現(xiàn)性能下降，甚至失效的情況，它的失效模式主要有兩種：開路模式和短路模式。

2.1 開路模式

當(dāng)壓敏電阻中流過遠(yuǎn)超過其承受范圍的浪涌電流時(shí)，壓敏電阻會(huì)發(fā)生炸裂，呈現(xiàn)開路狀態(tài)。這種模式不會(huì)引起燃燒現(xiàn)象，影響相對較小。

2.2 短路模式

短路模式比較常見，影響較大，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)，主要包括兩種類型，即老化失效和暫態(tài)過電壓破壞。

2.2.1 老化失效

在帶電情況下，經(jīng)過多次反復(fù)的浪涌電壓沖擊，壓敏電阻會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，其閥值電壓會(huì)降低，低阻性則逐步加劇，進(jìn)而導(dǎo)致持續(xù)漏電流的產(chǎn)生。隨著漏電流的惡性增加，并且集中注入壓敏電阻內(nèi)部的薄弱部位，該部位的材料就會(huì)逐漸融化，最終形成1000歐左右的短路孔，一旦有較大的電流灌入短路點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致壓敏電阻的熱崩潰擊穿，壓敏電阻劣化失效后變成永久導(dǎo)通狀態(tài)，無法切斷回路電流，此時(shí)壓敏電阻本體溫度將持續(xù)升高，甚至產(chǎn)生火災(zāi)危險(xiǎn)。研究表明，若壓敏電阻在制造時(shí)就存在缺陷的話，就很可能出現(xiàn)早期失效的情況，此時(shí)，即便電沖擊強(qiáng)度不大，但用不了多次也會(huì)很快老化，使老化失效提早出現(xiàn)。

2.2.2 暫態(tài)過電壓破壞

電路中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)高于壓敏電阻最大連續(xù)運(yùn)行電壓的暫態(tài)過電壓，這類過電壓雖然幅值不高，但持續(xù)時(shí)間較電涌（瞬態(tài)過電壓）長得多，可達(dá)幾秒甚至更長，而目前的MOV制造水平，是不能承受的。較強(qiáng)的暫態(tài)過電壓能夠加快壓敏電阻的劣化速度，一旦電阻體穿孔，就會(huì)導(dǎo)致更大電流的產(chǎn)生，最終引發(fā)高熱起火。該過程可以在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，出現(xiàn)此情況時(shí)，電阻體上設(shè)置的熱熔接點(diǎn)往往來不及熔斷。在三相電源保護(hù)中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火通常都屬于這種情況，且出現(xiàn)事故的概率是比較高的。

總的來說，短路失效模式造成的損失比較大。瞬間的高熱會(huì)將壓敏電阻的包封材料炭化，迅速的膨脹將炭化料噴濺至周邊器件與電路板上，造成拉弧現(xiàn)象。高熱引起的持續(xù)自燃，也將對整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)造成不可恢復(fù)的破壞。

3 失效保護(hù)方法

為提高壓敏電阻在浪涌保護(hù)器中使用的安全性，在壓敏電阻的設(shè)計(jì)和使用過程中，需要采取一定的保護(hù)措施，確保失效的壓敏電阻及時(shí)脫離被保護(hù)電路，盡可能避免火災(zāi)等事故的發(fā)生。目前比較成熟的保護(hù)方法有以下幾種。

3.1 壓敏電阻串聯(lián)溫度保險(xiǎn)管

可以緊密連接的方式在壓敏電阻上串聯(lián)一個(gè)溫度保險(xiǎn)管，但需要保證兩者兩者有良好的熱耦合。當(dāng)壓敏電阻失效（短路）時(shí)，它所產(chǎn)生的熱量會(huì)傳遞給溫度保險(xiǎn)管，溫度保險(xiǎn)管隨之熔斷，從而使失效的壓敏電阻與電路分離，這樣就確保了設(shè)備的安全，如圖2（a）所示?，F(xiàn)在已有壓敏電阻生產(chǎn)廠商制造出溫度保險(xiǎn)管內(nèi)置的壓敏電阻器件，如圖2（b）所示，這種器件由于熱熔保險(xiǎn)與壓敏電阻封裝在一起，溫度感應(yīng)更快，保護(hù)效果更好。

3.2 電源中串聯(lián)感抗元件

要想避免大電流對壓敏電阻的沖擊，可以將大的感抗元件串聯(lián)在電源回路中，這樣一來，電流突變的現(xiàn)象就不會(huì)發(fā)生了，可有效避免暫態(tài)過電流對壓敏電阻的沖擊，從而防止壓敏電阻的失效。

3.3 壓敏電阻串聯(lián)使用

在持續(xù)工作電壓較高的情況下，可將多個(gè)壓敏電阻串聯(lián)使用。比如將兩只直徑相同，且通流量相同的壓敏電阻串聯(lián)后，兩者的壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓會(huì)疊加在一起，但通流量是不變的。高壓電力避雷器往往要求持續(xù)工作電壓高達(dá)千伏，甚至數(shù)萬伏，這種情況，就是將多個(gè)壓敏電阻閥串聯(lián)使用以保證期安全使用。

3.4 壓敏電阻并聯(lián)使用

遇到一個(gè)壓敏電阻滿足不了標(biāo)稱放電要求的情況，要想獲得更大的通流量，可將多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)使用。如果為了降低限制電壓，減小電阻的電流密度，在標(biāo)稱放電電流滿足要求的情況下，也采用多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)。該方法可以較為有效地解決暫態(tài)過電壓破壞問題。

要特別注意的是，壓敏電阻并聯(lián)使用時(shí)，必須挑選參數(shù)一致的（例如：ΔU1mA≤3V，Δα≤3）電阻片進(jìn)行配對，以保證電流在各電阻片之間均勻分配。

3.5 壓敏電阻與氣體放電器件串聯(lián)使用

壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯(lián)，要保證串聯(lián)組合的正常工作，需滿足兩個(gè)基本條件。

（1）系統(tǒng)電壓上限值應(yīng)低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓；（2）G點(diǎn)火后在系統(tǒng)電壓上限值下，壓敏電阻MY中的電流應(yīng)小于G的電弧維持電流，以保證G的熄弧。

在電路正常工作時(shí)，這種組合方式下，氣體放電管不導(dǎo)通，壓敏電阻沒有漏電流，其使用壽命會(huì)得到大大延長。當(dāng)受浪涌沖擊時(shí)，氣體放電管首先擊穿，然后壓敏電阻會(huì)對浪涌電壓加以限制，總的殘壓為兩者之和；沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管會(huì)因而不能維持導(dǎo)通而熄弧，此時(shí)恢復(fù)為正常工作狀態(tài)；當(dāng)壓敏電阻短路失效后，雖氣體放電管因流過很大的工頻電流也會(huì)很快失效，但它的失效模式絕大多數(shù)是開路，不易引起火災(zāi)。因此，這種串聯(lián)組合方式安全性好，具有漏電流小等特點(diǎn)。

3.6 壓敏電阻失效報(bào)警

壓敏電阻失效后，浪涌保護(hù)器就失去了保護(hù)功能。如果不能及時(shí)更換新的壓敏電阻，電子設(shè)備就處于保護(hù)缺失狀態(tài)，還有可能造成系統(tǒng)損壞。高端的浪涌保護(hù)器配有壓敏電阻保護(hù)裝置，失效時(shí)進(jìn)行失效保護(hù)和報(bào)警，使用戶及時(shí)知道并更換損壞的壓敏電阻模塊。

壓敏電阻的失效報(bào)警的實(shí)現(xiàn)，通常是在浪涌保護(hù)器上增設(shè)一個(gè)報(bào)警指示窗口，當(dāng)壓敏電阻的漏電增大到預(yù)定值時(shí)，報(bào)警指示燈亮起，提醒值班人員壓敏電阻失效并及時(shí)更換。有些浪涌保護(hù)器還有專門的報(bào)警信號輸出端口，以便連接外部報(bào)警裝置。

4 結(jié)語

鑒于壓敏電阻使用壽命較短、容易失效的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和使用過程中，需要盡可能地采取一定的失效保護(hù)措施，防止火災(zāi)等意外的發(fā)生，以便更好地發(fā)揮浪涌保護(hù)器的各項(xiàng)保護(hù)功能。

參考文獻(xiàn)

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