氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓(TOV)特性

1 引言
由於低壓供電系統中頻繁出現工頻過電壓，用於低壓供電系統中的氧化鋅壓敏電阻器，因不能耐受而發生失效甚至起火[4]。所以，對於採用氧化鋅壓敏電阻器的SPD以及單獨使用的氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓特性提出了明確的要求[4][6][8]。
關於如何表徵和試驗SPD的工頻過電壓特性是有明確規定的[6][8]，而關於如何表徵和試驗氧化鋅壓敏電阻器的方法還沒有明確[9][10]。但在SPD選用氧化鋅壓敏電阻器時和應用氧化鋅壓敏電阻器時卻提出了TOV特性的要求。針對這一情況，行業中提出了很多方法來描述氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，如TOV安秒值、最大熱平衡電壓、TOV熱脫扣特性等，還不能全面科學地說明氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，沒能達成共識。
本文針對氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性展開討論，提出表徵氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性的方法，論述影響氧化鋅壓敏電阻器TOV特性的影響因素。

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2 氧化鋅壓敏電阻器TOV特性的表徵
氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，就是在施加TOV的過程中氧化鋅壓敏電阻器表現出來的特性。在施加TOV的過程中，氧化鋅壓敏電阻器表現出的特性和可度量的參數有很多，如TOV的幅值、耐受TOV的時間、耐受的最高溫升、溫升曲線和電流變化等，那麼究競用什麼參數來表徵產品的TOV特性呢？
2.1 TOV耐受時間特性是氧化鋅壓敏電阻器TOV特性最恰當的表徵
氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，其實質就是氧化鋅壓敏電阻器耐受工頻過電壓的能力。氧化鋅壓敏電阻器能否在低壓系統中耐受工頻過電壓，關乎到用電系統的安全，所以TOV特性是一個重要的安全特性。如果氧化鋅壓敏電阻器不能耐受工頻過電壓，一定會發生短路和擊穿失效，從而導致氧化鋅壓敏電阻器周邊過熱而著火，甚者引起火災[4]。只有氧化鋅壓敏電阻器能夠耐受系統中出現的過電壓時，氧化鋅壓敏電阻器才不發生短路失效，用電系統才是安全的。
既然TOV特性是耐受工頻過電壓的能力，要正確衡量和表徵這一特性，就得從工頻過電壓說起。常見的工頻過電壓有單相接地過電壓、高低壓共地耦合轉移過電壓和失零過電壓。工頻過電壓有兩個很重要的參數，就是幅值和持續時間，其幅值要高出正常工作電壓，持續時間大於瞬態過電壓的μS級，在數百ms至數s之間，甚至更長。
氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓耐受能力，直接針對的是TOV本身，也就是耐受什麼樣的TOV。這種能力當然是與TOV的幅值與持續時間直接相關，最恰當的度量就是TOV本身的特性。所以，TOV特性的表徵應是耐受的TOV幅值與耐受時間，也就是用TOV的幅值與耐受時間相對應的關係來表徵和度量。其實，同樣作為過電壓保護的避雷器，對TOV特性就作出了這樣的表徵， GB/T 11032-2000 《交流無間隙氧化物避雷器》[5]中所規定，「2.38 工頻電壓耐受時間特性：在規定條件下，給避雷器施加不同的工頻電壓，避雷器不損壞，不發生熱崩潰時所對應的最大持續時間的關係。」
基於以上敘述， 藉助SPD的相關規範[6][8]中對SPD的TOV特性的表徵，「TOV耐受時間特性」是最恰當表徵和度量氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性的量。具體定義和度量方法如下：
TOV耐受時間特性的定義：在規定條件下，給氧化鋅壓敏電阻器施加不同的工頻過電壓，氧化鋅壓敏電阻器不發生功能喪失時，或發生熱擊穿前所對應的最大持續時間和工頻過電壓幅值之間的關係。
在定義中，有兩種過電壓耐受模式，一種是「不發生功能喪失」的非破壞「耐受模式」，另一種是「發生熱擊穿」的破壞性「故障模式」。其中「耐受模式」是指經受過電壓後，氧化鋅壓敏電阻器仍然能夠維持滿足產品設計的功能和性能，或其性能的降低在規定範圍內的情況；「故障模式」是指經受過電壓後，氧化鋅壓敏電阻器最終會發生熱擊穿的情況。兩種模式可以由製造商聲明。
TOV耐受時間特性的提供，可以是TOV幅值和對應的耐受時間的一組數據，也可以是TOV幅值和耐受時間數據組構成的伏秒曲線。當然，其中的TOV幅值可以用絕對的或相對的表述。
2.2 TOV耐受安秒值不足以表示TOV特性
TOV耐受安秒值是一個基於描述在TOV施加過程中，氧化鋅壓敏電阻器耐受能量能力的量。肯定地說，提高在TOV其間產品能夠耐受的能量，產品的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，氧化鋅壓敏電阻器在TOV的作用下，實際情況是直接耐受的確定幅值的TOV電壓，其過程中不變的是TOV電壓，而流過氧化鋅壓敏電阻器的電流不是TOV的直接特性，對應於同一幅值的TOV電壓的電流，因氧化鋅壓敏電阻器性能的不同而有很大差異，就是相同壓敏電壓時也不例外。這樣，對於TOV電流大的產品來說，耐受同樣的時間就需要更大的能量，也就是TOV耐受安秒值，TOV電流小的產品則只需小的TOV耐受安秒值。這種情況下，對於同一幅值的TOV來說，TOV耐受安秒值大卻不一定能耐受更長的時間，TOV耐受特性有可能還差。
另外，在同一幅值的TOV電壓作用下，即使兩個相同規格的甚至是相同壓敏電壓的氧化鋅壓敏電阻器，具有相同的TOV耐受安秒值，也就是有同樣的TOV耐受能量，但TOV電壓施加期間因產品性能差異、電平衡和自熱半導體效應，引起流過氧化鋅壓敏電阻器的電流發生變化，同樣的能量消耗會分配出不同的耐受時間。這樣，同一TOV幅值下，相同的TOV耐受安秒值，卻獲得了不同的TOV耐受時間，出現TOV耐受特性的差異。
所以，在給定的TOV電壓幅值時，氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受安秒值，不能完全比較出產品的TOV耐受特性的好壞。
2.3 最大熱穩定工頻電壓表示TOV特性是一個具體的表述
最大熱穩定工頻電壓，是氧化鋅壓敏電阻器能夠在45min之內達到熱穩定（10min之內溫升小於2K）所容許施加的最大工頻電壓。這一特性基於氧化鋅壓敏電阻器在施加TOV電壓時熱失控的失效機制，提出用不發生熱崩潰的前提下可以施加的最大工頻電壓，來表徵產品的TOV耐受特性，是一個很好的作法。它直接給出了可耐受45min而不發生熱崩潰時所能耐受的最高TOV幅值，故障模式、TOV幅值和對應的耐受時間都有，給出了TOV耐受特性的一個數據點，是一個直接的表達。提供的是一個故障模式的能力。
當然，這不是氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的全部。
最大熱穩定工頻電壓，作為一個氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的有效表徵，操作簡單，是研究中很實用的方法。
2.4 氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性支持SPD的TOV特性
氧化鋅壓敏電阻器是一個簡單的元件，而SPD是一個含有或不含有氧化鋅壓敏電阻器的一個器件，含有氧化鋅壓敏電阻器的SPD的TOV耐受特性，除了受氧化鋅壓敏電阻器的影響外，還有其它部件的影響。不含有氧化鋅壓敏電阻器的SPD的TOV耐受特性，不受氧化鋅壓敏電阻器的影響。所以在TOV電壓施加過程中，氧化鋅壓敏電阻器和SPD的表現是不一樣的，氧化鋅壓敏電阻器和SPD的TOV耐受特性不能等同，但只要SPD使用氧化鋅壓敏電阻器，氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性就必須支持SPD的TOV耐受特性。
在IEC 61643-1[8]中，對低壓配電系統中使用的SPD的TOV特性的規定，見「7.4高中壓系統中的故障過電壓試驗」和「7.6低壓系統中的故障過電壓試驗」中，均規定了試驗中的試驗TOV電壓幅值和施加時間。這種規定對SPD的TOV耐受特性的描述，也可以說就是「TOV耐受時間特性」，與本文提出的關於表徵氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性採用了一樣的方法，這就為氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性滿足SPD的TOV特性提供了統一的方法。
為了便於SPD設計，除了提供氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時間特性以外，還需要哪些相關數據呢？
對於「耐受模式」[8]，試驗期間不是允許產品失效的，只要氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時間特性能滿足SPD的要求，則不再需要其它數據支撐SPD的設計。
對於SPD的「故障模式」[8]，涉及到SPD的脫扣動作，除了氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時間特性（可以是耐受模式或故障模式）滿足SPD的TOV耐受特性要求，如果還需要利用TOV電壓施加期間，氧化鋅壓敏電阻器的溫度升高來脫扣，就還需氧化鋅壓敏電阻器在TOV電壓施加過程中溫度隨時間的升高曲線。