氧化锌压敏电阻变温率及拐点效应研究

周宏伟，肖 扬

（1.四川水利职业技术学院，四川 都江堰611830；2.南京信息工程大学中国气象局气溶胶云降水重点开放实验室，南京210044）

氧化锌压敏电阻变温率及拐点效应研究

周宏伟1，肖 扬2

（1.四川水利职业技术学院，四川 都江堰611830；2.南京信息工程大学中国气象局气溶胶云降水重点开放实验室，南京210044）

在对氧化锌压敏电阻的劣化研究中，由于U1mA和Ileakage存在 “拐点效应”，从而不能够第一时间判断出氧化锌压敏电阻劣化的情况。为此通过实际的冲击平台，研究在不同冲击时间下，氧化锌压敏电阻阀片内部的温度变化情况，主要得出：距离电极较近位置处的变温率较大，远离电极的一端变温率较小，即氧化锌压敏电阻存在极性现象；当变温率出现明显的变化时，压敏电压U1mA和漏电流Ileakage变化处于正常范围内，当压敏电压U1mA和漏电流Ileakage出现明显变化时，氧化锌压敏电阻已经劣化到一定程度，甚至已经完全损坏，所以变温率可以作为衡量氧化锌压敏电阻劣化的一个量。

氧化锌；热稳定；变温率； 漏电流；压敏电压

0 引言

氧化锌压敏电阻是一九六八年日本松下电气公司研制成功的，它与齐纳二极管相比较，除V－I特性对称外，通流能力远远超过齐纳二极管。它与SiC压敏电阻相比，具有非线性系数大，电压温度系数小，响应时间快，残压低，泄漏电流小，而且无续流。目前，氧化锌压敏电阻的最低电压可以做到2～3 V，高压可以做到220～330 kV。氧化锌压敏电阻在国外已经实现商品化，在国内，则为满足市场需要还要不断地进行研究开发，性能有待改进。

目前，国内外很多学者对氧化锌压敏电阻的老化、劣化等方面进行了研究，杨仲江[1]等在对氧化锌压敏电阻的在不同老化劣化实验条件下，得出MOV的非线性系数α均随劣化程度的增加而呈下降趋势。文娥[2]等在对氧化锌压敏电阻冲击破坏机理研究中，得出氧化锌压敏电阻的电容对冲击破坏机理和冲击导通机制有重要影响。郝丕柱[3]等研究发现氧化锌压敏电阻的烧结时间、烧结温度以及配方都会影响到其电容，因此提出通过电容量来反映氧化锌压敏电阻的性能变化。虽然对氧化锌压敏电阻老化劣化的研究很多，也有很多作者提出各种合理的老化机理，甚至提出用电容量来反映氧化锌压敏电阻劣化程度，但多数研究的是压敏电压的影响因素。工作环境对氧化锌压敏电阻的工作状态存在一定的影响，比如温度、湿度等[4－5]。更有研究表明，目前主要通过检测U1mA和Ileakage两个参数来判断氧化锌压敏电阻的劣化程度，而都U1mA和Ileakage存在“拐点效应”[6－7]。

笔者主要研究通电时间对氧化锌压敏电阻温度的影响，从而能够提出新的用变温率衡量氧化锌压敏电阻劣化程度的方法。

1 氧化锌压敏电阻微观结构

氧化锌压敏电阻是一种新型的半导体陶瓷材料，以 Zn0为主要材料，同时添加 Bi203、Co203、Sb203、Cr203、 MnO2等多种化合物，经过成型、烧结、表面处理等工艺过程而制成。氧化锌压敏电阻微观结构，如图1所示。氧化锌压敏电阻由晶粒和包裹于晶粒的晶界层组成，其中晶粒大部分为Zn0，是氧化锌压敏电阻的主要成分，Zn0晶粒具有导热、导电和吸收能量的作用。晶界层则由添加化合物组成，在物相中会形成包裹于晶粒的富秘相结构、晶界层中的尖晶石等[8]。在烧结时，添加剂一部分进入主晶粒ZnO形成固溶体；一部分在冷却时偏析在晶粒边界，形成富秘相晶界层或尖晶石之类的掺杂晶粒。

图1 氧化锌压敏电阻晶粒显微结构Fig.1 Zinc oxide varistor grain microstructure chart

2 静态参数及电流流向探讨

笔者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2片，试品型号为MYL5E4S621，主要静态参数有：最大运行电压Uc=395 V，标称放电电流In=30 kA，最大放电电流为In=60 kA，电压保护水平Up=2.0 kV。冲击设备为：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。测温仪器为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

将A、B片进行热稳定试验，为了减小试验误差，试验采取通小电流10 mA，每隔20秒停止热稳定试验，同时测量9个点的温度，停止通电，待电阻片冷却至室温后卸下来进行静态参数测量，再进行下一次试验，每片进行5次试验；将每次测量温度按照MOV形态标在纸张上面。

表2 样品A测试结果Table 2 Sample A test result

表3 样品B测试结果Table 3 Sample B test result

从表2和表3对比可以看出，电阻片各部位温度变化趋势相似。温度较高的部位是1和3，最高温度是部位3，部位7、8、9的温度相差不多大，都是同一块电阻片中温度最小的部位，电阻片中间的部位也是温度相对中等的；而且从温度大小上可以划分3＞2＞1，3＞5＞7，1＞4＞7，3＞6＞9，温度的流向大体为多条直线。假设同一电阻片中各部位电阻相同，那么电流就是引起温度变化不同的因素，可以得出电流是从电极M流向电极N，而且因为7、8、9是远离电极的部位，所以温度的变化也是最小的，这也证明了以上的结论。绘制成电流流向图，如图2所示。

图2 电阻片内电流流向Fig.2 circuit sheet within current flows

这是由于电流在样品内部流向不同以及到达的区域引起的。如果不考虑散热的影响，氧化锌压敏电阻吸收冲击能量的升温过程近似看作绝热温升，那么可以根据同一时刻阀片表面温度的大小分布绘制出内部电流的流向。由图2得出氧化锌压敏电阻片中电流的流向是由电极M流向电流N，同时还向远离电极的方向流传，证明压敏电阻片存在极性现象。

3 不同冲击时间对压敏电阻表面变温率的研究

为了研究在不同通电相同时间情况下，氧化锌压敏电阻温度变化情况，本文选取对样品A进行冲击试验，本试验采用通小电流10 mA的方法，为了研究方便，选取图2中1、3、7、9这4个具有代表性的位置测试点。第一次5 s后停止热稳定试验，进行4个点温度测量，再进行静态参数测量，待电阻片冷却至室温后进行下一次试验；第二次10秒后停止热稳定试验，进行4个点温度测量，再进行静态参数测量；每次试验必须待电阻片冷却至室温后进行下一次试验，如此循环至G老化劣化（静态参数异常），测试时间间隔为5秒，将温升除以时间后得到变温率△T=（Tt-T0）/t。

在图3中，压敏电压U1mA和漏电流I前期只是较小范围内的跳动，当通电时间增加到80s时，压敏电压U1mA和漏电流I才开始才出现明显变化：期中U1mA是明显的减小，I是明显增大，说明此刻氧化锌压敏电阻已经劣化到一定程度。

图3 样品A通电不同时间下漏电流（a）、压敏电压（b）随冲击时间变化趋势Fig.3 A power-leakage current sample over time（a），varistor voltage(b)with the impact of trends over time

图4为样品A通电不同时间下4个测试点随冲击时间变化趋势，从图中可以看出，开始一段时间内，变温率的浮动值很小，基本固定在一个定值，当通电时间增加到60 s时，变温率出现增大的现象，而且是持续增大。1号、3号位置处测得的温度变化率要高于7号以及9号位置处的温度变化，主要是因为1号、3号位置靠近电极位置，因此温度较高。冲击时间大于60秒之后，1号、3号位置处测得的温度变化率出现一个拐点，温度变化率迅速上升，而7号、9号位置处的温度变化率上升幅度较小。

图4 样品A通电不同时间下4个测试点随冲击时间变化趋势Fig.4 A sample is energized at different times of four test points over time the impact of trends

综合图3、图4可以看出，当变温率出现明显的变化时，压敏电压U1mA和漏电流I还在正常数值内，当压敏电压U1mA和漏电流I出现明显变化时，氧化锌压敏电阻已经劣化到一定程度，甚至已经完全损坏，所以此时变温率就可以作为衡量氧化锌压敏电阻劣化的一个量。

4 结论

通过对氧化锌压敏电阻进行的热稳定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）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，推测出阀片内部电流的流向，而且在电阻片内电流的流向多为直线；另外电极M的变温率比电极N的变温率要大，得出氧化锌压敏电阻存在极性现象。

2）当变温率出现明显的变化时，压敏电压U1mA和漏电流Ileakage还在正常数值内，当压敏电压U1mA和漏电流Ileakage出现明显变化时，氧化锌压敏电阻已经劣化到一定程度，甚至已经完全损坏，所以此时变温率就可以作为衡量氧化锌压敏电阻劣化的一个量。准确地得知氧化锌压敏电阻阀片的温度变化较大的区域，对于氧化锌压敏电阻有了更全面的了解，以便对氧化锌压敏电阻做出更好的保护。

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Temperature Change Rate and Inflection Point Effect of Zinc Oxide Varistor

ZHOU Hongwei1，XIAO Yang2
（1.Sichuan Water Conservancy Vocational College，Dujiangyan 611830，china；2.Nanjing University of Information Science and Technology，Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China）

The study of the degradation of zinc oxide varistors，since the presence of U and I leakage"inflection point"effect，which is not the first time be able to judge the situation deteriorated zinc oxide varistors.Therefore，the actual impact of the platform through research at different impact time，the temperature changes of zinc oxide varistor inside，the main obtain：large near the electrode temperature change rate，the end remote from the electrode temperature change rate small，namely zinc oxide varistors presence of a polar phenomenon；the temperature change rate when significant changes occur，the varistor voltage U1mAand leakage current I still normal value，when the varistor voltage U1mAand leakage current I leakage significant changes occur，the zinc oxide varistor has deteriorated to a certain extent，even has been completely damaged，so the temperature change rate can be used as a measure of the amount of zinc oxide varistors degradation.

zincoxide；thermalstability；temperaturechangerate；leakagecurrent；thevaristorvoltage

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.025

2016－10－21

周宏伟（1965—），女，副教授，高级工程师，主要从事电力类专业课教学，小水电站的设计、监理。