壓敏電阻器工頻過電壓（TOV）特性

1  引言
    由于低壓供電系統(tǒng)中頻繁出現(xiàn)工頻過電壓，用于低壓供電系統(tǒng)中的氧化鋅壓敏電阻器，因不能耐受而發(fā)生失效甚至起火[4]。所以，對(duì)于采用氧化鋅壓敏電阻器的SPD以及單獨(dú)使用的氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓特性提出了明確的要求[4][6][8]。
    關(guān)于如何表征和試驗(yàn)SPD的工頻過電壓特性是有明確規(guī)定的[6][8]，而關(guān)于如何表征和試驗(yàn)氧化鋅壓敏電阻器的方法還沒有明確[9][10]。但在 SPD選用氧化鋅壓敏電阻器時(shí)和應(yīng)用氧化鋅壓敏電阻器時(shí)卻提出了TOV特性的要求。針對(duì)這一情況，行業(yè)中提出了很多方法來描述氧化鋅壓敏電阻器的TOV特 性，如TOV安秒值、最大熱平衡電壓、TOV熱脫扣特性等，還不能全面科學(xué)地說明氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，沒能達(dá)成共識(shí)。
本文針對(duì)氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性展開討論，提出表征氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性的方法，論述影響氧化鋅壓敏電阻器TOV特性的影響因素。

2  氧化鋅壓敏電阻器TOV特性的表征
    氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，就是在施加TOV的過程中氧化鋅壓敏電阻器表現(xiàn)出來的特性。在施加TOV的過程中，氧化鋅壓敏電阻器表現(xiàn)出的特性和可度量 的參數(shù)有很多，如TOV的幅值、耐受TOV的時(shí)間、耐受的最高溫升、溫升曲線和電流變化等，那么究競(jìng)用什么參數(shù)來表征產(chǎn)品的TOV特性呢？
2.1 TOV耐受時(shí)間特性是氧化鋅壓敏電阻器TOV特性最恰當(dāng)?shù)谋碚?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; " />     氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，其實(shí)質(zhì)就是氧化鋅壓敏電阻器耐受工頻過電壓的能力。氧化鋅壓敏電阻器能否在低壓系統(tǒng)中耐受工頻過電壓，關(guān)乎到用電系統(tǒng)的安 全，所以TOV特性是一個(gè)重要的安全特性。如果氧化鋅壓敏電阻器不能耐受工頻過電壓，一定會(huì)發(fā)生短路和擊穿失效，從而導(dǎo)致氧化鋅壓敏電阻器周邊過熱而著 火，甚者引起火災(zāi)[4]。只有氧化鋅壓敏電阻器能夠耐受系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓時(shí)，氧化鋅壓敏電阻器才不發(fā)生短路失效，用電系統(tǒng)才是安全的。
    既然TOV特性是耐受工頻過電壓的能力，要正確衡量和表征這一特性，就得從工頻過電壓說起。常見的工頻過電壓有單相接地過電壓、高低壓共地耦合轉(zhuǎn)移過電壓 和失零過電壓。工頻過電壓有兩個(gè)很重要的參數(shù)，就是幅值和持續(xù)時(shí)間，其幅值要高出正常工作電壓，持續(xù)時(shí)間大于瞬態(tài)過電壓的μS級(jí)，在數(shù)百ms至數(shù)s之間， 甚至更長(zhǎng)。
    氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓耐受能力，直接針對(duì)的是TOV本身，也就是耐受什么樣的TOV。這種能力當(dāng)然是與TOV的幅值與持續(xù)時(shí)間直接相關(guān)，最恰當(dāng)?shù)?度量就是TOV本身的特性。所以，TOV特性的表征應(yīng)是耐受的TOV幅值與耐受時(shí)間，也就是用TOV的幅值與耐受時(shí)間相對(duì)應(yīng)的關(guān)系來表征和度量。其實(shí)，同 樣作為過電壓保護(hù)的避雷器，對(duì)TOV特性就作出了這樣的表征， GB/T 11032-2000 《交流無間隙氧化物避雷器》[5]中所規(guī)定，“2.38 工頻電壓耐受時(shí)間特性：在規(guī)定條件下，給避雷器施加不同的工頻電壓，避雷器不損壞，不發(fā)生熱崩潰時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。”
    基于以上敘述， 借助SPD的相關(guān)規(guī)范[6][8]中對(duì)SPD的TOV特性的表征，“TOV耐受時(shí)間特性”是最恰當(dāng)表征和度量氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性的量。具體定義和度量方法如下：
    TOV耐受時(shí)間特性的定義：在規(guī)定條件下，給氧化鋅壓敏電阻器施加不同的工頻過電壓，氧化鋅壓敏電阻器不發(fā)生功能喪失時(shí)，或發(fā)生熱擊穿前所對(duì)應(yīng)的最大持續(xù)時(shí)間和工頻過電壓幅值之間的關(guān)系。
在 定義中，有兩種過電壓耐受模式，一種是“不發(fā)生功能喪失”的非破壞“耐受模式”，另一種是“發(fā)生熱擊穿”的破壞性“故障模式”。其中“耐受模式”是指經(jīng)受 過電壓后，氧化鋅壓敏電阻器仍然能夠維持滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能和性能，或其性能的降低在規(guī)定范圍內(nèi)的情況；“故障模式”是指經(jīng)受過電壓后，氧化鋅壓敏電阻器 最終會(huì)發(fā)生熱擊穿的情況。兩種模式可以由制造商聲明。
    TOV耐受時(shí)間特性的提供，可以是TOV幅值和對(duì)應(yīng)的耐受時(shí)間的一組數(shù)據(jù)，也可以是TOV幅值和耐受時(shí)間數(shù)據(jù)組構(gòu)成的伏秒曲線。當(dāng)然，其中的TOV幅值可以用絕對(duì)的或相對(duì)的表述。
2.2 TOV耐受安秒值不足以表示TOV特性
    TOV耐受安秒值是一個(gè)基于描述在TOV施加過程中，氧化鋅壓敏電阻器耐受能量能力的量?？隙ǖ卣f，提高在TOV其間產(chǎn)品能夠耐受的能量，產(chǎn)品的TOV耐受能力就可以提高，但用TOV耐受安秒值表示TOV特性，有它的不足。
    首先，氧化鋅壓敏電阻器在TOV的作用下，實(shí)際情況是直接耐受的確定幅值的TOV電壓，其過程中不變的是TOV電壓，而流過氧化鋅壓敏電阻器的電流不是 TOV的直接特性，對(duì)應(yīng)于同一幅值的TOV電壓的電流，因氧化鋅壓敏電阻器性能的不同而有很大差異，就是相同壓敏電壓時(shí)也不例外。這樣，對(duì)于TOV電流大 的產(chǎn)品來說，耐受同樣的時(shí)間就需要更大的能量，也就是TOV耐受安秒值，TOV電流小的產(chǎn)品則只需小的TOV耐受安秒值。這種情況下，對(duì)于同一幅值的 TOV來說，TOV耐受安秒值大卻不一定能耐受更長(zhǎng)的時(shí)間，TOV耐受特性有可能還差。
另 外，在同一幅值的TOV電壓作用下，即使兩個(gè)相同規(guī)格的甚至是相同壓敏電壓的氧化鋅壓敏電阻器，具有相同的TOV耐受安秒值，也就是有同樣的TOV耐受能 量，但TOV電壓施加期間因產(chǎn)品性能差異、電平衡和自熱半導(dǎo)體效應(yīng)，引起流過氧化鋅壓敏電阻器的電流發(fā)生變化，同樣的能量消耗會(huì)分配出不同的耐受時(shí)間。這 樣，同一TOV幅值下，相同的TOV耐受安秒值，卻獲得了不同的TOV耐受時(shí)間，出現(xiàn)TOV耐受特性的差異。
所以，在給定的TOV電壓幅值時(shí)，氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受安秒值，不能完全比較出產(chǎn)品的TOV耐受特性的好壞。
2.3 最大熱穩(wěn)定工頻電壓表示TOV特性是一個(gè)具體的表述
    最大熱穩(wěn)定工頻電壓，是氧化鋅壓敏電阻器能夠在45min之內(nèi)達(dá)到熱穩(wěn)定（10min之內(nèi)溫升小于2K）所容許施加的最大工頻電壓。這一特性基于氧化鋅壓 敏電阻器在施加TOV電壓時(shí)熱失控的失效機(jī)制，提出用不發(fā)生熱崩潰的前提下可以施加的最大工頻電壓，來表征產(chǎn)品的TOV耐受特性，是一個(gè)很好的作法。它直 接給出了可耐受45min而不發(fā)生熱崩潰時(shí)所能耐受的最高TOV幅值，故障模式、TOV幅值和對(duì)應(yīng)的耐受時(shí)間都有，給出了TOV耐受特性的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，是 一個(gè)直接的表達(dá)。提供的是一個(gè)故障模式的能力。
    當(dāng)然，這不是氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的全部。
    最大熱穩(wěn)定工頻電壓，作為一個(gè)氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的有效表征，操作簡(jiǎn)單，是研究中很實(shí)用的方法。
2.4  氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性支持SPD的TOV特性
    氧化鋅壓敏電阻器是一個(gè)簡(jiǎn)單的元件，而SPD是一個(gè)含有或不含有氧化鋅壓敏電阻器的一個(gè)器件，含有氧化鋅壓敏電阻器的SPD的TOV耐受特性，除了受氧化 鋅壓敏電阻器的影響外，還有其它部件的影響。不含有氧化鋅壓敏電阻器的SPD的TOV耐受特性，不受氧化鋅壓敏電阻器的影響。所以在TOV電壓施加過程 中，氧化鋅壓敏電阻器和SPD的表現(xiàn)是不一樣的，氧化鋅壓敏電阻器和SPD的TOV耐受特性不能等同，但只要SPD使用氧化鋅壓敏電阻器，氧化鋅壓敏電阻 器的TOV耐受特性就必須支持SPD的TOV耐受特性。
    在IEC 61643-1[8]中，對(duì)低壓配電系統(tǒng)中使用的SPD的TOV特性的規(guī)定，見“7.4高中壓系統(tǒng)中的故障過電壓試驗(yàn)”和“7.6低壓系統(tǒng)中的故障過電壓 試驗(yàn)”中，均規(guī)定了試驗(yàn)中的試驗(yàn)TOV電壓幅值和施加時(shí)間。這種規(guī)定對(duì)SPD的TOV耐受特性的描述，也可以說就是“TOV耐受時(shí)間特性”，與本文提出的 關(guān)于表征氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性采用了一樣的方法，這就為氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性滿足SPD的TOV特性提供了統(tǒng)一的方法。
    為了便于SPD設(shè)計(jì)，除了提供氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時(shí)間特性以外，還需要哪些相關(guān)數(shù)據(jù)呢？
對(duì)于“耐受模式”[8]，試驗(yàn)期間不是允許產(chǎn)品失效的，只要氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時(shí)間特性能滿足SPD的要求，則不再需要其它數(shù)據(jù)支撐SPD的設(shè)計(jì)。
    對(duì)于SPD的“故障模式”[8]，涉及到SPD的脫扣動(dòng)作，除了氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時(shí)間特性（可以是耐受模式或故障模式）滿足SPD的TOV耐 受特性要求，如果還需要利用TOV電壓施加期間，氧化鋅壓敏電阻器的溫度升高來脫扣，就還需氧化鋅壓敏電阻器在TOV電壓施加過程中溫度隨時(shí)間的升高曲 線。
3  氧化鋅壓敏電阻器的自身因素TOV特性
    氧化鋅壓敏電阻器自身性能的形成當(dāng)然是配方和工藝共同作用的效果，我們只討論已形成氧化鋅壓敏電阻器性能對(duì)TOV特性的影響，從而為提高氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性提供方向。
對(duì) 于同一規(guī)格的氧化鋅壓敏電阻器，其壓敏電壓不會(huì)是同一個(gè)值，總會(huì)有一定的離散分布。在同一幅值的TOV電壓施加時(shí)，壓敏電壓高的產(chǎn)品就會(huì)比壓敏電壓低的產(chǎn) 品負(fù)荷低，從而前者會(huì)表現(xiàn)出較長(zhǎng)的TOV耐受時(shí)間，前者的TOV耐受特性優(yōu)于后者。但壓敏電壓不是氧化鋅壓敏電阻器性能中影響TOV耐受特性的本質(zhì)。為了 從本質(zhì)上找出影響TOV特性的氧化鋅壓敏電阻器的自身因素，以下的討論是基于壓敏電壓相同的同一規(guī)格的氧化鋅壓敏電阻器，在同一幅值的TOV電壓作用下， 影響TOV耐受時(shí)間長(zhǎng)短的本質(zhì)因素。
可以耐受給定幅值的TOV電壓的時(shí)間赿長(zhǎng)，氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時(shí)間特性赿好，TOV耐受能力赿強(qiáng)。
(1) 要使耐受TOV電壓的時(shí)間長(zhǎng)而不發(fā)生損壞或不發(fā)生熱崩潰，則需要耐受更大的能量，所以提高氧化鋅壓敏電阻器可耐受的TOV能量，就能提高產(chǎn)品的TOV耐受 特性。產(chǎn)品可耐受的能量，與產(chǎn)品的均勻性和熱穩(wěn)定性相關(guān)，均勻性和熱穩(wěn)定性直接與配方和工藝過程相關(guān)，通過提高產(chǎn)品的均勻性和熱穩(wěn)定來提高其TOV耐受特 性是可行的。
(2) 要使耐受的TOV電壓的時(shí)間長(zhǎng)，就必須將能量消耗拉長(zhǎng)，溫升減慢，這就需要通過降低TOV電壓施加后流過的電流來降低TOV功耗，也就是要求氧化鋅壓敏電 阻器在TOV工作區(qū)具有合適的伏安特性和伏安特性溫度特性。對(duì)應(yīng)于TOV電壓時(shí)流過氧化鋅壓敏電阻器的電流赿小，功率就赿小；TOV工作區(qū)的電壓溫度系數(shù) 正或負(fù)的很小，也就是電流溫度系數(shù)為負(fù)或正的很小，隨著TOV電壓施加時(shí)溫度的升高流過的電流向小變化或變大趨勢(shì)小，功率變小或變大很小，這均會(huì)提高 TOV耐受時(shí)間，從而提高TOV耐受特性，合適的伏安特性需要相應(yīng)的配方和工藝來實(shí)現(xiàn)。
所以，就氧化鋅壓敏電阻器自身來說，均勻性、熱穩(wěn)定性、TOV工作區(qū)的伏安特性和伏安特性的溫度特性影響TOV耐受特性。

圖1  沖擊前后伏安特性的變化

4  相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)TOV特性影響因素的討論
4.1 熱處理對(duì)氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受性能的影響
文獻(xiàn)[2]討論熱處理對(duì)氧化鋅壓敏電阻器工頻過電壓耐受特性。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，施加85%U1mA的工頻交流電壓時(shí)，隨著熱處理溫度的提高和時(shí)間的加長(zhǎng)，其初始電流增大，耐受時(shí)間減小，TOV特性變差，其觀點(diǎn)認(rèn)為熱處理會(huì)使TOV耐受特性變差。
其實(shí)，正如前文所述，文獻(xiàn)[2]中熱處理改變了產(chǎn)品TOV電壓工作區(qū)的伏安特性，伏安特性曲線向電壓增大的方向移動(dòng)，使得對(duì)應(yīng)TOV電壓的電流增大，從而使耐受時(shí)間變短，TOV特性變差。
4.2 限制電壓對(duì)TOV耐受特性的影響
文獻(xiàn)[1]討論氧化鋅壓敏電阻器的限制電壓與工頻過電壓耐受性能的關(guān)系。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)指出，壓敏電壓同為556V的14Φ產(chǎn)品，施加最大允許交流工作電壓1.25倍的過電壓，不同限制電壓的產(chǎn)品呈現(xiàn)不同的耐受時(shí)間，限制電壓大則耐受時(shí)間長(zhǎng)，TOV特性好。
實(shí) 際上，試驗(yàn)中過電壓工作點(diǎn)的氧化鋅壓敏電阻器流過的電流也就是數(shù)10mA，而測(cè)試限制電壓時(shí)的電流則在50A，限制電壓大對(duì)應(yīng)的大電阻值只是50A時(shí)的 值，不能直接表示數(shù)10mA時(shí)的電阻值。而是由于氧化鋅壓敏電阻器伏安特性的連續(xù)性趨勢(shì)，根據(jù)50A時(shí)大限制電壓可以推知數(shù)10mA的電壓也大而獲得大電 阻。其實(shí)質(zhì)是大限制電壓的產(chǎn)品的伏安特性曲線向高電壓偏移，同樣的TOV電壓時(shí)大限制電壓產(chǎn)品顯示出大的電阻值，功率小而TOV耐受特性好。
4.3 8/20μs脈沖沖擊處理對(duì)TOV特性的影響
文獻(xiàn)[3]和[7]討論了8/20μs脈沖沖擊處理對(duì)TOV特性的影響。文中指出，8/20μs脈沖沖擊處理后氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性提高了。
這同樣是因?yàn)?/20μs脈沖沖擊處理后改變了產(chǎn)品的伏安特性，使得TOV電壓工作區(qū)的曲線向高電壓偏移，降低了工作功率，提高了TOV耐受時(shí)間。
表1是14D681產(chǎn)品不同沖擊強(qiáng)度后VI特性變化的數(shù)據(jù)。圖1是VI特性變化的示意圖，其中顯見，沖擊確實(shí)改變了伏安特性曲線，使1mA以下的區(qū)間電壓變?。ㄗ柚底冃。?mA以上的區(qū)間電壓變大（阻值變大）。這也是沖擊能提高TOV特性的原因。
規(guī) 定TOV絕對(duì)幅值時(shí)，沖擊引起一個(gè)工作點(diǎn)的TOV特性變好，并不能說明在所有TOV電壓工作區(qū)段均可以提高TOV耐受特性。可以從表1和圖1看出，在較低 工作點(diǎn)附近沖擊引起氧化鋅壓敏電阻器電壓下降電阻值降低，如果TOV工作點(diǎn)在此則會(huì)產(chǎn)生大的工作電流而加大功率，導(dǎo)致TOV耐受特性下降；而在再大一點(diǎn)的 工作點(diǎn)，則有可能因沖擊引起氧化鋅壓敏電阻器電壓升高電阻增大，導(dǎo)致TOV耐受特性的下降。而通常沖擊會(huì)引起小于1mA的工作區(qū)電壓降低，加電時(shí)功率變 大，從而也能解釋沖擊會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)壽命降低。
對(duì) 于以壓敏電壓的比例給出的TOV電壓幅值，從圖1可以看出，沖擊總會(huì)引起伏安特性的非線性變差，所以施加相對(duì)幅值的TOV電壓時(shí)，總能獲得變小的電流值， 減小功率而提高TOV耐受特性。但隨著沖擊強(qiáng)度的加大，對(duì)壓敏電阻結(jié)構(gòu)的損壞會(huì)嚴(yán)重降低均勻性和熱穩(wěn)定性，使其能量吸收能力變得很低。當(dāng)這一因素起決定作 用時(shí)，沖擊就會(huì)降低TOV耐受特性，這也與文獻(xiàn)中的結(jié)果相符。
5  結(jié)論
通過以上討論，得出以下結(jié)論：
⑴ 氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性最好的表征就是TOV耐受時(shí)間特性；
⑵ TOV耐受時(shí)間特性和氧化鋅壓敏電阻器的TOV能量耐受能力、TOV工作區(qū)的伏安特性以及伏安特性的溫度特性相關(guān)；
③ 氧化鋅壓敏電阻器良好的均勻性和熱穩(wěn)定性能，通過提高能量耐受能力而提高TOV耐受特性；
⑷ 氧化鋅壓敏電阻器在TOV工作區(qū)的非線性差，可以使對(duì)應(yīng)TOV電壓幅值的電流變小，從而降低功率，延長(zhǎng)耐受時(shí)間，獲得好的TOV耐受特性。通過限制電壓大小和（0.1～1）mA時(shí)的非線性高低，可以推知TOV工作區(qū)有非線性指數(shù)的高低，但不能等同；
⑸ TOV工作區(qū)正的電壓溫度系數(shù)或不太大的負(fù)電壓溫度系數(shù)可以獲得良好的TOV耐受特性。
參考文獻(xiàn)
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