氧化鋅壓敏電阻變溫率及拐點(diǎn)效應(yīng)研究

周宏偉，肖 揚(yáng)

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰611830；2.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗室，南京210044）

氧化鋅壓敏電阻變溫率及拐點(diǎn)效應(yīng)研究

周宏偉1，肖 揚(yáng)2

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰611830；2.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗室，南京210044）

在對氧化鋅壓敏電阻的劣化研究中，由于U1mA和Ileakage存在 “拐點(diǎn)效應(yīng)”，從而不能夠第一時間判斷出氧化鋅壓敏電阻劣化的情況。為此通過實(shí)際的沖擊平臺，研究在不同沖擊時間下，氧化鋅壓敏電阻閥片內(nèi)部的溫度變化情況，主要得出：距離電極較近位置處的變溫率較大，遠(yuǎn)離電極的一端變溫率較小，即氧化鋅壓敏電阻存在極性現(xiàn)象；當(dāng)變溫率出現(xiàn)明顯的變化時，壓敏電壓U1mA和漏電流Ileakage變化處于正常范圍內(nèi)，當(dāng)壓敏電壓U1mA和漏電流Ileakage出現(xiàn)明顯變化時，氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)劣化到一定程度，甚至已經(jīng)完全損壞，所以變溫率可以作為衡量氧化鋅壓敏電阻劣化的一個量。

氧化鋅；熱穩(wěn)定；變溫率； 漏電流；壓敏電壓

0 引言

氧化鋅壓敏電阻是一九六八年日本松下電氣公司研制成功的，它與齊納二極管相比較，除V－I特性對稱外，通流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過齊納二極管。它與SiC壓敏電阻相比，具有非線性系數(shù)大，電壓溫度系數(shù)小，響應(yīng)時間快，殘壓低，泄漏電流小，而且無續(xù)流。目前，氧化鋅壓敏電阻的最低電壓可以做到2～3 V，高壓可以做到220～330 kV。氧化鋅壓敏電阻在國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，在國內(nèi)，則為滿足市場需要還要不斷地進(jìn)行研究開發(fā)，性能有待改進(jìn)。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對氧化鋅壓敏電阻的老化、劣化等方面進(jìn)行了研究，楊仲江[1]等在對氧化鋅壓敏電阻的在不同老化劣化實(shí)驗條件下，得出MOV的非線性系數(shù)α均隨劣化程度的增加而呈下降趨勢。文娥[2]等在對氧化鋅壓敏電阻沖擊破壞機(jī)理研究中，得出氧化鋅壓敏電阻的電容對沖擊破壞機(jī)理和沖擊導(dǎo)通機(jī)制有重要影響。郝丕柱[3]等研究發(fā)現(xiàn)氧化鋅壓敏電阻的燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度以及配方都會影響到其電容，因此提出通過電容量來反映氧化鋅壓敏電阻的性能變化。雖然對氧化鋅壓敏電阻老化劣化的研究很多，也有很多作者提出各種合理的老化機(jī)理，甚至提出用電容量來反映氧化鋅壓敏電阻劣化程度，但多數(shù)研究的是壓敏電壓的影響因素。工作環(huán)境對氧化鋅壓敏電阻的工作狀態(tài)存在一定的影響，比如溫度、濕度等[4－5]。更有研究表明，目前主要通過檢測U1mA和Ileakage兩個參數(shù)來判斷氧化鋅壓敏電阻的劣化程度，而都U1mA和Ileakage存在“拐點(diǎn)效應(yīng)”[6－7]。

筆者主要研究通電時間對氧化鋅壓敏電阻溫度的影響，從而能夠提出新的用變溫率衡量氧化鋅壓敏電阻劣化程度的方法。

1 氧化鋅壓敏電阻微觀結(jié)構(gòu)

氧化鋅壓敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體陶瓷材料，以 Zn0為主要材料，同時添加 Bi203、Co203、Sb203、Cr203、 MnO2等多種化合物，經(jīng)過成型、燒結(jié)、表面處理等工藝過程而制成。氧化鋅壓敏電阻微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。氧化鋅壓敏電阻由晶粒和包裹于晶粒的晶界層組成，其中晶粒大部分為Zn0，是氧化鋅壓敏電阻的主要成分，Zn0晶粒具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電和吸收能量的作用。晶界層則由添加化合物組成，在物相中會形成包裹于晶粒的富秘相結(jié)構(gòu)、晶界層中的尖晶石等[8]。在燒結(jié)時，添加劑一部分進(jìn)入主晶粒ZnO形成固溶體；一部分在冷卻時偏析在晶粒邊界，形成富秘相晶界層或尖晶石之類的摻雜晶粒。

圖1 氧化鋅壓敏電阻晶粒顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Zinc oxide varistor grain microstructure chart

2 靜態(tài)參數(shù)及電流流向探討

筆者選擇同一廠家生產(chǎn)的同一型號同尺寸的氧化鋅壓敏電阻產(chǎn)品2片，試品型號為MYL5E4S621，主要靜態(tài)參數(shù)有：最大運(yùn)行電壓Uc=395 V，標(biāo)稱放電電流In=30 kA，最大放電電流為In=60 kA，電壓保護(hù)水平Up=2.0 kV。沖擊設(shè)備為：SJTU－ICG－150沖擊電流發(fā)生器。測試靜態(tài)參數(shù)的儀器為多功能電涌保護(hù)器測試儀I－3162。測溫儀器為CHEERMANDT320紅外測溫槍。實(shí)驗樣品的靜態(tài)特性參數(shù)見表1。

表1 樣品靜態(tài)特性參數(shù)Table 1 Sample static characteristic parameters

將A、B片進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗，為了減小試驗誤差，試驗采取通小電流10 mA，每隔20秒停止熱穩(wěn)定試驗，同時測量9個點(diǎn)的溫度，停止通電，待電阻片冷卻至室溫后卸下來進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測量，再進(jìn)行下一次試驗，每片進(jìn)行5次試驗；將每次測量溫度按照MOV形態(tài)標(biāo)在紙張上面。

表2 樣品A測試結(jié)果Table 2 Sample A test result

表3 樣品B測試結(jié)果Table 3 Sample B test result

從表2和表3對比可以看出，電阻片各部位溫度變化趨勢相似。溫度較高的部位是1和3，最高溫度是部位3，部位7、8、9的溫度相差不多大，都是同一塊電阻片中溫度最小的部位，電阻片中間的部位也是溫度相對中等的；而且從溫度大小上可以劃分3＞2＞1，3＞5＞7，1＞4＞7，3＞6＞9，溫度的流向大體為多條直線。假設(shè)同一電阻片中各部位電阻相同，那么電流就是引起溫度變化不同的因素，可以得出電流是從電極M流向電極N，而且因為7、8、9是遠(yuǎn)離電極的部位，所以溫度的變化也是最小的，這也證明了以上的結(jié)論。繪制成電流流向圖，如圖2所示。

圖2 電阻片內(nèi)電流流向Fig.2 circuit sheet within current flows

這是由于電流在樣品內(nèi)部流向不同以及到達(dá)的區(qū)域引起的。如果不考慮散熱的影響，氧化鋅壓敏電阻吸收沖擊能量的升溫過程近似看作絕熱溫升，那么可以根據(jù)同一時刻閥片表面溫度的大小分布繪制出內(nèi)部電流的流向。由圖2得出氧化鋅壓敏電阻片中電流的流向是由電極M流向電流N，同時還向遠(yuǎn)離電極的方向流傳，證明壓敏電阻片存在極性現(xiàn)象。

3 不同沖擊時間對壓敏電阻表面變溫率的研究

為了研究在不同通電相同時間情況下，氧化鋅壓敏電阻溫度變化情況，本文選取對樣品A進(jìn)行沖擊試驗，本試驗采用通小電流10 mA的方法，為了研究方便，選取圖2中1、3、7、9這4個具有代表性的位置測試點(diǎn)。第一次5 s后停止熱穩(wěn)定試驗，進(jìn)行4個點(diǎn)溫度測量，再進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測量，待電阻片冷卻至室溫后進(jìn)行下一次試驗；第二次10秒后停止熱穩(wěn)定試驗，進(jìn)行4個點(diǎn)溫度測量，再進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測量；每次試驗必須待電阻片冷卻至室溫后進(jìn)行下一次試驗，如此循環(huán)至G老化劣化（靜態(tài)參數(shù)異常），測試時間間隔為5秒，將溫升除以時間后得到變溫率△T=（Tt-T0）/t。

在圖3中，壓敏電壓U1mA和漏電流I前期只是較小范圍內(nèi)的跳動，當(dāng)通電時間增加到80s時，壓敏電壓U1mA和漏電流I才開始才出現(xiàn)明顯變化：期中U1mA是明顯的減小，I是明顯增大，說明此刻氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)劣化到一定程度。

圖3 樣品A通電不同時間下漏電流（a）、壓敏電壓（b）隨沖擊時間變化趨勢Fig.3 A power-leakage current sample over time（a），varistor voltage(b)with the impact of trends over time

圖4為樣品A通電不同時間下4個測試點(diǎn)隨沖擊時間變化趨勢，從圖中可以看出，開始一段時間內(nèi)，變溫率的浮動值很小，基本固定在一個定值，當(dāng)通電時間增加到60 s時，變溫率出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，而且是持續(xù)增大。1號、3號位置處測得的溫度變化率要高于7號以及9號位置處的溫度變化，主要是因為1號、3號位置靠近電極位置，因此溫度較高。沖擊時間大于60秒之后，1號、3號位置處測得的溫度變化率出現(xiàn)一個拐點(diǎn)，溫度變化率迅速上升，而7號、9號位置處的溫度變化率上升幅度較小。

圖4 樣品A通電不同時間下4個測試點(diǎn)隨沖擊時間變化趨勢Fig.4 A sample is energized at different times of four test points over time the impact of trends

綜合圖3、圖4可以看出，當(dāng)變溫率出現(xiàn)明顯的變化時，壓敏電壓U1mA和漏電流I還在正常數(shù)值內(nèi)，當(dāng)壓敏電壓U1mA和漏電流I出現(xiàn)明顯變化時，氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)劣化到一定程度，甚至已經(jīng)完全損壞，所以此時變溫率就可以作為衡量氧化鋅壓敏電阻劣化的一個量。

4 結(jié)論

通過對氧化鋅壓敏電阻進(jìn)行的熱穩(wěn)定試驗以及在各種老化劣化條件下壓敏電壓U1mA、漏電流I和變溫率的變化不同，總結(jié)分析可以得出以下的結(jié)論：

1）根據(jù)熱穩(wěn)定老化實(shí)驗中，用溫度變化來反映電流流向，閥片表面各部位變溫率不同：靠近電極的變溫率較大，遠(yuǎn)離電極的一端變溫率較小，推測出閥片內(nèi)部電流的流向，而且在電阻片內(nèi)電流的流向多為直線；另外電極M的變溫率比電極N的變溫率要大，得出氧化鋅壓敏電阻存在極性現(xiàn)象。

2）當(dāng)變溫率出現(xiàn)明顯的變化時，壓敏電壓U1mA和漏電流Ileakage還在正常數(shù)值內(nèi)，當(dāng)壓敏電壓U1mA和漏電流Ileakage出現(xiàn)明顯變化時，氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)劣化到一定程度，甚至已經(jīng)完全損壞，所以此時變溫率就可以作為衡量氧化鋅壓敏電阻劣化的一個量。準(zhǔn)確地得知氧化鋅壓敏電阻閥片的溫度變化較大的區(qū)域，對于氧化鋅壓敏電阻有了更全面的了解，以便對氧化鋅壓敏電阻做出更好的保護(hù)。

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Temperature Change Rate and Inflection Point Effect of Zinc Oxide Varistor

ZHOU Hongwei1，XIAO Yang2
（1.Sichuan Water Conservancy Vocational College，Dujiangyan 611830，china；2.Nanjing University of Information Science and Technology，Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China）

The study of the degradation of zinc oxide varistors，since the presence of U and I leakage"inflection point"effect，which is not the first time be able to judge the situation deteriorated zinc oxide varistors.Therefore，the actual impact of the platform through research at different impact time，the temperature changes of zinc oxide varistor inside，the main obtain：large near the electrode temperature change rate，the end remote from the electrode temperature change rate small，namely zinc oxide varistors presence of a polar phenomenon；the temperature change rate when significant changes occur，the varistor voltage U1mAand leakage current I still normal value，when the varistor voltage U1mAand leakage current I leakage significant changes occur，the zinc oxide varistor has deteriorated to a certain extent，even has been completely damaged，so the temperature change rate can be used as a measure of the amount of zinc oxide varistors degradation.

zincoxide；thermalstability；temperaturechangerate；leakagecurrent；thevaristorvoltage

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.025

2016－10－21

周宏偉（1965—），女，副教授，高級工程師，主要從事電力類專業(yè)課教學(xué)，小水電站的設(shè)計、監(jiān)理。