氧化鋅壓敏電阻劣化過程中變溫率的研究及應(yīng)用

張過有

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 永川402160）

氧化鋅壓敏電阻劣化過程中變溫率的研究及應(yīng)用

張過有

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 永川402160）

針對目前主要通過壓敏電壓U1mA和漏電流I兩個參數(shù)來檢測氧化鋅壓敏電阻的劣化程度，然而因為U1mA和I存在 “拐點效應(yīng)”，無法及時有效地判斷氧化鋅壓敏電阻的劣化程度。因此研究一種能反映氧化鋅壓敏電阻劣化程度的方法尤為重要。根據(jù)氧化鋅壓敏電阻的熱穩(wěn)定性和老化機理，提出氧化鋅壓敏電阻劣化過程中會伴隨著溫度的變化。通過對氧化鋅壓敏電阻進行熱穩(wěn)定劣化試驗，試驗分析發(fā)現(xiàn)：氧化鋅壓敏電阻的變溫區(qū)域為閥片內(nèi)部，隨著熱阻的變化，氧化鋅壓敏電阻的溫度也發(fā)生變化。得出變溫率可以作為一個考量氧化鋅壓敏電阻劣化程度的量，同時，結(jié)合U1mA、I兩個參數(shù)可以更好地分析氧化鋅壓敏電阻內(nèi)部劣化的原因。

氧化鋅壓敏電阻；劣化；熱穩(wěn)定；變溫區(qū)域；變溫率

0 引言

氧化鋅壓敏電阻具有優(yōu)異的非線性特性，因此在低壓電源系統(tǒng)及信息系統(tǒng)中，氧化鋅壓敏電阻常被用來對系統(tǒng)進行電涌保護[1]。氧化鋅壓敏電阻具有很強的恢復(fù)能力，在遭受電涌沖擊后，其電氣性能可以很快恢復(fù)到初始狀態(tài)。然而，在長期的工作運行過程中，由于經(jīng)常受到外界應(yīng)力的沖擊影響，例如電應(yīng)力、熱應(yīng)力及機械應(yīng)力，壓敏電阻會出現(xiàn)劣化和老化現(xiàn)象，其性能出現(xiàn)很大程度的下降，壓敏電阻電涌防護能力的下降會影響其正常的使用。目前主要通過檢測U1mA和I兩個參數(shù)來判斷氧化鋅壓敏電阻的劣化程度，而 U1mA和 I都存在“拐點效應(yīng)”[2－3]。即只有當(dāng)氧化鋅壓敏電阻劣化到一定程度后，壓敏電壓U1mA和漏電流I才出現(xiàn)顯著的變化。而在這個 “拐點”值之前，U1mA和I都符合FB188021—2002中所規(guī)定的參數(shù)范圍要求，這就給檢測結(jié)果帶來不確定性。例如某個產(chǎn)品自身已經(jīng)劣化到一定程度，甚至完全損壞，已經(jīng)不能正常保護系統(tǒng)，但檢測值壓敏電壓U1mA和漏電流I仍然合格。此時就需要一種來分析氧化鋅壓敏電阻老化程度的方法。

筆者通過沖擊試驗以及模擬各種劣化試驗，并在劣化過程中，測試漏電流、壓敏電壓以及變溫率各參數(shù)，提出新的用變溫率衡量氧化鋅壓敏電阻劣化程度的方法，結(jié)合壓敏電壓、漏電流和變溫率3個參數(shù)來判斷氧化鋅壓敏電阻的劣化程度和分析其內(nèi)部劣化的原因。

1 氧化鋅壓敏電阻簡介

ZnO壓敏電阻主要應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)的后續(xù)雷擊防護中，其導(dǎo)電機理與其他二極管元件相似，導(dǎo)通速度很快，理論仿真響應(yīng)時間可達1ns，在實際響應(yīng)時間，受電感等因素的影響，為50～100 ns或者更多。它的基本電氣特性是如圖1所示的全電壓－電流（U－I）特性。當(dāng)電壓值低于擊穿電壓時，壓敏電阻片接近于絕緣體；當(dāng)電壓值高于擊穿電壓時，壓敏電阻片就成為導(dǎo)體。它最有利于雷電浪涌防護的電氣性能就是導(dǎo)電狀態(tài)下的高非線性伏安特性和穩(wěn)態(tài)工作電壓下的小漏電流[4－6]。

圖1 ZnO壓敏電阻的全電壓－電流（U-I）特性Fig.1 ZnO varistors full voltage－current（UI） properties

2 靜態(tài)參數(shù)以及沖擊老化實驗

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)品若干，試品型號為MYL5E4S621，選出完好的7片，其主要參數(shù):最大運行電壓Uc=395 V，標(biāo)稱放電電流In=30 kA，最大放電電流In=60 kA，電壓保護水平Up=2.0 kV。沖擊設(shè)備: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器測試儀 I－3162。測溫儀器：CHEERMANDT320紅外測溫槍。實驗樣品的靜態(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

表1中T為試品在室溫下的溫度，U1mA為壓敏電阻通過1 mA直流電流時其兩端的電壓，I為在小于參考電壓（如0.75 U1mA）的低電壓作用下，壓敏電阻中流過的電流，In為標(biāo)稱放電電流，Imax為最大放電電流。

試驗要求：啟動電壓基本一致的前提下，漏電流越小，V－I特性越好[7]。通過測試靜態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)漏電流都比較小，而且符合試驗要求標(biāo)準，因為本次試驗采用的都是新的電阻片，所以壓敏電阻以及漏電流都滿足試驗要求，即電阻片都是沒劣化的，可以用來完成本次試驗。

沖擊老化試驗采用同一廠家同一型號的壓敏電阻片，取上述的A和B片做試驗。利用8/20 μs波形對MOV進行老化沖擊，通常老化試驗是對壓敏片進行標(biāo)稱電流沖擊，所以A和B的沖擊電流幅值分別為30 kA和35 kA，每個30 min沖擊一次，冷卻至室溫后測試，測量結(jié)果顯示，2片壓敏電阻片劣化參數(shù)變化相似，選其中的一片試品分析壓敏電壓和漏電流變化，見圖2和圖3。

圖2 8/20 μs波形下老化前后壓敏電壓變化規(guī)律Fig.2 Varistor voltage variation 8/20 μs waveforms before and after aging

圖3 8/20 μs波形下老化前后漏電流變化規(guī)律Fig.3 8/20 μs waveform lower leakage current variation before and after aging

由圖2和圖3可看出，壓敏電壓U1mA開始階段會出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，但增大和減小的幅值都很小。當(dāng)沖擊到一定次數(shù)時，壓敏電壓U1mA急劇下降，而漏電流I迅速上升，說明此刻的壓敏電阻片已經(jīng)劣化到一定程度，甚至完全損壞。在壓敏電阻和漏電流出現(xiàn)明顯變化的點我們稱之為“拐點”，從圖中可看出，該電阻片存在“拐點”，而在“拐點”之前，即在其變化幅值出現(xiàn)顯著變化前，氧化鋅壓敏電阻就已經(jīng)開始劣化，只是壓敏電壓U1mA和漏電流I仍然符合FB188021—2002中所規(guī)定的參數(shù)范圍標(biāo)準值，即從壓敏電壓和漏電流的參數(shù)上是無法辨別氧化鋅壓敏電阻什么時候開始出現(xiàn)劣化，也就是說，氧化鋅壓敏電阻的劣化是一個累積過程而不是某一次沖擊而導(dǎo)致的，氧化鋅壓敏電阻一直處在劣化過程中，只是壓敏電阻U1mA和漏電流I不能及時作出有效地判斷。所以我們就需要一個新的測試參數(shù)來考量氧化鋅壓敏電阻的劣化程度。

3 通電相同時間下變溫率的研究

為了詳細了解電阻片各部位發(fā)熱情況，取壓敏電阻片E，氧化鋅壓敏電阻片劃分為9個測量點，見圖4。筆者為了研究方便，僅測量1、3、5、8這4個位置處的溫度，并計算出變溫率，用來研究這4個位置處的變溫率變化情況。

圖4 樣品劃分模型Fig.4 Sample division model

將E片進行熱穩(wěn)定試驗，因為用溫度槍測量溫度存在較大的誤差，為了減小誤差，本試驗采用通小電流10 mA的方法，每隔20 s停止熱穩(wěn)定試驗，同時測量4個點的溫度，停止通電，把電阻片卸下來測試靜態(tài)參數(shù)，待電阻片冷卻至室溫重復(fù)以上試驗，直至MOV鼓脹，觀察E、F片各個點的升高情況。試驗結(jié)果顯示樣品E、F的溫度變化和靜態(tài)參數(shù)變化相似，試驗數(shù)據(jù)過多，為了顯得更簡潔方便，以下拿樣品E作為試驗數(shù)據(jù)輸入。

圖5 4個測試位置處溫度以及變溫率變化趨勢Fig.5 Four test locations trends temperature and the temperature change rate

圖5中，溫度開始階段都會上升一大臺階，這是因為在電阻片通電前測的是室溫下的溫度，后面的溫度都是通電流加熱后電阻片的溫度，這是0-1階段溫度上升的原因；在1-10次測試次數(shù)階段，溫度基本保持不變，因為每次通的是小電流，通電時間相對較短，而且每次試驗通電時間相同，在氧化鋅壓敏電阻完好的狀態(tài)下，在自身的散熱功能作用下能維持溫度在一定范圍內(nèi)；在11-17測試次數(shù)階段，溫度出現(xiàn)明顯的上升，這是因為氧化鋅壓敏電阻開始出現(xiàn)劣化，電阻片內(nèi)的ZnO晶粒和晶體壁出現(xiàn)破損，電阻片的散熱功能開始下降，所以出現(xiàn)溫度升高；在試驗次數(shù)達到17之后的階段，溫度保持高溫不變，這是由試驗時間引起的，盡管此刻氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)開始劣化，甚至劣化到一定程度，而每次試驗結(jié)束后都是在電阻片冷卻至室溫再進行下一次試驗，在10 mA的電流下通電20 s，溫度上升到一定階段以后再也來不及上升。另外，1、3號兩個位置處的溫度上升明顯比5號位置處的幅度大，而8號位置處也比5號位置處小，在整個過程中，上升波動幅度不大，這也是因為部位1、3兩個位置是靠近電極部位，而8號位置是遠離電極的部位，也是電阻片的邊緣部位，所以溫度變化不大。

圖6 樣品E的靜態(tài)參數(shù)變化Fig.6 Static parameters sample E

圖6中，U1mA和I在整個試驗中都是上下波動不大，保持著原來的數(shù)值。因此，整個試驗中，當(dāng)變溫率出現(xiàn)變化時，壓敏電壓U1mA和漏電流I還沒出現(xiàn)明顯的變化，這就說明溫度變化是在U1mA和I之前先變化，也即變溫率比U1mA和I更能提前判斷氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)出現(xiàn)劣化。

4 結(jié)論

通過對氧化鋅壓敏電阻進行的沖擊老化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）在熱穩(wěn)定試驗下，隨著氧化鋅壓敏電阻的不斷劣化，氧化鋅壓敏電阻內(nèi)部晶體間的的雙肖恩特基勢壘結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致發(fā)熱加速和散熱性能降低，溫度上升迅速，變溫率大，而壓敏電壓和漏電流在變溫率出現(xiàn)變化前尚未出現(xiàn)明顯的變化。所以可以通過研究變溫率的大小判斷MOV老化劣化的程度。這就填補了由于U1mA和I的“拐點”效應(yīng)影響，而出現(xiàn)對已臨近失效的氧化鋅壓敏電阻仍做出合格判斷的缺陷。

2）根據(jù)熱穩(wěn)定老化實驗中，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，遠離電極的一端變溫率較小，且溫度變化是在U1mA和I之前先變化，也即變溫率比U1mA和I更提前的判斷氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)出現(xiàn)劣化。

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The Research and Application of ZnO Varistor Temperature Change Rate in the Deterioration

ZHANG Guoyou
（Chongqing Water Resoures and Electric Engineering College， Yongchuan 402160， China ）

At present，the degradation of ZnO varistor mainly detected through two parameters of the U1mAand I respectively.However， there is “effect of inflection point” of U1mAand I， unable to timely and effectively judge the degradation of ZnO varistor.Therefore，it is important to research a method to reflect the degradation degree of ZnO varistor.According to the thermal stability and aging mechanism of ZnO varistor，it is proposed that in the degradation of ZnO varistor will accompany the change of temperature.Through the thermal stability degradation test on ZnO varistor，the test analysis shows that the variable temperature area of ZnO varistor is the internal of valve plates，as the change of thermal resistance，the temperature of ZnO varistor is also changing.It is concluded that the change rate of temperature can be a value to judge the degradation of ZnO varistor.In conclusion，it will be better to combine the U1mAand I and the change rate of temperature to analyze the reasons of the degradation of ZnO varistor.

ZnO varistor； degradation； thermal stability； variable temperature area； the change rate of temperature

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.006

2015-12-25

張過有 （1985—），男，講師，注冊電氣工程師，主要研究方向：電氣自動化、電子信息技術(shù)。

重慶市科技計劃項目 （編號：2014B09100123）；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目 （編號：KJ1735450）。