春雷防雷器解讀壓敏電阻相關(guān)知識
異常過電壓的破壞作用及種類
異常過電壓的破壞作用通常是把超過設(shè)計(jì)規(guī)定的正常工作電壓上限值的電壓，稱為“異常過電壓”或簡稱“過電壓”。它是壓敏電阻器的工作對象，如果沒有過電壓，也就沒有壓敏電阻器的生存空間了，因此要了解壓敏電阻器，就必須對過電壓有個(gè)基本了解。過電壓將對電氣或電子裝置，其中的電路，元器件，造成直接破壞，這種破壞，依據(jù)其嚴(yán)重程度，大體可分為以下四種情況： ①使設(shè)備、裝置短時(shí)間工作錯(cuò)亂。 ②造成潛故障，即使得電路和器件的性能下降，壽命縮短，提前失效。 ③造成電路或器件的永久性損壞。 ④導(dǎo)致起火，觸電等安全事故。異常過電壓可能是外來的，也可能是設(shè)備，裝置內(nèi)部自生的。外侵過電壓的侵入途徑，可以通過導(dǎo)線、電路傳導(dǎo)進(jìn)入，也可以通過靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)侵入。過電壓的出現(xiàn)可能是有規(guī)律的周期性的，但更多則是隨機(jī)的。因此在大多數(shù)情況下，很難準(zhǔn)確的把握它。異常過電壓，依據(jù)其成因的不同，可以分為雷擊過電壓、操作過電壓、靜電和暫態(tài)過電壓等。
3.2 雷電過電壓雷云直接對設(shè)備、裝置放電時(shí)，設(shè)備裝置所承受的是“直擊雷過電壓”，這種情況，畢竟是很少的，而通常所說的雷擊過電壓是指“感應(yīng)雷電壓”。當(dāng)雷擊對地面某一點(diǎn)放電時(shí)，通常是在它周圍方圓1.5km范圍內(nèi)的導(dǎo)線，導(dǎo)體中，都會有一定幅度值的瞬態(tài)電壓產(chǎn)生，產(chǎn)生這種沖擊電壓的主要機(jī)理如下： ①雷云對附近地面的物體放電，或在附近云層中放電，產(chǎn)生的電磁場，會在供電系統(tǒng)的線路導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 ② 附近云-地之間放電產(chǎn)生的入地電流，耦合到接地網(wǎng)的公共接地阻抗上，在接地網(wǎng)的長度和寬度方向上產(chǎn)生電壓差。 ③ 若雷擊時(shí)，變壓器一次側(cè)的間隙性避雷器動作，一次側(cè)電壓快速跌落，這種快速跌落通過變壓器的電容耦合，傳送到二次側(cè)，迭加在通過正常變壓器耦合的電壓上，形成二次側(cè)沖擊電壓。 ④雷電直接擊中高壓一次側(cè)線路，向一次側(cè)線路注入極大的電源。這種大電流流過接地電阻或一次側(cè)導(dǎo)體的沖擊阻抗，都會產(chǎn)生高電壓。一次側(cè)的這種高電壓又可通過電容耦合，和正常的變壓器耦合，在低壓交流電源線路中出現(xiàn)。 ⑤雷電直擊中二次側(cè)線路，這意味著極大的電流和這種電流所產(chǎn)生的極高電壓，他們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備本身和接在二次側(cè)線路中的保護(hù)器件的承受能力。為模擬雷電沖擊，國際上規(guī)定“1.2/50”電壓波為標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波（1.2/50的含義是指一個(gè)單極性的指數(shù)波，其波前時(shí)間為1.2μS，波尾下降到半峰值的時(shí)間為50μS）。“10/350”電流波為未經(jīng)傳導(dǎo)衰減的電流波，“8/20”電流波為經(jīng)傳導(dǎo)衰減的感應(yīng)雷電流波。雷電沖擊波的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)短，但峰值很高。
3.3操作過電壓操作過電壓是指電路中的斷路器、隔離開關(guān)、繼電器、可控硅開關(guān)等通斷轉(zhuǎn)接時(shí)，在系統(tǒng)電路中、電路對地以及開關(guān)兩端所產(chǎn)生的過電壓。產(chǎn)生操作過電壓的原因是由于線路及其中的元器件都帶有電感和電容，儲存在電感中磁能和儲存在電容中的靜電場能量，在電路狀態(tài)突變時(shí)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，過度的振蕩過程，由振蕩而出現(xiàn)過電壓。操作過電壓的持續(xù)時(shí)間比雷擊過電壓長，比暫態(tài)過電壓短，在數(shù)百微妙到100mS之間，并且衰減很快。 GB/T16927.1-1997（ICE60-1.1989）規(guī)定用250/2500沖擊電壓波來模擬操作沖擊電壓。在壓敏電阻測試中規(guī)定用10/1000電流波，2ms電流波進(jìn)行能量的測試。
3.4 靜電放電 100％ 1ns t 圖2.2 靜電放電波形 i 30ns 60ns 眾所周知，在天氣干燥的冬天，人體與衣服間的摩擦?xí)谷梭w帶電，當(dāng)帶電的人與電子產(chǎn)品接觸時(shí)，就會對電子產(chǎn)品（如手機(jī)）放電，這是一種典型的靜電放電，靜電放電的特點(diǎn)是電壓很高，但時(shí)間很短，為納秒極。 IEC61000-4-2規(guī)定的模擬靜電放電的電壓，等級為2kv-8kv，相應(yīng)的電流峰值為（7.5-30）A，波形如圖2.2所示。 3.5 暫態(tài)過電壓暫態(tài)過電壓是指當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障，切斷負(fù)荷或諧振時(shí)產(chǎn)生的相-地，或相-相間的電壓升高，它的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間比較長（0.1S-60S，與系統(tǒng)的保護(hù)方式有關(guān)）。暫態(tài)過電壓的幅值隨供電系統(tǒng)的接地方式而異，接地電阻大的系統(tǒng)，暫態(tài)過電壓倍數(shù)就大。
壓敏電阻加壓比Rap(荷電率)
加壓比是指加在壓敏電阻上的電壓峰值與壓敏電壓UN之比，也稱為“荷電率”，當(dāng)考核壓敏電阻在工頻暫態(tài)電壓下的穩(wěn)定性時(shí)需要用到這一指標(biāo)，例如給壓敏電阻施加工頻交流電壓，使加壓比Rap達(dá)到1.13，考核試樣能否達(dá)到熱穩(wěn)定，好的壓敏電阻可達(dá)到Rap=1.15~1.18。
壓敏電阻的通流量（最大沖擊電流）Im
壓敏電阻能夠承受的波形為8/20的最大沖擊電流值，稱為通流量Im。“能夠承受”的含義是，沖擊后壓敏電壓的變化率不大于10%?，F(xiàn)行的技術(shù)規(guī)格中通常給出沖擊1次和沖擊2次的Im值。
最大持續(xù)工作電壓Uac、Udc
這是指壓敏電阻能夠長期承受的最大交流電壓有效值Uac，或最大直流電壓值Udc。確定Uac的原則是：交流電壓的峰值不大于壓敏電壓的公差下限值。常規(guī)ZnO壓敏電阻的壓敏電壓為K級公差（±10%），同而Uac可表示為： （3）確定Udc的原則是：壓敏電阻在Uac下的功耗與Udc下的功耗大體相等。常規(guī)ZnO壓敏電阻的Udc可表示為： Udc≈0.83UN， Udc≈1.3 Uac 實(shí)際器件能否承受指標(biāo)規(guī)定的Uac、Udc，是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的，方法是在85℃的環(huán)境下，加上Uac或Udc，實(shí)驗(yàn)1000小時(shí)，壓敏電壓和限制電壓的變化不大于±10%。上面敘述了壓敏電阻器的四個(gè)主要指標(biāo)UN、Uac、Udc、Up
添加稀土氧化物的氧化鋅壓敏閥片的制備工藝及其參數(shù)優(yōu)化
氧化鋅壓敏閥片的制造工藝和一般電子陶瓷的制造工藝大致相同，但也有它的特殊性。由于壓敏電阻閥片具有高電阻非線性，微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，都將顯著地影響其性能的不均勻，使其電阻非線性、通流容量和壽命特性降低。因此在壓敏閥片的制造過程中，嚴(yán)格地控制工藝是提高其性能的關(guān)鍵。氧化鋅壓敏閥片的工藝過程主要包括混合、干燥、預(yù)燒、造粒、成型和燒成。胚體在高溫下發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，形成預(yù)期的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的燒結(jié)體，這一工藝過程稱為燒結(jié)。為了得到性能良好難得燒結(jié)體，必須制定正確的燒結(jié)制度，因此燒成是工藝過程的重要環(huán)節(jié)。本章主要研究影響燒結(jié)質(zhì)量的幾個(gè)主要工藝參數(shù)并對其進(jìn)行優(yōu)化。分析燒結(jié)溫度對氧化鋅壓敏閥片性能的影響，提高燒結(jié)溫度，有利于液相的重結(jié)晶，會促進(jìn)晶粒長大，晶粒越大壓敏電位梯度越低，因此隨著燒結(jié)溫度的提高，電位梯度一直呈下降趨勢。另外隨燒結(jié)溫度提高，氧化鋅粒長大，晶粒分布更加均勻，晶粒線度趨于一致，氣孔減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，所以壓比降低，非線性提高。如果繼續(xù)提高燒結(jié)溫度，由于Bi2O3和Sb2O3大量揮發(fā)，會破壞一部分合適的晶界結(jié)構(gòu)（即耗盡層破壞），晶界越來越薄，使得電阻率下降，所以壓比升高，非線性系數(shù)急劇下降，其他電性能也出現(xiàn)劣化。本章小結(jié) (1) 綜合考慮壓敏閥片的主要電性能指標(biāo)（壓敏電位梯高度，壓比低），對燒結(jié)溫度工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后得到結(jié)論：燒結(jié)溫度為11500C時(shí)電位梯度較高，而壓比最小，因此確定11500C作為最佳燒結(jié)溫度。 (2) 綜合考慮壓敏閥片的主要電性能參數(shù)（電位梯高度，壓比低），對保溫時(shí)間工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后得到結(jié)論：保溫時(shí)間為2.5小時(shí)時(shí)電位梯度較高，壓比最低，因此確定2.5小時(shí)為最佳保溫時(shí)間。 (3) 對升溫方式工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后得到結(jié)論：隨爐緩慢升溫的試樣的電位梯度高于到11500C后再加入試樣的電位梯度，非線性系數(shù)和其他電性能也優(yōu)于后者，因此確定隨爐連續(xù)緩慢升溫為最佳生物方式。 (4) 對冷卻方式工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后得到結(jié)論：爐冷試樣的壓敏電壓、電位梯度、壓比、非線性系數(shù)等各項(xiàng)電性能指標(biāo)均優(yōu)于空冷試樣，因此確定隨爐緩冷作為最佳冷卻方式。
限制電壓Up，限壓比Rp
廣義的限制電壓是指沖擊電流流入壓敏電阻器時(shí)，它兩端的峰值。作為壓敏電壓器考核指標(biāo)的限制電壓Up，則是指波形8/20，峰值Ix為表7.1規(guī)定值時(shí)的沖擊電流流入時(shí)，壓敏電阻兩端電壓的峰值。這里要注意，由于壓敏電阻本身材料的特性，電流的峰值與電壓的峰值，在出現(xiàn)的時(shí)間上可能不重合。 Ix的取值，是按電流密度大體為6A/ cm2（當(dāng)UN≤68V時(shí)）或30A/ cm2（當(dāng)UN＞68V時(shí)）來確定的。由于不同直徑的電阻片，以大體相同的電流密度來測量，這樣一來，壓敏電阻UN相同而直徑不同的壓敏電阻器，它們的限制電壓Up的指標(biāo)值就可以是相同的了。壓敏電阻的基本功能是抑制瞬態(tài)異常電壓，所以限制電壓是它的最重要的一個(gè)使用參數(shù)。器件的實(shí)際限制電壓應(yīng)低于規(guī)定的指標(biāo)值。限制電壓Up與壓敏電阻UN之比稱為限壓比Rp。 Rp越小，越接近于1，表明器件的限壓性越好，因此技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定Up的最大允許值。有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如IE61643-1，將規(guī)定沖擊電流下，器件兩端測得的電壓峰值稱作“殘壓”，而把一組殘壓數(shù)據(jù)中的最大值稱作該器件的限制電壓。
壓敏電阻的漏電流IL
漏電流是指壓敏電阻吉擊穿導(dǎo)通以前，即電壓低于壓敏電壓UN時(shí)的電流。通常總希望漏電流IL盡可能小。并且要穩(wěn)定。目前，測量漏電流所用的電壓有多種規(guī)定，因此也就有多種不同的漏電流現(xiàn)總匯如下：定電壓漏電流的測量電壓，一般為最大持續(xù)直流工作電壓，或用戶規(guī)定的某個(gè)使用電壓。這里要注意，由于在測量電壓下，壓敏電阻器有一定的非線性，同此，以同一電壓值來測量UN處在公差上限的產(chǎn)品，和UN處在公差下限的產(chǎn)品，其漏電流的差別會很大，因此定電壓漏電流雖然對于使用而言是個(gè)合適指標(biāo)，但對于評判其內(nèi)在質(zhì)量并不合適，因此提出0.83或0.75倍UN條件下的漏電流，即實(shí)際壓敏電壓變化時(shí)，漏電流的測量電壓也要相應(yīng)地變化，但測量電壓對UN的比例不變。當(dāng)壓敏電阻加上工頻正弦電壓u時(shí)，其中漏電流iz包括容性電流ic和阻性電流iR兩部分，如圖7.1所示。容性電流不會產(chǎn)生有功損耗，其量值一般也不大，在多數(shù)情況下不予特別關(guān)注。阻性漏電流會引起電阻體發(fā)熱，并且隨著電阻體的老化，其量值逐漸增大，因此應(yīng)予重視。由于壓敏電阻的高非線性，因此在50HZ工頻正弦交流電壓下，阻性漏電流大體為半幅值寬度為1.5-3ms的尖脈沖。張梅的研究報(bào)告指出，這種電流波的波峰系數(shù)Kf（電流峰值對于有效值的比例）大體為2.7左右。這樣，只要測得電流峰值，就可以方便地估算出它的有效值了。
壓敏電阻的額定能量Em
額定能量是指壓敏電阻能夠承受規(guī)定波形的沖擊電流沖擊一次的最大能量。“能夠承受”的判據(jù)是沖擊后壓敏電壓的變化率不大于10%。 Em值是與沖擊電流的波形密切相關(guān)的，現(xiàn)行ZnO壓敏電阻產(chǎn)品技術(shù)資料中給出了10/1000電流波和2ms方波電流條件下的Em值，同一器件承受10/1000電流的能量，大體承受2ms電流的能量的1.4倍。實(shí)際器件的能量耐受能力能否達(dá)到指標(biāo)規(guī)定值，應(yīng)通過沖擊電流試驗(yàn)檢驗(yàn)。即將10/1000或2ms電流波加在器件上，測量實(shí)際的電流峰值Ip和電壓峰值Up，然后用下面的公式計(jì)算出能量。調(diào)整試驗(yàn)設(shè)備，使這個(gè)能量值等于指標(biāo)規(guī)定值。試驗(yàn)后測量壓敏電壓的變化率不應(yīng)大于10% 10/1000電流波 E=1.4UpIp×10-3 （5） 2ms電流波 E=2 UpIp×10-3 （6）
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