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，對于采用氧化鋅壓敏電阻器的SPD以及單獨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]。
    關于如何表征和試驗SPD的工頻過電壓特性是有明確規(guī)定的[6][8]，而關于如何表征和試驗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和應用氧化鋅壓敏電阻器時卻提出了TOV特性的要求。針對這一情況，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，還不能全面科學地說明氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，沒能達成共識。
本文針對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的時間、耐受的最高溫升、溫升曲線和電流變化等，那么究競用什么參數(shù)來表征產(chǎn)品的TOV特性呢？
2.1 TOV耐受時間特性是氧化鋅壓敏電阻器TOV特性最恰當?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，關乎到用電系統(tǒng)的安 全，所以TOV特性是一個重要的安全特性。如果氧化鋅壓敏電阻器不能耐受工頻過電壓，一定會發(fā)生短路和擊穿失效，從而導致氧化鋅壓敏電阻器周邊過熱而著 火，甚者引起火災[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，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。工頻過電壓有兩個很重要的參數(shù)，就是幅值和持續(xù)時間，其幅值要高出正常工作電壓，持續(xù)時間大于瞬態(tài)過電壓的μS級，在數(shù)百ms至數(shù)s之間， 甚至更長。
    氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓耐受能力，直接針對的是TOV本身，也就是耐受什么樣的TOV。這種能力當然是與TOV的幅值與持續(xù)時間直接相關，最恰當?shù)?度量就是TOV本身的特性。所以，TOV特性的表征應是耐受的TOV幅值與耐受時間，也就是用TOV的幅值與耐受時間相對應的關系來表征和度量。其實，同 樣作為過電壓保護的避雷器，對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)生熱崩潰時所對應的最大持續(xù)時間的關系。”
    基于以上敘述， 借助SPD的相關規(guī)范[6][8]中對SPD的TOV特性的表征，“TOV耐受時間特性”是最恰當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，或發(fā)生熱擊穿前所對應的最大持續(xù)時間和工頻過電壓幅值之間的關系。
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)品設計的功能和性能，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耐受時間特性的提供，可以是TOV幅值和對應的耐受時間的一組數(shù)據(jù)，也可以是TOV幅值和耐受時間數(shù)據(jù)組構(gòu)成的伏秒曲線。當然，其中的TOV幅值可以用絕對的或相對的表述。
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，對應于同一幅值的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也不例外。這樣，對于TOV電流大 的產(chǎn)品來說，耐受同樣的時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的時間，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、電平衡和自熱半導體效應，引起流過氧化鋅壓敏電阻器的電流發(fā)生變化，同樣的能量消耗會分配出不同的耐受時間。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耐受時間，出現(xiàn)TOV耐受特性的差異。
所以，在給定的TOV電壓幅值時，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電壓時熱失控的失效機制，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，是一個很好的作法。它直 接給出了可耐受45min而不發(fā)生熱崩潰時所能耐受的最高TOV幅值，故障模式、TOV幅值和對應的耐受時間都有，給出了TOV耐受特性的一個數(shù)據(jù)點，是 一個直接的表達。提供的是一個故障模式的能力。
    當然，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，作為一個氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的有效表征，操作簡單，是研究中很實用的方法。
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簡單的元件，而SPD是一個含有或不含有氧化鋅壓敏電阻器的一個器件，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”和“7.6低壓系統(tǒng)中的故障過電壓 試驗”中，均規(guī)定了試驗中的試驗TOV電壓幅值和施加時間。這種規(guī)定對SPD的TOV耐受特性的描述，也可以說就是“TOV耐受時間特性”，與本文提出的 關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設計，除了提供氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時間特性以外，還需要哪些相關數(shù)據(jù)呢？
對于“耐受模式”[8]，試驗期間不是允許產(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的設計。
    對于SPD的“故障模式”[8]，涉及到SPD的脫扣動作，除了氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時間特性（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 于同一規(guī)格的氧化鋅壓敏電阻器，其壓敏電壓不會是同一個值，總會有一定的離散分布。在同一幅值的TOV電壓施加時，壓敏電壓高的產(chǎn)品就會比壓敏電壓低的產(chǎn) 品負荷低，從而前者會表現(xiàn)出較長的TOV耐受時間，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耐受時間長短的本質(zhì)因素。
可以耐受給定幅值的TOV電壓的時間赿長，氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時間特性赿好，TOV耐受能力赿強。
(1) 要使耐受TOV電壓的時間長而不發(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，均勻性和熱穩(wěn)定性直接與配方和工藝過程相關，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電壓的時間長，就必須將能量消耗拉長，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。對應于TOV電壓時流過氧化鋅壓敏電阻器的電流赿小，功率就赿?。籘OV工作區(qū)的電壓溫度系數(shù) 正或負的很小，也就是電流溫度系數(shù)為負或正的很小，隨著TOV電壓施加時溫度的升高流過的電流向小變化或變大趨勢小，功率變小或變大很小，這均會提高 TOV耐受時間，從而提高TOV耐受特性，合適的伏安特性需要相應的配方和工藝來實現(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  相關文獻對TOV特性影響因素的討論
4.1 熱處理對氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受性能的影響
文獻[2]討論熱處理對氧化鋅壓敏電阻器工頻過電壓耐受特性。其試驗數(shù)據(jù)表明，施加85%U1mA的工頻交流電壓時，隨著熱處理溫度的提高和時間的加長，其初始電流增大，耐受時間減小，TOV特性變差，其觀點認為熱處理會使TOV耐受特性變差。
其實，正如前文所述，文獻[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，使得對應TOV電壓的電流增大，從而使耐受時間變短，TOV特性變差。
4.2 限制電壓對TOV耐受特性的影響
文獻[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系。其試驗數(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)不同的耐受時間，限制電壓大則耐受時間長，TOV特性好。
實 際上，試驗中過電壓工作點的氧化鋅壓敏電阻器流過的電流也就是數(shù)10mA，而測試限制電壓時的電流則在50A，限制電壓大對應的大電阻值只是50A時的 值，不能直接表示數(shù)10mA時的電阻值。而是由于氧化鋅壓敏電阻器伏安特性的連續(xù)性趨勢，根據(jù)50A時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TOV特性的影響
文獻[3]和[7]討論了8/20μs脈沖沖擊處理對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。
這同樣是因為8/20μs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耐受時間。
表1是14D681產(chǎn)品不同沖擊強度后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絕對幅值時，沖擊引起一個工作點的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工作點在此則會產(chǎn)生大的工作電流而加大功率，導致TOV耐受特性下降；而在再大一點的 工作點，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，導致TOV耐受特性的下降。而通常沖擊會引起小于1mA的工作區(qū)電壓降低，加電時功率變 大，從而也能解釋沖擊會導致靜態(tài)壽命降低。
對 于以壓敏電壓的比例給出的TOV電壓幅值，從圖1可以看出，沖擊總會引起伏安特性的非線性變差，所以施加相對幅值的TOV電壓時，總能獲得變小的電流值， 減小功率而提高TOV耐受特性。但隨著沖擊強度的加大，對壓敏電阻結(jié)構(gòu)的損壞會嚴重降低均勻性和熱穩(wěn)定性，使其能量吸收能力變得很低。當這一因素起決定作 用時，沖擊就會降低TOV耐受特性，這也與文獻中的結(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耐受時間特性；
⑵ TOV耐受時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；
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，可以使對應TOV電壓幅值的電流變小，從而降低功率，延長耐受時間，獲得好的TOV耐受特性。通過限制電壓大小和（0.1～1）mA時的非線性高低，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)或不太大的負電壓溫度系數(shù)可以獲得良好的TOV耐受特性。
參考文獻
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[9] IEC 61643-331 Components for low-voltage surge protective devices –Part 331 Specification for metal oxide varistors (MOV)， 2003，5
[10] GB/T 18802.331-2007 / IEC  61643-331-2003 低壓電涌保護器元件 第331部分：金屬氧化物壓敏電阻（MOV）規(guī)范. 2007，6

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