金属氧化物压敏电阻的冲击破坏机理&高能压敏电阻分析

以氧化锌为主的金属氧化物阀片在一定的电压和电流作用下的破坏可分为热破坏和冲击破坏两类。

热破坏是指氧化锌电阻在交流电压持续作用时发生的破坏,即由于阀片在交流作用下的发热超过了其散热能力而导致的热平衡失控的现象。交流引起的热破坏可以分为几种不同情况:一种是由于所加电压的荷电率及环境温度过高而引起的热破坏;另一种是由于阀片的交流老化而引起的热破坏，前面已经讲到了ZnO阀片在长期交流电压作用下会出现老化现象,这时阀片的功率损耗将增加,当功率损耗增加到一定程度时,阀片的发热大于阀片的散热能力,也将导致热破坏;还有一种是交流作用时吸收冲击能量引起的热破坏,即由于吸收冲击能量引起的扰动,温升超过阀片允许的极限温升,导致热平衡的失控。

冲击能量吸收能力是衡量阀片质量的一个重要指标。高能氧化锌压敏电阻具有一定的极限冲击能量吸收能力,当冲击能量超过这个极限值时,就会引起阀片破坏,即发生冲击破坏。

作为电力系统过电压保护用的限压器来说，必须承受雷电过电压和操作过电压下的冲击电流的作用。金属氧化物电阻片具有优良的非线性伏安特性和能量吸收能力。ZnO阀片除用作限压器外,也用在各种吸能装置中,例如作为高压直流断路器开断过程中的能量吸收装置以及交流发电机灭磁和过电压保护装置等。在所有这些不同用途中,EAK氧化锌电阻片都同时起到限压和能量吸收的作用,但阀片所承受的冲击电流波形因应用的目的不同而不同,在雷电过电压作用下,冲击电流幅值很高而波长很短(8/20us);在操作过电压作用下波长相对较长,标准规定以2ms的方波来衡量其通流能力;用来限制很长的超高压直流线路过电压以及作为超高压直流断路器和双极直流输电线路中金属转移开关开断过程的能量吸收装置时,经过阀片的放电电流延续时间可达10ms;而将金属氧化物电阻用来作为交流发电机的灭磁吸能和过电压保护装置时放电电流持续时间更长。试验研究表明，在不同波长、不同值的冲击电流作用下,氧化锌电阻片的破坏形式和机理均有所不同。

试验研究还表明，金属氧化物非线性电阻的冲击耐受能力与其结构的均匀性有很大的关系。金属氧化物阀片可以看成由多个多晶体单元串并联构成。原则上讲,厚的阀片可以承受更高的冲击耐受电压,而具有较大直径和较大面积电极的阀片应具有更大的冲击通流能力。但实际上采用陶瓷工艺由烧结方法制成的多晶体金属氧化物阀片是不均匀的,所以其冲击耐受能力与阀片截面积和电极面积大小并不能完全成正比增加。这种不均匀性可以包括阀片本身热物理特性不均匀以及由于阀片晶体表面和电极表面不能很好接触而导致的能量吸收不均匀。EAK研究了烧结后的金属氧化物阀片结构不均匀性的诊断方法以及试验研究了不均匀性对阀片的冲击耐受能力的影响。阀片不均匀性的诊断方法包括超声波探测法、红外成像监测温度分布以及在阀片表面喷涂点状电极检测电流分布等。采用检测电流分布方法研究阀片在直流电压作用下的不均匀性,研究表明,阀片的冲击击穿位置与采样点中电流分布最大处有明显的对应关系;在冲击破坏中，有84%的击穿点发生在电流分布最大处,也就是电流密度集中的地方。研究还表明,阀片的冲击通流能力与阀片电流分布均匀性有关,电流分布越不均匀,冲击通流容量越低。因此不难理解,研究冲击破坏机理必须和研究阀片的不均匀性密切联系。

研究高能氧化锌电阻片的冲击破坏机理对理论分析并在实际上寻找提高阀片的冲击能量吸收能力的途径很有帮助。关于电阻片在不同波长、不同幅值的冲击电流作用下以及阀片不均匀情况下的破坏机理的研究,文献中报导极少,只有日本的Kazuo Eda 进行了比较深入的研究!。本章在试验研究的基础上分析了ZnO阀片冲击破坏的两种类型,分别研究了两种破坏类型的机理，并给出了相应的提高冲击破坏能量的措施。