不同環(huán)境多脈沖雷電高壓下ZnO壓敏電阻的失效分析

張春龍，行鴻彥，李鵬飛，李春影，呂東波

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044；4.黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，哈爾濱 150030）

0 引言

ZnO壓敏電阻具有非線性特性好和無續(xù)流等優(yōu)點，目前已被廣泛地應(yīng)用于電子電氣設(shè)備的雷電防護[1-2]。按照防雷等級要求安裝的壓敏電阻，其性能以及各方面指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，然而在自然雷電沖擊后，壓敏電阻的靜態(tài)參數(shù)甚至外觀均會發(fā)生不同程度的損壞。目前國內(nèi)外對ZnO壓敏電阻進行的沖擊試驗均采用10/350 μs和8/20 μs單脈沖波形測試[3]。然而，現(xiàn)代雷電觀測和人工引雷采集的數(shù)據(jù)表明，自然界大部分雷電是多閃擊過程，單脈沖雷電波形同自然閃電的多次回?fù)暨^程存在很大的差異[4]。特別是2008年6月，在瑞典第29屆國際雷電防護大會上F.Heidler的報告中指出觀測到一次閃擊過程包含了11個脈沖。據(jù)統(tǒng)計，接近70%的對地閃包含2～20個的閃擊過程，平均數(shù)量為3～5個，閃擊脈沖時間間隔為30～40 ms[5]。實踐表明，多脈沖對地雷擊的沖擊能量對ZnO壓敏電阻等防雷器件有巨大的損害。單脈沖防雷產(chǎn)品在多脈沖雷擊下經(jīng)常發(fā)生起火燃燒，存在巨大安全隱患，雷電單脈沖測試方法無法較好模擬后續(xù)雷擊帶來的損害[6]。因此，分析多脈沖下ZnO壓敏電阻的耐受沖擊特性，對于防雷元器件的防雷性能和安全性能的改進顯得尤為重要。

目前國內(nèi)對于ZnO壓敏電阻在雷電多脈沖沖擊下的性能研究剛剛起步，其在雷電多脈沖沖擊下的電性能如何變化，在多脈沖下耐受沖擊能力如何，在多脈沖連續(xù)沖擊熱量急劇累積增加條件下起火燃燒原因都值得研究。肖楊[7]等人開展了多脈沖高壓下施加交流電壓負(fù)載對ZnO壓敏電阻性能的研究。李鵬飛、楊仲江[8]等人研究了多脈沖下的ZnO壓敏電阻的損壞形式，指出了ZnO壓敏電阻在多脈沖下?lián)p壞形式和單脈沖下存在很大差別。楊海山、肖穩(wěn)安[9]等人對十脈沖下ZnO壓敏電阻的老化進行了分析。樓嘉懿[10]利用SEM電鏡和XRD衍射儀研究了多脈沖沖擊下ZnO壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)變化。這些研究對ZnO壓敏電阻的多脈沖雷電防護研究提供了重要的指導(dǎo)，但都是在正常工作環(huán)境條件研究的，而工程實踐中，ZnO壓敏電阻常常處在不同工作環(huán)境下，尤其是潮濕和鹽霧等條件下會不同程度影響壓敏電阻的內(nèi)部性能[11]。因此，本文采用20脈沖雷電測試系統(tǒng)對不同惡劣環(huán)境處理后的ZnO壓敏電阻進行沖擊試驗，此試驗現(xiàn)象更接近于ZnO壓敏電阻在實際應(yīng)用中遭受雷擊時表現(xiàn)出的性能。

1 試驗方法與材料

1.1 試驗設(shè)備與沖擊波形

本文試驗利用國內(nèi)最先進的20脈沖雷電沖擊測試設(shè)備，采用同時序控制和多路放電技術(shù)，包含了20通道高速數(shù)據(jù)采集、多閃擊波形數(shù)值重建、放電過程能量計算、雷電過程能量分布和分析等技術(shù)，能夠完成多閃雷擊過程的物理模擬，可以輸出1～20個連續(xù)8/20 μs閃擊波形，用以模擬自然界真實雷電波形。環(huán)境處理使用的設(shè)備為鹽霧試驗儀（廠家：上海冠圖防雷科技有限公司，型號：YWX/Q-150）和高低溫交變濕熱箱（廠家：上海冠圖防雷科技有限公司，型號：GDWS/P-100），設(shè)備外觀圖見圖1。

圖1 沖擊設(shè)備和環(huán)境處理設(shè)備外觀圖Fig.1 Impact equipment and environment processing device appearance diagram

IEC62305-1雷電防護第1部分：總則[12]對多脈沖給出了專門定義，定義平均含有3～4個雷擊的雷電，雷擊間隔時間約為50 ms的雷電為多脈沖雷電。所以本次試驗波形選取為時間間隔為50 ms的5脈沖8/20 μs短路電流波形，電流幅值選取為壓敏電阻標(biāo)稱放電電流。波形圖見圖2，本實驗中，沖擊電流選用8/20 μs波形的多脈沖，脈沖數(shù)量為5個，脈沖時間間隔為50 ms，5個脈沖幅值均為標(biāo)稱放電電流。

圖2 多脈沖控制系統(tǒng)和5脈沖雷電脈沖波形Fig.2 Multi-pulse control system and 5 pulse waveform of lightning current impulse

1.2 試驗樣品選取

試驗中選取同一廠家同一型號的壓敏電阻方片，標(biāo)稱放電電流In=20 kA，最大放電電流Imax=40 kA，Uc=385 V，通過防雷元件測試儀測量其靜態(tài)參數(shù)壓敏電壓值以及泄漏電流值，并對其進行篩選，選取靜態(tài)參數(shù)最相近的24片壓敏電阻片進行試驗，分別標(biāo)記為 A1—A3，B1—B3，C1—C3，D1—D3，E1—E3，F(xiàn)1—F3，G1—G3，H1—H3不同編號分別對應(yīng)不同的測試條件和環(huán)境。

1.3 試驗方法

1）用設(shè)定好的多脈沖雷電流沖擊壓敏電阻試品A1—A3，每次沖擊完后，再測量壓敏電阻的壓敏電壓、漏流、溫度以及沖擊時的電流波形。每相鄰兩組沖擊時間間隔為30 min，直到壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)壓敏電壓U1mA超出標(biāo)準(zhǔn)±10%，漏流超20 μA[13-14]，或者直接發(fā)生外觀損壞為判斷終止點，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。如出現(xiàn)起火燃燒，必須采取照相和錄像。

2）工頻負(fù)載下沖擊：在氧化鋅電阻片不發(fā)生沖擊破壞（穿孔或破裂）的情況下，對防雷元器件最嚴(yán)峻的考驗是動作負(fù)載試驗，要求電阻片在吸收沖擊電流或線路放電的能量后，施加規(guī)定時間的額定電壓之后，回到正常工作電壓狀態(tài)而不發(fā)生熱崩潰。因此，選擇試品E1—E3，在沖擊源端加上動作負(fù)載電壓為Uc的交流電源，重復(fù)以上試驗過程，記錄試驗過程中相關(guān)數(shù)據(jù)。

3）特殊環(huán)境處理后沖擊：本研究針對所處惡劣苛刻的環(huán)境中，如化工企業(yè)以及特定行業(yè)的惡劣生產(chǎn)環(huán)境，進行濕熱和鹽霧環(huán)境處理，探究壓敏電阻耐受沖擊的能力是否會有改變。將試品絕緣層進行打磨和剝離，利用高低溫濕熱箱，將試品B1—B3進行高溫高濕（T=98℃，H=95%）處理、C1—C3進行常溫高濕（T=25℃，H=95%）處理、利用鹽霧試驗儀將D1—D3進行鹽霧（工業(yè)用鹽的腐蝕環(huán)境）3種特殊環(huán)境條件下進行24 h處理，將試品F1—F3進行高溫高濕（T=98℃，H=95%）處理、G1—G3進行常溫高濕（T=25℃，H=95%）處理、利用鹽霧試驗儀將H1—H3進行鹽霧（工業(yè)用鹽的腐蝕環(huán)境）3種特殊環(huán)境條件下進行24 h處理，然后進行靜態(tài)參數(shù)的測試，并重復(fù)常規(guī)多脈沖試驗過程，記錄試驗過程中相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 沖擊前樣品靜態(tài)參數(shù)值及沖擊環(huán)境條件Table 1 The static parameter value of the sample before impact and the impact environment

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓敏電阻破壞形式

室溫條件多脈沖沖擊下，壓敏電阻A1～A3能夠耐受的沖擊次數(shù)為9～10次，3片壓敏電阻的壓敏電壓和漏流在第10次沖擊之前變化趨于穩(wěn)定，且泄漏電流急劇增大，在沖擊第10次后，壓敏電阻發(fā)生損毀炸裂，壓敏電阻片A1的破壞形式見圖3（a），金屬貼片發(fā)生剝落，邊角處發(fā)生擊穿或者炸裂。

在單脈沖沖擊下，目前在學(xué)術(shù)界能夠認(rèn)同并被實驗結(jié)果證實的觀點是認(rèn)為ZnO壓敏電阻的老化是由于內(nèi)部的離子遷移引起的。在一定的環(huán)境溫度和外界場長期作用下，離子的重新分布導(dǎo)致肖特基勢壘的畸變，從而引起泄漏電流的增加，發(fā)生老化[15-16]。試驗發(fā)現(xiàn)多脈沖下壓敏電阻內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)會發(fā)生融穿，沖擊老化的機理主要是熱老化，即在短時間、大幅值的連續(xù)脈沖電流作用下，很短時間內(nèi)有大量的能量注入ZnO壓敏電阻片，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量來不及擴散，使得溫度在極短時間內(nèi)升高很多，最后一次沖擊時，壓敏電阻片表面溫度達到了將近160℃，這個過程可以看作是一個絕熱的溫升過程。壓敏電阻片吸收能量升溫之后，較高的溫度在壓敏電阻片內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱激活能。在單極性的沖擊電壓作用下，一方面晶界層內(nèi)的Bi3+等正離子向反向偏壓側(cè)肖特基勢壘的晶界遷移；另一方面在反向肖特基勢壘耗盡層內(nèi)的正離子也向晶界方向遷移。所有離子的遷移速度明顯高于低電場區(qū)直流電壓作用時的遷移速度。兩方面的作用將引起離子的遷移速度增大和肖特基勢壘的較大畸變，最終產(chǎn)生加嚴(yán)重的單極性老化。由此可見，多脈沖沖擊加速了壓敏電阻的老化進程，最終產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)性的破壞。

由于壓敏電阻片的非均勻性，因此各單元的熱物理性能也存在很大差異，即壓敏電阻片存在熱物理性能的不均勻性。吸收沖擊能量后導(dǎo)致壓敏電阻片不同部位的溫升不同，局部過熱點的熱量來不及向周圍傳遞，造成過熱點與周圍區(qū)域存在很大的溫度梯度，在電阻片的內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力達到一定數(shù)值時，就會引起壓敏電阻片的炸裂破壞。

在沖擊源端加上動作負(fù)載385 V交流電壓后，發(fā)現(xiàn)壓敏電阻片E1—E3僅能承受6次沖擊，并且在損毀時發(fā)生燃燒起火現(xiàn)象，圖3（b）為燃燒后的壓敏電阻片E2外觀圖，壓敏電阻片的邊緣處已被燒毀，并伴有穿孔。這是由于在交流作用時吸收沖擊能量引起的熱破壞，連續(xù)5個脈沖施加的巨大能量而引起擾動，溫升超過壓敏電阻片允許的極限溫升，導(dǎo)致熱平衡的失控。溫度測量顯示，在5個脈沖之后，壓敏電阻片表面的最高溫度高達180℃。

圖3 ZnO壓敏電阻沖擊損壞狀態(tài)圖Fig.3 ZnO varistor damage state diagram

2.2 特殊環(huán)境處理的壓敏電阻耐受沖擊能力

通過對比發(fā)現(xiàn)，壓敏電阻的損壞形式并未發(fā)生變化，未施加負(fù)載時，以邊角炸裂形式損壞，施加負(fù)載后，仍是發(fā)生起火燃燒。不同條件下ZnO壓敏電阻耐受多脈沖沖擊次數(shù)發(fā)生很大變化，見圖4，未經(jīng)過特殊環(huán)境處理的壓敏電阻片的耐沖擊水平為10次，加上動作負(fù)載之后，壓敏電阻片的耐沖擊水平為6次。經(jīng)過特殊環(huán)境處理之后，在同樣測試條件下進行高溫高濕處理的B1—B3壓敏電阻片和進行常溫高濕處理的C1—C3壓敏電阻片在第3次多脈沖沖擊之后發(fā)生破壞、利用鹽霧試驗儀進行鹽霧處理的D1—D3壓敏電阻片只能承受兩次多脈沖沖擊。鹽霧與潮濕試驗中，加上動作負(fù)載之后，在經(jīng)歷一次多脈沖沖擊后，壓敏電阻片即發(fā)生起火燃燒現(xiàn)象。在經(jīng)歷多脈沖沖擊、動作負(fù)載施加、特殊環(huán)境處理三重考驗下，壓敏電阻片 F1—F3、G1—G3、H1—H3只能承受一次沖擊即發(fā)生起火燃燒，說明環(huán)境影響大大降低了壓敏電阻的耐沖擊能力。

圖4 不同條件下ZnO壓敏電阻耐受多脈沖沖擊次數(shù)Fig.4 ZnO varistor tolerance multi-pulse impact times under different condition

前期的高溫高濕、鹽霧等特殊處理，加速了ZnO壓敏電阻的老化進程，ZnO壓敏電阻受潮，除了制造工藝方面的問題外，根本原因就是存在呼吸作用，在環(huán)境溫度冷熱循環(huán)變化下，內(nèi)部空氣或膨脹或收縮而形成呼吸作用，在長期運行過程中，使原來存在的微小空隙有可能擴大，潮濕空氣進入，最終導(dǎo)致失效[17]。研究表明，對于壓敏型防雷元器件來說，由于受潮而引起的故障率高達85.6%，受潮是造成老化劣化的一個重要原因，是指由于型內(nèi)封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)氣孔或裂痕，或由于微觀水分子運動，造成水分子直接進入氧化鋅壓敏電阻內(nèi)部，因此壓敏電阻片外衣的密閉性顯得尤為重要。

鹽霧與潮濕處理在本試驗中相當(dāng)于加速老化試驗，因此ZnO壓敏電阻的老化監(jiān)測極為重要，因為一旦老化嚴(yán)重未被發(fā)現(xiàn)，在配電系統(tǒng)遭受多脈沖雷擊時將容易引起巨大的安全事故。

3 結(jié)論

1）試驗發(fā)現(xiàn)，多脈沖標(biāo)稱電流沖擊下，壓敏電阻破壞形式為邊角處發(fā)生擊穿或者炸裂。多脈沖沖擊的前期可增大肖特基勢壘畸變，是一個老化加速的熱老化過程，最后一次炸裂時是熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱崩潰損毀。在沖擊源端施加動作負(fù)載交流電壓后，壓敏片在最后一次沖擊后發(fā)生燃燒起火現(xiàn)象。

2）經(jīng)過特殊環(huán)境處理之后，壓敏電阻的破壞形式并未發(fā)生改變，但壓敏電阻片的耐沖擊能力大大降低。提高壓敏電阻片絕緣層外衣的密閉性是降低老化速率和提高耐沖擊性能的有效手段。

3）應(yīng)該指出，ZnO壓敏電阻的沖擊破壞是復(fù)雜的物理過程，它和沖擊電流的數(shù)量、幅值、脈沖間隔密切相關(guān)，而且還與壓敏電阻片的品質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性有關(guān)，因此在今后的研究中，應(yīng)改變脈沖的幅值、時間間隔，分析ZnO壓敏電阻的不同表現(xiàn)，同時引入多個廠家的ZnO壓敏電阻進行對比試驗，消除因試驗樣本本身品質(zhì)導(dǎo)致的對結(jié)果的影響。