浅析浪涌保护器中压敏电阻的失效保护

毛声道

摘 要：该文主要介绍压敏电阻在浪涌保护器中的工作原理，压敏电阻实际使用时的失效原因与失效模式，以及相应的失效保护方法。

关键词：压敏电阻 浪涌保护器 失效模式

中图分类号：T64M 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0089-02

压敏电阻是浪涌保护器的一种非线性限压器件，最常用的是氧化锌（ZnO）压敏电阻。压敏电阻利用其非线性的伏安特性，把窜入电力、电信传输线路的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，以保护耐压水平较低的电气设备或系统不受冲击而损坏。

在实际使用中，压敏电阻会受到安装环境或电流冲击而逐渐老化失效，使被保护设备处于保护缺失状态，极易造成短路等电力事故。因此，有必要采取一定的失效保护方法，确保浪涌保护器和被保护设备的安全运行。

1 浪涌保护器中压敏电阻的工作原理

压敏电阻是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，通常并联于被保护电器的输入端。在正常电压条件下，压敏电阻的阻抗很高，漏电流很小，可以看作开路，对电路几乎没有影响。压敏电阻会在电路出现过电压时内阻急剧下降并迅速导通，它的流通电流可增加几个数量级，同时将过电压箝位在一定数值，有效地保护电路中的其他设备不致因过电压而损坏。

如图1所示，分压器由压敏电阻的阻抗Zv与电路总阻抗Zs（包括浪涌源阻抗）构成，当电路出现过电压Vs时，压敏电阻的限制电压为V=VsZv/（Zs+Zv），Zv的阻值可以从正常时的兆欧级急剧下降到几欧姆，甚至毫欧级。Zv在瞬间流过很大的电流，过电压大部分降落在Zs上，用电器两端的电压V则被限制在较低水平，从而保护用电器免受过电压的危害。过电压结束后，压敏电阻又迅速、自动恢复到高阻抗状态。

2 压敏电阻的失效

压敏电阻经过长期运行和多次电涌作用后，会出现性能下降，甚至失效的情况，它的失效模式主要有两种：开路模式和短路模式。

2.1 开路模式

当压敏电阻中流过远超过其承受范围的浪涌电流时，压敏电阻会发生炸裂，呈现开路状态。这种模式不会引起燃烧现象，影响相对较小。

2.2 短路模式

短路模式比较常见，影响较大，甚至会引发火灾，主要包括两种类型，即老化失效和暂态过电压破坏。

2.2.1 老化失效

在带电情况下，经过多次反复的浪涌电压冲击，压敏电阻会出现劣化现象，其閥值电压会降低，低阻性则逐步加剧，进而导致持续漏电流的产生。随着漏电流的恶性增加，并且集中注入压敏电阻内部的薄弱部位，该部位的材料就会逐渐融化，最终形成1000欧左右的短路孔，一旦有较大的电流灌入短路点，就会导致压敏电阻的热崩溃击穿，压敏电阻劣化失效后变成永久导通状态，无法切断回路电流，此时压敏电阻本体温度将持续升高，甚至产生火灾危险。研究表明，若压敏电阻在制造时就存在缺陷的话，就很可能出现早期失效的情况，此时，即便电冲击强度不大，但用不了多次也会很快老化，使老化失效提早出现。

2.2.2 暂态过电压破坏

电路中有时会出现高于压敏电阻最大连续运行电压的暂态过电压，这类过电压虽然幅值不高，但持续时间较电涌（瞬态过电压）长得多，可达几秒甚至更长，而目前的MOV制造水平，是不能承受的。较强的暂态过电压能够加快压敏电阻的劣化速度，一旦电阻体穿孔，就会导致更大电流的产生，最终引发高热起火。该过程可以在较短时间内发生，出现此情况时，电阻体上设置的热熔接点往往来不及熔断。在三相电源保护中，N-PE线之间的压敏电阻器烧坏起火通常都属于这种情况，且出现事故的概率是比较高的。

总的来说，短路失效模式造成的损失比较大。瞬间的高热会将压敏电阻的包封材料炭化，迅速的膨胀将炭化料喷溅至周边器件与电路板上，造成拉弧现象。高热引起的持续自燃，也将对整个应用系统造成不可恢复的破坏。

3 失效保护方法

为提高压敏电阻在浪涌保护器中使用的安全性，在压敏电阻的设计和使用过程中，需要采取一定的保护措施，确保失效的压敏电阻及时脱离被保护电路，尽可能避免火灾等事故的发生。目前比较成熟的保护方法有以下几种。

3.1 压敏电阻串联温度保险管

可以紧密连接的方式在压敏电阻上串联一个温度保险管，但需要保证两者两者有良好的热耦合。当压敏电阻失效（短路）时，它所产生的热量会传递给温度保险管，温度保险管随之熔断，从而使失效的压敏电阻与电路分离，这样就确保了设备的安全，如图2（a）所示。现在已有压敏电阻生产厂商制造出温度保险管内置的压敏电阻器件，如图2（b）所示，这种器件由于热熔保险与压敏电阻封装在一起，温度感应更快，保护效果更好。

3.2 电源中串联感抗元件

要想避免大电流对压敏电阻的冲击，可以将大的感抗元件串联在电源回路中，这样一来，电流突变的现象就不会发生了，可有效避免暂态过电流对压敏电阻的冲击，从而防止压敏电阻的失效。

3.3 压敏电阻串联使用

在持续工作电压较高的情况下，可将多个压敏电阻串联使用。比如将两只直径相同，且通流量相同的压敏电阻串联后，两者的压敏电压、持续工作电压和限制电压会叠加在一起，但通流量是不变的。高压电力避雷器往往要求持续工作电压高达千伏，甚至数万伏，这种情况，就是将多个压敏电阻阀串联使用以保证期安全使用。

3.4 压敏电阻并联使用

遇到一个压敏电阻满足不了标称放电要求的情况，要想获得更大的通流量，可将多个压敏电阻并联使用。如果为了降低限制电压，减小电阻的电流密度，在标称放电电流满足要求的情况下，也采用多个压敏电阻并联。该方法可以较为有效地解决暂态过电压破坏问题。

要特别注意的是，压敏电阻并联使用时，必须挑选参数一致的（例如：ΔU1mA≤3V，Δα≤3）电阻片进行配对，以保证电流在各电阻片之间均匀分配。

3.5 压敏电阻与气体放电器件串联使用

压敏电阻可以与气体放电管、空气隙、微放电间隙等气体放电器件相串联，要保证串联组合的正常工作，需满足两个基本条件。

（1）系统电压上限值应低于气体放电器件G的直流击穿电压；（2）G点火后在系统电压上限值下，压敏电阻MY中的电流应小于G的电弧维持电流，以保证G的熄弧。

在电路正常工作时，这种组合方式下，气体放电管不导通，压敏电阻没有漏电流，其使用寿命会得到大大延长。当受浪涌冲击时，气体放电管首先击穿，然后压敏电阻会对浪涌电压加以限制，总的残压为两者之和；冲击过去后，由于压敏电阻限制了电流，放电管会因而不能维持导通而熄弧，此时恢复为正常工作状态；当压敏电阻短路失效后，虽气体放电管因流过很大的工频电流也会很快失效，但它的失效模式绝大多数是开路，不易引起火灾。因此，这种串联组合方式安全性好，具有漏电流小等特点。

3.6 压敏电阻失效报警

压敏电阻失效后，浪涌保护器就失去了保护功能。如果不能及时更换新的压敏电阻，电子设备就处于保护缺失状态，还有可能造成系统损坏。高端的浪涌保护器配有压敏电阻保护装置，失效时进行失效保护和报警，使用户及时知道并更换损坏的压敏电阻模块。

压敏电阻的失效报警的实现，通常是在浪涌保护器上增设一个报警指示窗口，当压敏电阻的漏电增大到预定值时，报警指示灯亮起，提醒值班人员压敏电阻失效并及时更换。有些浪涌保护器还有专门的报警信号输出端口，以便连接外部报警装置。

4 结语

鉴于压敏电阻使用寿命较短、容易失效的特点，在设计和使用过程中，需要尽可能地采取一定的失效保护措施，防止火灾等意外的发生，以便更好地发挥浪涌保护器的各项保护功能。

参考文献

[1] 孙丹峰，季幼章.氧化锌压敏电阻的老化机理[C]//中国电子学会敏感技术分会第十五届电压敏学术年会论文专刊.2008.

[2] 叶蜚誉.电涌保护技术讲座[J].低压电器，2004（2）：54-57.