作者：张毅
近年来，在中国沿海一些湿度较高地区，相继出现MOA在一次雷暴天气过后，“集体”失效的情况。电力部门在鉴定事故原因中发现．潮湿是导致自然雷电放电环境中MOA性能劣化的主要原因。曰前，专家、学者对单脉冲下Zn0压敏电阻受潮老化、介质性能等进行过大量研究。但现代雷电观测采集数据表明．800/0的自然雷电为多闪击过程。一次雷电多脉冲(3～4脉冲．500 ms)的冲击时间长度大约是单脉冲( 10/350μs，2 ms)的250倍，累积能量约为单脉冲的20倍。单脉冲模拟的结果不符合自然雷电的物理特征。本文推断虽然单脉冲下受潮对Zn0压敏电阻老化性影响较弱。但在多脉冲冲击中，微弱的受潮效应则可能被“放大”，导致MOA显著老化劣化甚至失效。因此在实验室模拟自然雷电多脉冲波形的情况下，对Zn0压敏电阻进行受潮冲击老化实验。探究受潮后的Zn0压敏电阻在真实雷电环境中老化劣化特性，为今后可耐受高湿环境的Zn0压敏电阻的研发和生产工作提供参考。
1 ZnO压敏电阻的理化特性分析
1.1 水分子与晶界中氧化离子的化学反应
通常情况下．Zn0压敏电阻中氧分子的存在将影响Zn0非线性电阻的电势垒特性，氧分子存在于Zn0电阻内部，通过它与导致Zn0电阻老化的填隙锌离子反应，产生性能稳定的中性Zn0晶格．从而延缓Zn0电阻的老化。潮湿环境中，水分子进入Zn0压敏电阻内部，与晶界巾氧化离子发生化学反应。
即通过化学反应形成碱性离子OH和e-。导致晶界层氧原子的含量减少，加速Zn0压敏电阻的老化。在晶界层产生的碱性OH-也能破坏晶界层，导致晶界层电阻降低。产生的e-,填充晶界层中未填充的电子陷阱，然后品界层中形成电子空间电荷。这些电子空间电荷从某一能量状态就能容易地越过反偏势垒，进入Zn0品粒的导带，形成电子流IR。
1.2 Zn0压敏电阻片的温区梯度
Zn0压敏电阻由无数晶体、品界和晶界层构成，目前一般分为3个区域：(1)品粒与晶界直接接触，中间没有晶界层存在；(2)两品粒间存在很薄的品界层；(3)晶界相的富集区。这3个区域在冲击电流作用下的发热是不同的。区域3热阻较区域1和区域2大得多，当有电流作用时，温度升高顺序为：区域3>区域2>区域1。+
为方便研究其热行为，将其理想化为图2简化模型。该模型假设品粒大小相同，并具有相同厚度的晶界所包覆。为接近真实情况，将发热最严熏的区域3和温升较小的区域1一起考虑。通过对压敏电阻在受冲击时热过程传导方程求解．可以得出晶体内部的温度分布情况。晶界与晶粒中心存在着很大的温差，随着向晶粒内部的深入．温度渐进为恒定值：晶粒与晶粒直接接触晶界的温升不可忽视，因而使晶粒内的温度在接近边界时又处于上升趋势，晶界与晶粒内温度也形成一定梯度。
随着晶界最高温升△Tgb，的上升，深陷阱引起的TSC峰的电荷量不断增大，说明深陷阱对电荷的捕捉量随着△Tgb的上升而增大的趋势。△TGB很高以后，由于品格振动加剧，使一级电离Zn的迁移量减少，由于以上晶界区电荷量的变化,使Zn0压敏电阻的伏安特性的蜕变程度随着△Tgb的上升而愈加严重。在压敏电阻的性能上表现为Ulma的快速变化和，IL的增大。
2试验模型的建立
2.1 试验样品选择与测试方法
通过静态参数对Zn0压敏电阻进行筛选．选择不同厂家A和B各40只静态参数相近的压敏电阻片,采用大量样品试验以减少实验过程中的偶然性和实验数据的离散性．以期得到更加真实的浪涌保护器(surge protection device，SPD)特性与数据。其主要参数均为：最大持续工作电压Uac.=510 V，标称放电电流，In=20 kA，最大放电电流lmax=40 kA。首先将A厂家的试品分成2组：第1组标号为Al～Al0，第2组标号为A11～A20。由于本实验是针对长期处于高潮湿环境中的电涌保护器老化过程的研究．凶此要求水分子必须进入Zn0压敏电阻内部，事实上．中国西南及南方部分高潮湿地区，其实际运行环境已经达到了湿热箱法的温度和湿度。因此对A1～A10采取相同的钻孔处理，将钻孔试品放置于湿热箱．进行48 h的受潮实验，潮湿箱的相对湿度为91%～95%。温度设置在25℃。
第2组作为老化对比参照试验将A11～A20用无水乙醇进行表面清洁后放置在温度25℃的低温干燥箱中进行低温干燥，以便达到消除试样中的水分、表面污秽等影响实验对比分析的因素。B组采用同样的实验过程，重复实验。
2.2 多脉冲波形选择
为最大可能地模拟真实雷电的放电过程．采用国内最先进的同时序多闪击十脉冲SPD高压实验平台作为冲击高压源。根据实际观测结果，采用8/20 μS波形，首脉冲为20 kA，后继8个脉冲为10 kA,最后1个脉冲为20 kA。参照IEC62305 -1标准中对多脉冲时间间隔的设定．本文将第1～9个脉冲中每个脉冲间隔设定为60 ms,第9与第10个脉冲间隔设定为400 ms, 10个脉冲总时间是880 ms。图3所示为实验过程中在示波器上采集的10脉冲短路波形。
2.3试验设备
静态参数U1mA和，IL（采用0.75 UimA电压测试）使用CJ1001型压敏电阻直流参数仪进行测量。其测试参数选择依据为《浪涌抑制型压敏电阻器评定方法：SJ/T 10349-93》。
图4中共有10个波形发生器．触发电流1次
可产生10个间歇时间可调的脉冲型号．对10个8/20 μs波形发生器进行触发放电。每个波形发生器均可以设置各白脉冲电流幅值，峰值范围是几kA～l00 kA。第1和第10脉冲最大峰值是100 kA，它们之间的其他脉冲峰值为50 kA。该发生器具有控制10个时间的触发通道，分别由10个独立的放电电路实现。计算机和触发通道由线路光纤相连。在显示终端对相邻脉冲间隔发生时间进行设置．时间间隔可以1—999 ms改变。触发单元女n图5所示。
3 Zn0压敏电阻老化试验
Zn0压敏电阻在冲击电流的冲击作用下会发生老化，目前一般以压敏电压波动(△U1ma/U imA)不大于±10%或，IL不大于20 μA作为衡量Zn0压敏电阻可继续使用的标准。本试验主要对Zn0压敏电阻分别在干燥和潮湿条件下进行多脉冲冲击实验．并对Zn0压敏电阻的老化情况进行对比分析，如图6所示。
图6 a）为干燥环境下的压敏电压变化情况。实验中发现单脉冲下前10次冲击．Zn0压敏电阻压敏电压没有明显的变化。而多脉冲第6次冲击后的压敏电压已经超出正常值，发生损坏。因此，为更加清楚对比Zn0压敏电阻在单脉冲和多脉冲下的老化劣化情况，在小图中绘制同样次数下二者的变化情况。从6a）小图中可以发现，单脉冲前10次冲击后UnA值基本稳定，多脉冲冲击下的UimaA值则呈现快速的下降趋势，且变化幅度存在“拐点”。
图6 b)是潮湿环境下Zn0压敏电阻的UimA变化情况。从图6b）小图可以看出，潮湿环境下，多脉冲冲击对于压敏电阻是一种近乎“毁灭”式的影响，第2次多脉冲冲击后U1ma值的变化量超出了±10%的判断标准。而单脉冲下的压敏电阻U1ma值仍处于冲击前的“良好”状态。
相比于图6a）、图6b）中UimA初始测量值减少近30 V,随着冲击次数的增加，其单脉冲下U1ma值趋势变化更加明显。达到UmA变化量为±10%的劣化效果：图6a）中单脉冲需要冲击12次，多脉冲需要冲击2次。图6b）中单脉冲需要冲击50次，多脉冲需要冲击6次。总体来看，Zn0压敏电阻受潮后，UIMA。初始值变小，随着脉冲冲击次数的增加，UIMA幅值变化更为剧烈。多脉冲冲击对Zn0压敏电阻UIMA值的影响较单脉冲更为明显，耐冲击次数仅为单脉冲的1/10。
实验室中的单脉冲冲击波形为8/20 μs，峰值电流为20 kA．即In标称冲击。多脉冲为10个8/20 μs波形，首末峰值电流为20 kA,中问8个波形峰值为10 kA．每次冲击后将Zn0压敏电阻片冷却至室温后再次进行冲击。选取样品，测量每次冲击后压敏电压值和泄漏电流值并进行绘图．得到不同环境中压敏电阻在单脉冲、多脉冲冲击过程中二者的变化情况，如图7所示。
网7a）为干燥环境下的压敏电阻使用单、多脉冲进行冲击后泄漏电流的变化情况。从图7 a）中小图可以看出，在多脉冲冲击下．Zn0压敏电阻泄漏电流上升较快，在前3次冲击下．泄漏电流比较稳定，均集中在2～3 μA，上升较缓和。在第4次冲击后，泄漏电流快速增长，第6次冲击后，测量Zn0压敏电阻的泄漏电流达到34.4 μA，已经不可以继续使用。而在单脉冲冲击下．Zn0压敏电阻的泄漏电流增长较小，均在2μA以内。
从图7 b)巾可以看出，受潮后的Zn0压敏电阻泄漏电流已经超出20μA的正常值，丧失了保护作用。图7中大图为在单脉冲冲击情况下．Zn0压敏电阻使用，1．=40 kA冲击后的泄漏电流情况。Zn0压敏电阻在冲击65次后，泄漏电流超出20 μA，发生损坏。在单脉冲冲击情况下，Zn0压敏电阻前50次冲击过程中，泄漏电流均变化不大，没有明显的增大。在冲击50次后，泄漏电流出现明显增大趋势。
从图6和图7中可以发现，与单脉冲相比，在多脉冲冲击下．Zn0压敏电阻的老化速度明显加快。在环境干燥情况下，冲击4~5次后。则基本丧失保护作用。而当Zn0压敏电阻受潮时．1~2次多脉冲冲击后，基本参数超出标准值损坏．丧失保护作用，对随多脉冲冲击次数变化样品失效数量进行统计，如表1所示。
Zn0压敏电阻老化的实质是一种晶界现象．老化是晶界层中离子改变的结果，受潮后，高介电常数的水分子进入晶界层，造成部分Zn0晶粒与Zn0晶粒的直接导通，同时，水分子与晶界层中氧原子发生化学反应。使具有双肖恩特基势垒结构的晶界层发生畸变，从而影响了MOV的非线性特性．使MOV的漏电流增大，晶界电压降低，导致MOV压敏电压降低。当使用多脉冲冲击瞬间．Zn0压敏电阻处于近似绝热状态，压敏电阻散失的热量远远小于多脉冲“给予”的热量。在越短时间内,压敏电阻吸收的热量越多，则在晶界越引起更大的温升，形成很高的温度梯度，使晶粒热导率降低,晶界附近的热膨胀系数增大，因极大的温度梯度引起的热应力，加之进入晶界内部的水汽因高温膨胀，使材料从某些晶界处裂开，形成微裂纹，使电流通道面积减小，局部电流密度突然增大，最后Zn0压敏电阻因热应力而炸裂，失去应有的保护能力。这些现象在压敏电阻的宏观参数上表现为压敏电压的快速变化以及泄漏电流迅速增大。
4结论
通过对干燥和受潮的压敏电阻进行单、多脉冲冲击．将其静态参数变化情况对比分析，得出以下结论。
(1) Zn0压敏电阻在多脉冲冲击下更易老化。多脉冲和单脉冲冲击下压敏电压和泄漏电流曲线变化情况类似，均呈现先平稳后快速变化的趋势。但在多脉冲情况下，初期平稳时间更短，后期快速变化幅度更为剧烈。
(2)潮湿环境下，Zn0压敏电阻的UIMA初始值减小．泄漏电流初始值增大，压敏电压出现较干燥环境下接近3倍的老化速度，30%的合格样品在1次多脉冲冲击后失效。超过半数的合格样品在第2次冲击后失效。
(3)通过对压敏电阻理化特性分析发现，受潮时．水分子进入晶界层，水分子与晶界中氧化离子发生化学反应，造成部分Zn0品粒与Zn0晶粒的直接导通，使具有双肖恩特基势垒结构的晶界层首先发生畸变。在多脉冲冲击下，短时间内Zn0压敏电阻处于热绝缘状态，热量效应积累导致内部晶粒热导率的下降，部分热导性能较差的晶界首先由热平衡状态转入热不平衡状态，使其在冲击作用下，品界区电荷量产生变化，最终伏安特性发生蜕变。
5摘要：ZnO压敏电阻是电力系统金属氧化物避雷器(MOA)的核心器件。Zn0压敏电阻受潮是影响其性能蜕变的重要因素。借助湿热箱和多脉冲平台，研究Zn0压敏电阻在受潮条件下的性能变化。结果显示：受潮时压敏电压(Uima)超出±10%标准范围的速度是干燥时的3倍，30%的合格样品在一次多脉冲冲击后失效。干燥时多脉冲冲击下Uima与泄漏电流(IL)均呈现平稳期减短，末期变化速度增快的趋势。通过Zn0压敏电阻的理化特性分析发现，压敏电阻受潮后水分子进人品界层发生化学反应，使具有双肖恩特基势垒结构的晶界层发生畸变。多脉冲冲击下，其内部晶粒热导率急剧下降，部分热导性能较差的晶界首先发生热平衡状态转变，品界区电荷量产生变化，最终伏安特性发生蜕变。
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