压敏电阻器工频过电压（TOV）特性

1  引言
    由于低压供电系统中频繁出现工频过电压，用于低压供电系统中的氧化锌压敏电阻器，因不能耐受而发生失效甚至起火[4]。所以，对于采用氧化锌压敏电阻器的SPD以及单独使用的氧化锌压敏电阻器的工频过电压特性提出了明确的要求[4][6][8]。
    关于如何表征和试验SPD的工频过电压特性是有明确规定的[6][8]，而关于如何表征和试验氧化锌压敏电阻器的方法还没有明确[9][10]。但在 SPD选用氧化锌压敏电阻器时和应用氧化锌压敏电阻器时却提出了TOV特性的要求。针对这一情况，行业中提出了很多方法来描述氧化锌压敏电阻器的TOV特 性，如TOV安秒值、最大热平衡电压、TOV热脱扣特性等，还不能全面科学地说明氧化锌压敏电阻器的TOV特性，没能达成共识。
本文针对氧化锌压敏电阻器的TOV特性展开讨论，提出表征氧化锌压敏电阻器的TOV特性的方法，论述影响氧化锌压敏电阻器TOV特性的影响因素。

2  氧化锌压敏电阻器TOV特性的表征
    氧化锌压敏电阻器的TOV特性，就是在施加TOV的过程中氧化锌压敏电阻器表现出来的特性。在施加TOV的过程中，氧化锌压敏电阻器表现出的特性和可度量 的参数有很多，如TOV的幅值、耐受TOV的时间、耐受的最高温升、温升曲线和电流变化等，那么究竞用什么参数来表征产品的TOV特性呢？
2.1 TOV耐受时间特性是氧化锌压敏电阻器TOV特性最恰当的表征
    氧化锌压敏电阻器的TOV特性，其实质就是氧化锌压敏电阻器耐受工频过电压的能力。氧化锌压敏电阻器能否在低压系统中耐受工频过电压，关乎到用电系统的安 全，所以TOV特性是一个重要的安全特性。如果氧化锌压敏电阻器不能耐受工频过电压，一定会发生短路和击穿失效，从而导致氧化锌压敏电阻器周边过热而着 火，甚者引起火灾[4]。只有氧化锌压敏电阻器能够耐受系统中出现的过电压时，氧化锌压敏电阻器才不发生短路失效，用电系统才是安全的。
    既然TOV特性是耐受工频过电压的能力，要正确衡量和表征这一特性，就得从工频过电压说起。常见的工频过电压有单相接地过电压、高低压共地耦合转移过电压 和失零过电压。工频过电压有两个很重要的参数，就是幅值和持续时间，其幅值要高出正常工作电压，持续时间大于瞬态过电压的μS级，在数百ms至数s之间， 甚至更长。
    氧化锌压敏电阻器的工频过电压耐受能力，直接针对的是TOV本身，也就是耐受什么样的TOV。这种能力当然是与TOV的幅值与持续时间直接相关，最恰当的 度量就是TOV本身的特性。所以，TOV特性的表征应是耐受的TOV幅值与耐受时间，也就是用TOV的幅值与耐受时间相对应的关系来表征和度量。其实，同 样作为过电压保护的避雷器，对TOV特性就作出了这样的表征， GB/T 11032-2000 《交流无间隙氧化物避雷器》[5]中所规定，“2.38 工频电压耐受时间特性：在规定条件下，给避雷器施加不同的工频电压，避雷器不损坏，不发生热崩溃时所对应的最大持续时间的关系。”
    基于以上叙述， 借助SPD的相关规范[6][8]中对SPD的TOV特性的表征，“TOV耐受时间特性”是最恰当表征和度量氧化锌压敏电阻器的TOV特性的量。具体定义和度量方法如下：
    TOV耐受时间特性的定义：在规定条件下，给氧化锌压敏电阻器施加不同的工频过电压，氧化锌压敏电阻器不发生功能丧失时，或发生热击穿前所对应的最大持续时间和工频过电压幅值之间的关系。
在 定义中，有两种过电压耐受模式，一种是“不发生功能丧失”的非破坏“耐受模式”，另一种是“发生热击穿”的破坏性“故障模式”。其中“耐受模式”是指经受 过电压后，氧化锌压敏电阻器仍然能够维持满足产品设计的功能和性能，或其性能的降低在规定范围内的情况；“故障模式”是指经受过电压后，氧化锌压敏电阻器 最终会发生热击穿的情况。两种模式可以由制造商声明。
    TOV耐受时间特性的提供，可以是TOV幅值和对应的耐受时间的一组数据，也可以是TOV幅值和耐受时间数据组构成的伏秒曲线。当然，其中的TOV幅值可以用绝对的或相对的表述。
2.2 TOV耐受安秒值不足以表示TOV特性
    TOV耐受安秒值是一个基于描述在TOV施加过程中，氧化锌压敏电阻器耐受能量能力的量。肯定地说，提高在TOV其间产品能够耐受的能量，产品的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，氧化锌压敏电阻器在TOV的作用下，实际情况是直接耐受的确定幅值的TOV电压，其过程中不变的是TOV电压，而流过氧化锌压敏电阻器的电流不是 TOV的直接特性，对应于同一幅值的TOV电压的电流，因氧化锌压敏电阻器性能的不同而有很大差异，就是相同压敏电压时也不例外。这样，对于TOV电流大 的产品来说，耐受同样的时间就需要更大的能量，也就是TOV耐受安秒值，TOV电流小的产品则只需小的TOV耐受安秒值。这种情况下，对于同一幅值的 TOV来说，TOV耐受安秒值大却不一定能耐受更长的时间，TOV耐受特性有可能还差。
另 外，在同一幅值的TOV电压作用下，即使两个相同规格的甚至是相同压敏电压的氧化锌压敏电阻器，具有相同的TOV耐受安秒值，也就是有同样的TOV耐受能 量，但TOV电压施加期间因产品性能差异、电平衡和自热半导体效应，引起流过氧化锌压敏电阻器的电流发生变化，同样的能量消耗会分配出不同的耐受时间。这 样，同一TOV幅值下，相同的TOV耐受安秒值，却获得了不同的TOV耐受时间，出现TOV耐受特性的差异。
所以，在给定的TOV电压幅值时，氧化锌压敏电阻器的TOV耐受安秒值，不能完全比较出产品的TOV耐受特性的好坏。
2.3 最大热稳定工频电压表示TOV特性是一个具体的表述
    最大热稳定工频电压，是氧化锌压敏电阻器能够在45min之内达到热稳定（10min之内温升小于2K）所容许施加的最大工频电压。这一特性基于氧化锌压 敏电阻器在施加TOV电压时热失控的失效机制，提出用不发生热崩溃的前提下可以施加的最大工频电压，来表征产品的TOV耐受特性，是一个很好的作法。它直 接给出了可耐受45min而不发生热崩溃时所能耐受的最高TOV幅值，故障模式、TOV幅值和对应的耐受时间都有，给出了TOV耐受特性的一个数据点，是 一个直接的表达。提供的是一个故障模式的能力。
    当然，这不是氧化锌压敏电阻器TOV耐受特性的全部。
    最大热稳定工频电压，作为一个氧化锌压敏电阻器TOV耐受特性的有效表征，操作简单，是研究中很实用的方法。
2.4  氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性支持SPD的TOV特性
    氧化锌压敏电阻器是一个简单的元件，而SPD是一个含有或不含有氧化锌压敏电阻器的一个器件，含有氧化锌压敏电阻器的SPD的TOV耐受特性，除了受氧化 锌压敏电阻器的影响外，还有其它部件的影响。不含有氧化锌压敏电阻器的SPD的TOV耐受特性，不受氧化锌压敏电阻器的影响。所以在TOV电压施加过程 中，氧化锌压敏电阻器和SPD的表现是不一样的，氧化锌压敏电阻器和SPD的TOV耐受特性不能等同，但只要SPD使用氧化锌压敏电阻器，氧化锌压敏电阻 器的TOV耐受特性就必须支持SPD的TOV耐受特性。
    在IEC 61643-1[8]中，对低压配电系统中使用的SPD的TOV特性的规定，见“7.4高中压系统中的故障过电压试验”和“7.6低压系统中的故障过电压 试验”中，均规定了试验中的试验TOV电压幅值和施加时间。这种规定对SPD的TOV耐受特性的描述，也可以说就是“TOV耐受时间特性”，与本文提出的 关于表征氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性采用了一样的方法，这就为氧化锌压敏电阻器的TOV特性满足SPD的TOV特性提供了统一的方法。
    为了便于SPD设计，除了提供氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性以外，还需要哪些相关数据呢？
对于“耐受模式”[8]，试验期间不是允许产品失效的，只要氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性能满足SPD的要求，则不再需要其它数据支撑SPD的设计。
    对于SPD的“故障模式”[8]，涉及到SPD的脱扣动作，除了氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性（可以是耐受模式或故障模式）满足SPD的TOV耐 受特性要求，如果还需要利用TOV电压施加期间，氧化锌压敏电阻器的温度升高来脱扣，就还需氧化锌压敏电阻器在TOV电压施加过程中温度随时间的升高曲 线。
3  氧化锌压敏电阻器的自身因素TOV特性
    氧化锌压敏电阻器自身性能的形成当然是配方和工艺共同作用的效果，我们只讨论已形成氧化锌压敏电阻器性能对TOV特性的影响，从而为提高氧化锌压敏电阻器的TOV特性提供方向。
对 于同一规格的氧化锌压敏电阻器，其压敏电压不会是同一个值，总会有一定的离散分布。在同一幅值的TOV电压施加时，压敏电压高的产品就会比压敏电压低的产 品负荷低，从而前者会表现出较长的TOV耐受时间，前者的TOV耐受特性优于后者。但压敏电压不是氧化锌压敏电阻器性能中影响TOV耐受特性的本质。为了 从本质上找出影响TOV特性的氧化锌压敏电阻器的自身因素，以下的讨论是基于压敏电压相同的同一规格的氧化锌压敏电阻器，在同一幅值的TOV电压作用下， 影响TOV耐受时间长短的本质因素。
可以耐受给定幅值的TOV电压的时间赿长，氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性赿好，TOV耐受能力赿强。
(1) 要使耐受TOV电压的时间长而不发生损坏或不发生热崩溃，则需要耐受更大的能量，所以提高氧化锌压敏电阻器可耐受的TOV能量，就能提高产品的TOV耐受 特性。产品可耐受的能量，与产品的均匀性和热稳定性相关，均匀性和热稳定性直接与配方和工艺过程相关，通过提高产品的均匀性和热稳定来提高其TOV耐受特 性是可行的。
(2) 要使耐受的TOV电压的时间长，就必须将能量消耗拉长，温升减慢，这就需要通过降低TOV电压施加后流过的电流来降低TOV功耗，也就是要求氧化锌压敏电 阻器在TOV工作区具有合适的伏安特性和伏安特性温度特性。对应于TOV电压时流过氧化锌压敏电阻器的电流赿小，功率就赿小；TOV工作区的电压温度系数 正或负的很小，也就是电流温度系数为负或正的很小，随着TOV电压施加时温度的升高流过的电流向小变化或变大趋势小，功率变小或变大很小，这均会提高 TOV耐受时间，从而提高TOV耐受特性，合适的伏安特性需要相应的配方和工艺来实现。
所以，就氧化锌压敏电阻器自身来说，均匀性、热稳定性、TOV工作区的伏安特性和伏安特性的温度特性影响TOV耐受特性。

图1  冲击前后伏安特性的变化

4  相关文献对TOV特性影响因素的讨论
4.1 热处理对氧化锌压敏电阻器TOV耐受性能的影响
文献[2]讨论热处理对氧化锌压敏电阻器工频过电压耐受特性。其试验数据表明，施加85%U1mA的工频交流电压时，随着热处理温度的提高和时间的加长，其初始电流增大，耐受时间减小，TOV特性变差，其观点认为热处理会使TOV耐受特性变差。
其实，正如前文所述，文献[2]中热处理改变了产品TOV电压工作区的伏安特性，伏安特性曲线向电压增大的方向移动，使得对应TOV电压的电流增大，从而使耐受时间变短，TOV特性变差。
4.2 限制电压对TOV耐受特性的影响
文献[1]讨论氧化锌压敏电阻器的限制电压与工频过电压耐受性能的关系。其试验数据指出，压敏电压同为556V的14Φ产品，施加最大允许交流工作电压1.25倍的过电压，不同限制电压的产品呈现不同的耐受时间，限制电压大则耐受时间长，TOV特性好。
实 际上，试验中过电压工作点的氧化锌压敏电阻器流过的电流也就是数10mA，而测试限制电压时的电流则在50A，限制电压大对应的大电阻值只是50A时的 值，不能直接表示数10mA时的电阻值。而是由于氧化锌压敏电阻器伏安特性的连续性趋势，根据50A时大限制电压可以推知数10mA的电压也大而获得大电 阻。其实质是大限制电压的产品的伏安特性曲线向高电压偏移，同样的TOV电压时大限制电压产品显示出大的电阻值，功率小而TOV耐受特性好。
4.3 8/20μs脉冲冲击处理对TOV特性的影响
文献[3]和[7]讨论了8/20μs脉冲冲击处理对TOV特性的影响。文中指出，8/20μs脉冲冲击处理后氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性提高了。
这同样是因为8/20μs脉冲冲击处理后改变了产品的伏安特性，使得TOV电压工作区的曲线向高电压偏移，降低了工作功率，提高了TOV耐受时间。
表1是14D681产品不同冲击强度后VI特性变化的数据。图1是VI特性变化的示意图，其中显见，冲击确实改变了伏安特性曲线，使1mA以下的区间电压变小（阻值变小），1mA以上的区间电压变大（阻值变大）。这也是冲击能提高TOV特性的原因。
规 定TOV绝对幅值时，冲击引起一个工作点的TOV特性变好，并不能说明在所有TOV电压工作区段均可以提高TOV耐受特性。可以从表1和图1看出，在较低 工作点附近冲击引起氧化锌压敏电阻器电压下降电阻值降低，如果TOV工作点在此则会产生大的工作电流而加大功率，导致TOV耐受特性下降；而在再大一点的 工作点，则有可能因冲击引起氧化锌压敏电阻器电压升高电阻增大，导致TOV耐受特性的下降。而通常冲击会引起小于1mA的工作区电压降低，加电时功率变 大，从而也能解释冲击会导致静态寿命降低。
对 于以压敏电压的比例给出的TOV电压幅值，从图1可以看出，冲击总会引起伏安特性的非线性变差，所以施加相对幅值的TOV电压时，总能获得变小的电流值， 减小功率而提高TOV耐受特性。但随着冲击强度的加大，对压敏电阻结构的损坏会严重降低均匀性和热稳定性，使其能量吸收能力变得很低。当这一因素起决定作 用时，冲击就会降低TOV耐受特性，这也与文献中的结果相符。
5  结论
通过以上讨论，得出以下结论：
⑴ 氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性最好的表征就是TOV耐受时间特性；
⑵ TOV耐受时间特性和氧化锌压敏电阻器的TOV能量耐受能力、TOV工作区的伏安特性以及伏安特性的温度特性相关；
③ 氧化锌压敏电阻器良好的均匀性和热稳定性能，通过提高能量耐受能力而提高TOV耐受特性；
⑷ 氧化锌压敏电阻器在TOV工作区的非线性差，可以使对应TOV电压幅值的电流变小，从而降低功率，延长耐受时间，获得好的TOV耐受特性。通过限制电压大小和（0.1～1）mA时的非线性高低，可以推知TOV工作区有非线性指数的高低，但不能等同；
⑸ TOV工作区正的电压温度系数或不太大的负电压温度系数可以获得良好的TOV耐受特性。
参考文献
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转自：电子工程世界网