金属氧化物（MOV）在交直流热稳定实验中静态参数的变化

周 艺，于 毅，孙倩倩，董 涛，姜习斌

（威海市气象局，山东 威海 264200）



金属氧化物（MOV）在交直流热稳定实验中静态参数的变化

周 艺，于 毅，孙倩倩，董 涛，姜习斌

（威海市气象局，山东 威海 264200）

摘要：针对金属氧化物（MOV）在交直流热稳定实验中静态参数变化的问题，基于肖特基势垒、线性链老化理论，利用热稳定试验箱以及压敏电阻直流参数仪，研究了金属氧化物在交直流热稳定实验压敏电压、非线性系数α及温度的变化特征。研究表明，MOV在工频电流作用下，稳定性会受到很大影响，甚至会影响其抗雷电能力；MOV在交直流作用下，其微观晶胞结构会发生重组，从而改变其电学特性；MOV在施加间歇性交流电时，随着实验次数的增多，也会发生老化，表现为温升更快，动态电阻降低速度更快。

关键词：金属氧化物；压敏电阻；非线性系数；温度

引言

随着中国防雷减灾事业的不断发展，电涌保护器（SPD）安全问题越来越受到重视。MOV型电涌保护器的非线性性质、残压限制水平等参数在现代防雷电电涌研究中受到了国内外研究人员大量关注[1]。目前国内有很多学者对电涌保护器耐受能力以及劣化前后静态参数的变化进行了分析。杨仲江等[2]利用热稳定试验箱以及压敏电阻直流参数仪，对限压型SPD的耐受能力进行了研究，研究发现MOV在交直流电压下的耐受能力与热容量和散热能力有关。张欣等[3]建立了MOV芯片的瞬态热阻抗模型，对片径和热熔穿电流对MOV瞬时散热能力进行了研究，结果表明，MOV散热能力与片径与电流的大小有一定的关系。应达等[4]根据压敏电阻伏安特性以及双肖特基势垒理论，研究了工频电压对压敏电阻的影响，发现了电源型SPD的瞬态过电压与电压梯度有关，还与通流容量、能量耐受密度等有关。张欣等[5]利用工频电压耐受下的氧化锌压敏电阻冲击老化试验，研究了不同冲击电压作用下氧化锌压敏电阻老化情况。国内还有一些学者[6-10]采用静态参数来判定压敏电阻劣化程度。

根据氧化锌压敏电阻伏安特征以及肖特基势垒、线性链老化理论，利用热稳定试验箱以及压敏电阻直流参数仪，研究了金属氧化物在交直流热稳定实验压敏电压、非线性系数α及温度的变化特征。

1 实验原理

1.1 肖特基势垒理论

在老化的初期，以正偏势垒中电子的大量注入以及势垒的增高为主，此时的晶界层并未遭受破坏。然而由于电场的持续作用，晶界处的陷阱注满，仍有电子缓慢地往陷阱流入导致势垒发生畸变，从而导致势垒高度的降低，电子受热激发越过势垒所需要的能量也逐渐降低。此时的晶界层已逐渐开始遭到破坏，ZnO晶粒的稳定性也明显下降。

1.2 线性链老化理论

ZnO 压敏电阻的显微结构是由晶粒和包裹晶粒形成不连续网络的晶界所组成，等效电路可以视为线性晶粒电阻RG和可变晶界电阻RZNR串联， 随着势垒高度的降低， 晶界电压也降低，电流产生的高温加快了氧气沿晶格的扩散，使得聚积在晶界处的锌离子与氧离子发生反应生成中性的ZnO晶格，ZnO晶格在性能上是稳定的，形成不可恢复的线性晶界。

2 实验方法

选取某厂家同样规格（32D，561K，10KA）的ZnO压敏电阻阀片4片（即圆片直径为32mm，能够承受10kA的8/20us脉冲的冲击，按照IEC62305规定，其压敏电压在561V±10％，漏流在20uA之内），测试其初始静态参数压敏电压U1mA，非线性系数α，泄漏电流Iie，并标记。

对1号片持续施加2分钟20mA的直流电（20mA电流为IEC62305规定的热稳定实验的标准电流值），结束后待其冷却，测试其各静态参数，之后重复此操作直至阀片受损（即静态参数超过规定或阀片发生破裂）或实验重复次数达到40次。同样，对2号片持续施加4分钟20mA的直流电，结束后待其冷却，测试其各静态参数，之后重复此行为直至阀片受损或实验重复次数达到40次。对3号片持续施加2分钟20mA的交流电，结束后待其冷却，测试其各静态参数，之后重复此操作直至阀片受损或实验重复次数达到40次。最后对4号片持续施加4分钟20mA的交流电，在其中60s，120s，180s，240s记录阀片温度和电压，结束后待其冷却，测试其各静态参数，之后重复此操作直至阀片受损或实验重复次数达到40次。

实验结束后，对数据进行比较和分析。

3 实验结果与分析

图1为各实验样片的压敏电压U1mA随实验次数的变化关系曲线。从图中可以明显看出以下几个特点：

图1　4个实验样片的压敏电压U1mA随实验次数的变化关系曲线

（1）在首次实验之后，各样品的压敏电压有明显的较大幅度的提升，其中1号阀片压敏电压由初始的562.2 V变为569.3 V，2号阀片从初始的564.1 V变为572.3 V，3号阀片由初始的561.8 V变为568.5 V，4号阀片由初始的558.8 V变为565.4V。这说明新样品在经受过交直流实验后电性发生明显变化，哪怕通电时间很短。同时也说明了工频电流的热积累对于阀片有巨大影响，可能影响其对雷电流的限压能力。

（2）在实验过程中，各样品压敏电压都处于上升随后稳定的趋势，1号阀片压敏电压后期存在一定的下降，这种变化趋势与冲击实验类似，说明了在冲击老化实验中的双肖特基势垒理论亦适用于此实验的研究。

（3）在实验中，2号阀片在第13次重复实验中发生绝缘层破裂，这说明即使在散热很好的情况下长期的工频电流也会对阀片性能造成影响。各种杂散电流会致使阀片内部晶胞界面受损，稳定性降低，从而造成绝缘层破裂，给被保护设备带来潜在的安全隐患。

图2为4个实验样片的非线性系数α随实验次数的变化关系曲线。从图中可以，同一样片在施加同种程度的电流后，非线性系数趋于某一稳定值。如1号阀片趋于64.4，接近于初始值64.7；2号阀片趋近于66.2，比初始值65.1略高；3号阀片趋于48，比初始值54.5明显偏小；4号阀片趋近于56，也比初始值62.9明显偏小。

图2　4个实验样片的非线性系数α随实验次数的变化关系曲线

表1为第4号实验样片首次实验时各时刻点的温度以及端子间电压，表2为第4号样片末次实验时各时刻点的温度以及端子间电压，根据表中数据可以得到以下信息：

（1）在常规的热稳定实验中，在初始阶段，阀片的温升较快，如表1中前60s，阀片温度分别由23.5℃上升至63.2℃，23.4℃上升至75.6℃；在后期，温度上升缓慢，如表1中180s～240s，阀片温度分别由113.7℃上升至132.7℃，122.2℃上升至138.4℃。说明在实验初期，主要以阀片的吸热过程为主；而在后期，由于环境温差较大，阀片开始大幅度散热。同时，从表1，表2中可以看出，在交流电的持续作用下，阀片的稳定性下降，尤其是散热能力下降很多。

表1　第4号样片首次实验时各时刻点的温度以及端子间电压

表2　第4号样片末次实验时各时刻点的温度以及端子间电压

（2）在首末两次实验中，阀片两端的电压减小速率的变化不大但略有提高，这说明在实验过程中仍然伴随有缓慢的老化和离子迁移，然而其老化速度相对于常规的热稳定实验是很慢的，这也充分说明了及时散热对于延长MOV阀片寿命具有重要作用。在交流电产生的电场作用下，经过多次实验的阀片内部肖特基势垒中的电子更为活跃，易发生迁移，从而MOV非线性链越来越容易转化为线性链，转化速度加快，宏观表现为动态电阻降低更快。

4 结论

对4片氧化锌压敏电阻阀片，在20mA的交直流作用下，研究了金属氧化物在交直流热稳定实验压敏电压、非线性系数α以及温度的变化特征。得出以下结论：

（1）MOV在工频电流作用下，稳定性会受到很大影响，甚至会影响其抗雷电能力；

（2）MOV在交直流作用下，其微观晶胞结构会发生重组，从而改变其电学特性；

（3）MOV在施加间歇性交流电时，随着实验次数的增多，也会发生老化，表现为温升更快，动态电阻降低速度更快。

参考文献：

[1] HE J，CHEN S，ZENG R，et al．Electrical parameter statistic analysis and parallel coordination of ZnO varistors in low-voltage protection devices[J].Power Delivery，IEEE Transactions on，2005，20（1）：131-137.

[2] 杨仲江，李强，张枨，等. MOV在交直流电压下耐受能力的试验研究[J]. 电瓷避雷器，2013（3）：42-47.

[3] 张欣，行鸿彦，杨天琦，等. 基于瞬态热阻抗模型的氧化锌压敏电阻散热能力研究[J].仪表技术与传感器，2014（6）：19-23.

[4] 应达，肖稳安，赵军，等. 基于瞬态热阻抗模型的氧化锌压敏电阻散热能力研究[J]. 仪表技术与传感器，2014，（6）：19-23.

[5] 张欣，行鸿彦，杨天琦，等. 工频过电压耐受下氧化锌压敏电阻冲击老化性能研究[J].电测与仪表，2014，51（14）：32-37.

[6] 中华人民共和国气象委员会.（GB18802.1 -2011）低压配电系统的电涌保护器（SPD）第一部分：性能要求和试验方法[S]. 北京：气象出版社，2011：3-6.

[7] 中国国家标准化管理委员会.（GB/T18802.1）低压电涌保护器 第1部分：低压配电系统的电涌保护器，性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，2010：3-6.

[8] 中华人民共和国气象委员会.（QX/T 86-2007）运行中电涌保护器检测技术规范[S].北京：气象出版社，2011：8-12.

[9] 吴维韩，何金良，高玉明. 金属氧化物非线性电阻特性和应用[M]. 北京：清华大学出版社，1998：54-70.

[10] 王茂华，胡克鳌，张南法. 电涌保护器中压敏电阻并联的方法和理论分析[J]. 电瓷避雷器，2004，（6）：37-40.

作者简介：周艺（1990—），女，山东威海人，本科，助理工程师，主要从事防雷服务工作。

收稿日期：2015-07-17

中图分类号：TG115

文献标识码：B

文章编号：1005–0582（2016）01–0037–04