不同环境多脉冲雷电高压下ZnO压敏电阻的失效分析

张春龙，行鸿彦，李鹏飞，李春影，吕东波

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京 210044；3.南京信息工程大学大气物理学院，南京 210044；4.黑龙江省气象灾害防御技术中心，哈尔滨 150030）

0 引言

ZnO压敏电阻具有非线性特性好和无续流等优点，目前已被广泛地应用于电子电气设备的雷电防护[1-2]。按照防雷等级要求安装的压敏电阻，其性能以及各方面指标均符合国家标准，然而在自然雷电冲击后，压敏电阻的静态参数甚至外观均会发生不同程度的损坏。目前国内外对ZnO压敏电阻进行的冲击试验均采用10/350 μs和8/20 μs单脉冲波形测试[3]。然而，现代雷电观测和人工引雷采集的数据表明，自然界大部分雷电是多闪击过程，单脉冲雷电波形同自然闪电的多次回击过程存在很大的差异[4]。特别是2008年6月，在瑞典第29届国际雷电防护大会上F.Heidler的报告中指出观测到一次闪击过程包含了11个脉冲。据统计，接近70%的对地闪包含2～20个的闪击过程，平均数量为3～5个，闪击脉冲时间间隔为30～40 ms[5]。实践表明，多脉冲对地雷击的冲击能量对ZnO压敏电阻等防雷器件有巨大的损害。单脉冲防雷产品在多脉冲雷击下经常发生起火燃烧，存在巨大安全隐患，雷电单脉冲测试方法无法较好模拟后续雷击带来的损害[6]。因此，分析多脉冲下ZnO压敏电阻的耐受冲击特性，对于防雷元器件的防雷性能和安全性能的改进显得尤为重要。

目前国内对于ZnO压敏电阻在雷电多脉冲冲击下的性能研究刚刚起步，其在雷电多脉冲冲击下的电性能如何变化，在多脉冲下耐受冲击能力如何，在多脉冲连续冲击热量急剧累积增加条件下起火燃烧原因都值得研究。肖杨[7]等人开展了多脉冲高压下施加交流电压负载对ZnO压敏电阻性能的研究。李鹏飞、杨仲江[8]等人研究了多脉冲下的ZnO压敏电阻的损坏形式，指出了ZnO压敏电阻在多脉冲下损坏形式和单脉冲下存在很大差别。杨海山、肖稳安[9]等人对十脉冲下ZnO压敏电阻的老化进行了分析。楼嘉懿[10]利用SEM电镜和XRD衍射仪研究了多脉冲冲击下ZnO压敏电阻的微观结构变化。这些研究对ZnO压敏电阻的多脉冲雷电防护研究提供了重要的指导，但都是在正常工作环境条件研究的，而工程实践中，ZnO压敏电阻常常处在不同工作环境下，尤其是潮湿和盐雾等条件下会不同程度影响压敏电阻的内部性能[11]。因此，本文采用20脉冲雷电测试系统对不同恶劣环境处理后的ZnO压敏电阻进行冲击试验，此试验现象更接近于ZnO压敏电阻在实际应用中遭受雷击时表现出的性能。

1 试验方法与材料

1.1 试验设备与冲击波形

本文试验利用国内最先进的20脉冲雷电冲击测试设备，采用同时序控制和多路放电技术，包含了20通道高速数据采集、多闪击波形数值重建、放电过程能量计算、雷电过程能量分布和分析等技术，能够完成多闪雷击过程的物理模拟，可以输出1～20个连续8/20 μs闪击波形，用以模拟自然界真实雷电波形。环境处理使用的设备为盐雾试验仪（厂家：上海冠图防雷科技有限公司，型号：YWX/Q-150）和高低温交变湿热箱（厂家：上海冠图防雷科技有限公司，型号：GDWS/P-100），设备外观图见图1。

图1 冲击设备和环境处理设备外观图Fig.1 Impact equipment and environment processing device appearance diagram

IEC62305-1雷电防护第1部分：总则[12]对多脉冲给出了专门定义，定义平均含有3～4个雷击的雷电，雷击间隔时间约为50 ms的雷电为多脉冲雷电。所以本次试验波形选取为时间间隔为50 ms的5脉冲8/20 μs短路电流波形，电流幅值选取为压敏电阻标称放电电流。波形图见图2，本实验中，冲击电流选用8/20 μs波形的多脉冲，脉冲数量为5个，脉冲时间间隔为50 ms，5个脉冲幅值均为标称放电电流。

图2 多脉冲控制系统和5脉冲雷电脉冲波形Fig.2 Multi-pulse control system and 5 pulse waveform of lightning current impulse

1.2 试验样品选取

试验中选取同一厂家同一型号的压敏电阻方片，标称放电电流In=20 kA，最大放电电流Imax=40 kA，Uc=385 V，通过防雷元件测试仪测量其静态参数压敏电压值以及泄漏电流值，并对其进行筛选，选取静态参数最相近的24片压敏电阻片进行试验，分别标记为 A1—A3，B1—B3，C1—C3，D1—D3，E1—E3，F1—F3，G1—G3，H1—H3不同编号分别对应不同的测试条件和环境。

1.3 试验方法

1）用设定好的多脉冲雷电流冲击压敏电阻试品A1—A3，每次冲击完后，再测量压敏电阻的压敏电压、漏流、温度以及冲击时的电流波形。每相邻两组冲击时间间隔为30 min，直到压敏电阻静态参数压敏电压U1mA超出标准±10%，漏流超20 μA[13-14]，或者直接发生外观损坏为判断终止点，记录相关数据。如出现起火燃烧，必须采取照相和录像。

2）工频负载下冲击：在氧化锌电阻片不发生冲击破坏（穿孔或破裂）的情况下，对防雷元器件最严峻的考验是动作负载试验，要求电阻片在吸收冲击电流或线路放电的能量后，施加规定时间的额定电压之后，回到正常工作电压状态而不发生热崩溃。因此，选择试品E1—E3，在冲击源端加上动作负载电压为Uc的交流电源，重复以上试验过程，记录试验过程中相关数据。

3）特殊环境处理后冲击：本研究针对所处恶劣苛刻的环境中，如化工企业以及特定行业的恶劣生产环境，进行湿热和盐雾环境处理，探究压敏电阻耐受冲击的能力是否会有改变。将试品绝缘层进行打磨和剥离，利用高低温湿热箱，将试品B1—B3进行高温高湿（T=98℃，H=95%）处理、C1—C3进行常温高湿（T=25℃，H=95%）处理、利用盐雾试验仪将D1—D3进行盐雾（工业用盐的腐蚀环境）3种特殊环境条件下进行24 h处理，将试品F1—F3进行高温高湿（T=98℃，H=95%）处理、G1—G3进行常温高湿（T=25℃，H=95%）处理、利用盐雾试验仪将H1—H3进行盐雾（工业用盐的腐蚀环境）3种特殊环境条件下进行24 h处理，然后进行静态参数的测试，并重复常规多脉冲试验过程，记录试验过程中相关数据，见表1。

表1 冲击前样品静态参数值及冲击环境条件Table 1 The static parameter value of the sample before impact and the impact environment

2 试验结果分析

2.1 压敏电阻破坏形式

室温条件多脉冲冲击下，压敏电阻A1～A3能够耐受的冲击次数为9～10次，3片压敏电阻的压敏电压和漏流在第10次冲击之前变化趋于稳定，且泄漏电流急剧增大，在冲击第10次后，压敏电阻发生损毁炸裂，压敏电阻片A1的破坏形式见图3（a），金属贴片发生剥落，边角处发生击穿或者炸裂。

在单脉冲冲击下，目前在学术界能够认同并被实验结果证实的观点是认为ZnO压敏电阻的老化是由于内部的离子迁移引起的。在一定的环境温度和外界场长期作用下，离子的重新分布导致肖特基势垒的畸变，从而引起泄漏电流的增加，发生老化[15-16]。试验发现多脉冲下压敏电阻内部的晶粒结构会发生融穿，冲击老化的机理主要是热老化，即在短时间、大幅值的连续脉冲电流作用下，很短时间内有大量的能量注入ZnO压敏电阻片，其内部产生的热量来不及扩散，使得温度在极短时间内升高很多，最后一次冲击时，压敏电阻片表面温度达到了将近160℃，这个过程可以看作是一个绝热的温升过程。压敏电阻片吸收能量升温之后，较高的温度在压敏电阻片内部产生较大的热激活能。在单极性的冲击电压作用下，一方面晶界层内的Bi3+等正离子向反向偏压侧肖特基势垒的晶界迁移；另一方面在反向肖特基势垒耗尽层内的正离子也向晶界方向迁移。所有离子的迁移速度明显高于低电场区直流电压作用时的迁移速度。两方面的作用将引起离子的迁移速度增大和肖特基势垒的较大畸变，最终产生加严重的单极性老化。由此可见，多脉冲冲击加速了压敏电阻的老化进程，最终产生了不可逆转结构性的破坏。

由于压敏电阻片的非均匀性，因此各单元的热物理性能也存在很大差异，即压敏电阻片存在热物理性能的不均匀性。吸收冲击能量后导致压敏电阻片不同部位的温升不同，局部过热点的热量来不及向周围传递，造成过热点与周围区域存在很大的温度梯度，在电阻片的内部产生热应力，当热应力达到一定数值时，就会引起压敏电阻片的炸裂破坏。

在冲击源端加上动作负载385 V交流电压后，发现压敏电阻片E1—E3仅能承受6次冲击，并且在损毁时发生燃烧起火现象，图3（b）为燃烧后的压敏电阻片E2外观图，压敏电阻片的边缘处已被烧毁，并伴有穿孔。这是由于在交流作用时吸收冲击能量引起的热破坏，连续5个脉冲施加的巨大能量而引起扰动，温升超过压敏电阻片允许的极限温升，导致热平衡的失控。温度测量显示，在5个脉冲之后，压敏电阻片表面的最高温度高达180℃。

图3 ZnO压敏电阻冲击损坏状态图Fig.3 ZnO varistor damage state diagram

2.2 特殊环境处理的压敏电阻耐受冲击能力

通过对比发现，压敏电阻的损坏形式并未发生变化，未施加负载时，以边角炸裂形式损坏，施加负载后，仍是发生起火燃烧。不同条件下ZnO压敏电阻耐受多脉冲冲击次数发生很大变化，见图4，未经过特殊环境处理的压敏电阻片的耐冲击水平为10次，加上动作负载之后，压敏电阻片的耐冲击水平为6次。经过特殊环境处理之后，在同样测试条件下进行高温高湿处理的B1—B3压敏电阻片和进行常温高湿处理的C1—C3压敏电阻片在第3次多脉冲冲击之后发生破坏、利用盐雾试验仪进行盐雾处理的D1—D3压敏电阻片只能承受两次多脉冲冲击。盐雾与潮湿试验中，加上动作负载之后，在经历一次多脉冲冲击后，压敏电阻片即发生起火燃烧现象。在经历多脉冲冲击、动作负载施加、特殊环境处理三重考验下，压敏电阻片 F1—F3、G1—G3、H1—H3只能承受一次冲击即发生起火燃烧，说明环境影响大大降低了压敏电阻的耐冲击能力。

图4 不同条件下ZnO压敏电阻耐受多脉冲冲击次数Fig.4 ZnO varistor tolerance multi-pulse impact times under different condition

前期的高温高湿、盐雾等特殊处理，加速了ZnO压敏电阻的老化进程，ZnO压敏电阻受潮，除了制造工艺方面的问题外，根本原因就是存在呼吸作用，在环境温度冷热循环变化下，内部空气或膨胀或收缩而形成呼吸作用，在长期运行过程中，使原来存在的微小空隙有可能扩大，潮湿空气进入，最终导致失效[17]。研究表明，对于压敏型防雷元器件来说，由于受潮而引起的故障率高达85.6%，受潮是造成老化劣化的一个重要原因，是指由于型内封装结构出现气孔或裂痕，或由于微观水分子运动，造成水分子直接进入氧化锌压敏电阻内部，因此压敏电阻片外衣的密闭性显得尤为重要。

盐雾与潮湿处理在本试验中相当于加速老化试验，因此ZnO压敏电阻的老化监测极为重要，因为一旦老化严重未被发现，在配电系统遭受多脉冲雷击时将容易引起巨大的安全事故。

3 结论

1）试验发现，多脉冲标称电流冲击下，压敏电阻破坏形式为边角处发生击穿或者炸裂。多脉冲冲击的前期可增大肖特基势垒畸变，是一个老化加速的热老化过程，最后一次炸裂时是热应力导致的热崩溃损毁。在冲击源端施加动作负载交流电压后，压敏片在最后一次冲击后发生燃烧起火现象。

2）经过特殊环境处理之后，压敏电阻的破坏形式并未发生改变，但压敏电阻片的耐冲击能力大大降低。提高压敏电阻片绝缘层外衣的密闭性是降低老化速率和提高耐冲击性能的有效手段。

3）应该指出，ZnO压敏电阻的冲击破坏是复杂的物理过程，它和冲击电流的数量、幅值、脉冲间隔密切相关，而且还与压敏电阻片的品质和内部结构均匀性有关，因此在今后的研究中，应改变脉冲的幅值、时间间隔，分析ZnO压敏电阻的不同表现，同时引入多个厂家的ZnO压敏电阻进行对比试验，消除因试验样本本身品质导致的对结果的影响。