张过有

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 永川402160）

氧化锌压敏电阻劣化过程中变温率的研究及应用

张过有

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 永川402160）

针对目前主要通过压敏电压U1mA和漏电流I两个参数来检测氧化锌压敏电阻的劣化程度，然而因为U1mA和I存在 “拐点效应”，无法及时有效地判断氧化锌压敏电阻的劣化程度。因此研究一种能反映氧化锌压敏电阻劣化程度的方法尤为重要。根据氧化锌压敏电阻的热稳定性和老化机理，提出氧化锌压敏电阻劣化过程中会伴随着温度的变化。通过对氧化锌压敏电阻进行热稳定劣化试验，试验分析发现：氧化锌压敏电阻的变温区域为阀片内部，随着热阻的变化，氧化锌压敏电阻的温度也发生变化。得出变温率可以作为一个考量氧化锌压敏电阻劣化程度的量，同时，结合U1mA、I两个参数可以更好地分析氧化锌压敏电阻内部劣化的原因。

氧化锌压敏电阻；劣化；热稳定；变温区域；变温率

0 引言

氧化锌压敏电阻具有优异的非线性特性，因此在低压电源系统及信息系统中，氧化锌压敏电阻常被用来对系统进行电涌保护[1]。氧化锌压敏电阻具有很强的恢复能力，在遭受电涌冲击后，其电气性能可以很快恢复到初始状态。然而，在长期的工作运行过程中，由于经常受到外界应力的冲击影响，例如电应力、热应力及机械应力，压敏电阻会出现劣化和老化现象，其性能出现很大程度的下降，压敏电阻电涌防护能力的下降会影响其正常的使用。目前主要通过检测U1mA和I两个参数来判断氧化锌压敏电阻的劣化程度，而 U1mA和 I都存在“拐点效应”[2－3]。即只有当氧化锌压敏电阻劣化到一定程度后，压敏电压U1mA和漏电流I才出现显著的变化。而在这个 “拐点”值之前，U1mA和I都符合FB188021—2002中所规定的参数范围要求，这就给检测结果带来不确定性。例如某个产品自身已经劣化到一定程度，甚至完全损坏，已经不能正常保护系统，但检测值压敏电压U1mA和漏电流I仍然合格。此时就需要一种来分析氧化锌压敏电阻老化程度的方法。

笔者通过冲击试验以及模拟各种劣化试验，并在劣化过程中，测试漏电流、压敏电压以及变温率各参数，提出新的用变温率衡量氧化锌压敏电阻劣化程度的方法，结合压敏电压、漏电流和变温率3个参数来判断氧化锌压敏电阻的劣化程度和分析其内部劣化的原因。

1 氧化锌压敏电阻简介

ZnO压敏电阻主要应用于低压配电系统的后续雷击防护中，其导电机理与其他二极管元件相似，导通速度很快，理论仿真响应时间可达1ns，在实际响应时间，受电感等因素的影响，为50～100 ns或者更多。它的基本电气特性是如图1所示的全电压－电流（U－I）特性。当电压值低于击穿电压时，压敏电阻片接近于绝缘体；当电压值高于击穿电压时，压敏电阻片就成为导体。它最有利于雷电浪涌防护的电气性能就是导电状态下的高非线性伏安特性和稳态工作电压下的小漏电流[4－6]。

图1 ZnO压敏电阻的全电压－电流（U-I）特性Fig.1 ZnO varistors full voltage－current（UI） properties

2 静态参数以及冲击老化实验

选择同一厂家生产的同一型号同尺寸的氧化锌压敏电阻产品若干，试品型号为MYL5E4S621，选出完好的7片，其主要参数:最大运行电压Uc=395 V，标称放电电流In=30 kA，最大放电电流In=60 kA，电压保护水平Up=2.0 kV。冲击设备:SJTU－ICG－150冲击电流发生器。测试静态参数的仪器为多功能电涌保护器测试仪 I－3162。测温仪器：CHEERMANDT320红外测温枪。实验样品的静态特性参数见表1。

表1 样品静态特性参数Table 1 Sample static characteristic parameters

表1中T为试品在室温下的温度，U1mA为压敏电阻通过1 mA直流电流时其两端的电压，I为在小于参考电压（如0.75 U1mA）的低电压作用下，压敏电阻中流过的电流，In为标称放电电流，Imax为最大放电电流。

试验要求：启动电压基本一致的前提下，漏电流越小，V－I特性越好[7]。通过测试静态参数，发现漏电流都比较小，而且符合试验要求标准，因为本次试验采用的都是新的电阻片，所以压敏电阻以及漏电流都满足试验要求，即电阻片都是没劣化的，可以用来完成本次试验。

冲击老化试验采用同一厂家同一型号的压敏电阻片，取上述的A和B片做试验。利用8/20 μs波形对MOV进行老化冲击，通常老化试验是对压敏片进行标称电流冲击，所以A和B的冲击电流幅值分别为30 kA和35 kA，每个30 min冲击一次，冷却至室温后测试，测量结果显示，2片压敏电阻片劣化参数变化相似，选其中的一片试品分析压敏电压和漏电流变化，见图2和图3。

图2 8/20 μs波形下老化前后压敏电压变化规律Fig.2 Varistor voltage variation 8/20 μs waveforms before and after aging

图3 8/20 μs波形下老化前后漏电流变化规律Fig.3 8/20 μs waveform lower leakage current variation before and after aging

由图2和图3可看出，压敏电压U1mA开始阶段会出现先增大后减小的现象，但增大和减小的幅值都很小。当冲击到一定次数时，压敏电压U1mA急剧下降，而漏电流I迅速上升，说明此刻的压敏电阻片已经劣化到一定程度，甚至完全损坏。在压敏电阻和漏电流出现明显变化的点我们称之为“拐点”，从图中可看出，该电阻片存在“拐点”，而在“拐点”之前，即在其变化幅值出现显著变化前，氧化锌压敏电阻就已经开始劣化，只是压敏电压U1mA和漏电流I仍然符合FB188021—2002中所规定的参数范围标准值，即从压敏电压和漏电流的参数上是无法辨别氧化锌压敏电阻什么时候开始出现劣化，也就是说，氧化锌压敏电阻的劣化是一个累积过程而不是某一次冲击而导致的，氧化锌压敏电阻一直处在劣化过程中，只是压敏电阻U1mA和漏电流I不能及时作出有效地判断。所以我们就需要一个新的测试参数来考量氧化锌压敏电阻的劣化程度。

3 通电相同时间下变温率的研究

为了详细了解电阻片各部位发热情况，取压敏电阻片E，氧化锌压敏电阻片划分为9个测量点，见图4。笔者为了研究方便，仅测量1、3、5、8这4个位置处的温度，并计算出变温率，用来研究这4个位置处的变温率变化情况。

图4 样品划分模型Fig.4 Sample division model

将E片进行热稳定试验，因为用温度枪测量温度存在较大的误差，为了减小误差，本试验采用通小电流10 mA的方法，每隔20 s停止热稳定试验，同时测量4个点的温度，停止通电，把电阻片卸下来测试静态参数，待电阻片冷却至室温重复以上试验，直至MOV鼓胀，观察E、F片各个点的升高情况。试验结果显示样品E、F的温度变化和静态参数变化相似，试验数据过多，为了显得更简洁方便，以下拿样品E作为试验数据输入。

图5 4个测试位置处温度以及变温率变化趋势Fig.5 Four test locations trends temperature and the temperature change rate

图5中，温度开始阶段都会上升一大台阶，这是因为在电阻片通电前测的是室温下的温度，后面的温度都是通电流加热后电阻片的温度，这是0-1阶段温度上升的原因；在1-10次测试次数阶段，温度基本保持不变，因为每次通的是小电流，通电时间相对较短，而且每次试验通电时间相同，在氧化锌压敏电阻完好的状态下，在自身的散热功能作用下能维持温度在一定范围内；在11-17测试次数阶段，温度出现明显的上升，这是因为氧化锌压敏电阻开始出现劣化，电阻片内的ZnO晶粒和晶体壁出现破损，电阻片的散热功能开始下降，所以出现温度升高；在试验次数达到17之后的阶段，温度保持高温不变，这是由试验时间引起的，尽管此刻氧化锌压敏电阻已经开始劣化，甚至劣化到一定程度，而每次试验结束后都是在电阻片冷却至室温再进行下一次试验，在10 mA的电流下通电20 s，温度上升到一定阶段以后再也来不及上升。另外，1、3号两个位置处的温度上升明显比5号位置处的幅度大，而8号位置处也比5号位置处小，在整个过程中，上升波动幅度不大，这也是因为部位1、3两个位置是靠近电极部位，而8号位置是远离电极的部位，也是电阻片的边缘部位，所以温度变化不大。

图6 样品E的静态参数变化Fig.6 Static parameters sample E

图6中，U1mA和I在整个试验中都是上下波动不大，保持着原来的数值。因此，整个试验中，当变温率出现变化时，压敏电压U1mA和漏电流I还没出现明显的变化，这就说明温度变化是在U1mA和I之前先变化，也即变温率比U1mA和I更能提前判断氧化锌压敏电阻已经出现劣化。

4 结论

通过对氧化锌压敏电阻进行的冲击老化试验以及在各种老化劣化条件下压敏电压U1mA、漏电流I和变温率的变化不同，总结分析可以得出以下的结论：

1）在热稳定试验下，随着氧化锌压敏电阻的不断劣化，氧化锌压敏电阻内部晶体间的的双肖恩特基势垒结构被破坏，导致发热加速和散热性能降低，温度上升迅速，变温率大，而压敏电压和漏电流在变温率出现变化前尚未出现明显的变化。所以可以通过研究变温率的大小判断MOV老化劣化的程度。这就填补了由于U1mA和I的“拐点”效应影响，而出现对已临近失效的氧化锌压敏电阻仍做出合格判断的缺陷。

2）根据热稳定老化实验中，用温度变化来反映电流流向，阀片表面各部位变温率不同：靠近电极的变温率较大，远离电极的一端变温率较小，且温度变化是在U1mA和I之前先变化，也即变温率比U1mA和I更提前的判断氧化锌压敏电阻已经出现劣化。

[1]颜湘莲，文远芳，易小羽.MOV避雷器检测技术的分析与研究[J].电瓷避雷器，2002（2）：37-39.YAN Xianglian，WEN Yuanfang，YI Xiaoyu.Study and analysis on detecting techningue of MOV[J].Insulators and Surge Arresters，2002（2）：37-39.

[2]DRABKIN M M.Surge protection of low-voltage AC power by MOV-based SPDs[C]//10th International Conference on Har-monks and Quality of Power，Rio de Janeiro，Braal；[s.n.]2002：13-16.

[3]方义治.配网中MOA承受操作过电压的分析[J].高电压技术，2002，28（4）：45-46.FANG Yizhi.The analysis of overvoltage on MOV[J].High Voltage Engineering，2002，28（4）：45-46.

[4]杜志航，孙涌，汪计昌，等.压敏电阻在配合使用时的老化和失效分析[J].电瓷避雷器，2009（6）：31-34.DU Zhihang，SUN Chong，WANG Jichang，et al.Analysis on the aging and failure of MOV used in coordinated service[J].Insulators and Surge Arresters，2009（6）：31-34.

[5]杨仲江，陈琳，孙涌.雷电冲击试验中的压敏电阻性能[J].南京信息工程大学学报，2010（4）：353-356.YANG Zhongjiang，CHEN Lin，SUN Chong.Performance of MOV in impulsive test[J].Journal of Nanjing University of Information Science&Technology，2010（4）：353-356.

[6]禹争光.氧化锌压敏电阻电输运特性及大通流器件设计研究[D].成都：电子科技大学，2005.

[7]陈新岗，李凡，桑建平.氧化锌压敏陶瓷伏安特性的微观解析[J].高电压技术，2007，33（4）：33-37.CHEN Xingang，LIFan，SANG Jianping.Microcosmic analysis of U-I characteristic of ZnO pressure-sensitive ceramics[J].High Voltage Engineering，2007，33（4）：33-37.

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

张过有 （1985—），男，讲师，注册电气工程师，主要研究方向：电气自动化、电子信息技术。

重庆市科技计划项目 （编号：2014B09100123）；重庆市教委科学技术研究项目 （编号：KJ1735450）。