多脈沖雷電沖擊下金屬氧化物的破壞形式
編輯：2021-06-14 13:39:43
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近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷電災(zāi)害及其防護(hù)技術(shù)的研究取得了一定的進(jìn)展。特別是防雷產(chǎn)品中作為金屬氧化物避雷器(MOA)中核心器件的氧化鋅(ZnO)壓敏電阻，因具有較好的能量吸收能力與優(yōu)良的非線性而被不斷推陳出新并廣泛使用。目前，對(duì)ZnO壓敏電阻產(chǎn)品的常規(guī)性能考核和檢測(cè)中，全球大多數(shù)國(guó)家雷電高電壓實(shí)驗(yàn)室中均按照IEC/TC61643 的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ZnO壓敏電阻的防雷產(chǎn)品進(jìn)行波形為8/20 μs、10/350 μs等的單脈沖雷電沖擊測(cè)試。然而，現(xiàn)代雷電觀測(cè)采集數(shù)據(jù)表明，多重閃擊過程是自然雷電的普遍現(xiàn)象，80%的自然雷電具有多重閃擊過程[7-10]，即雷電的多脈沖過程。山西避雷驗(yàn)收
特別是2008 年6 月在瑞典第29 屆國(guó)際雷電防護(hù)大會(huì)上Heidler F發(fā)表的《Parameters of lightning currentgiven in IEC 62305：background, experiments andoutlook》，觀測(cè)到1 次雷電過程包含了11 個(gè)閃擊脈沖。對(duì)雷電實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：1 次多脈沖（3~4 個(gè)脈沖）的沖擊時(shí)間長(zhǎng)度（500 ms）約為1次單脈沖（波形為10/350 μs）的沖擊時(shí)間長(zhǎng)度（2 ms）的250 倍，累積能量約為單脈沖的20 倍。因此，從沖擊時(shí)間和能量上，單脈沖模擬雷電的結(jié)果均不符合自然雷電的物理特征，即單脈沖模擬的雷電與自然界中具有多重閃擊過程的雷電存在明顯差異。運(yùn)城防雷檢測(cè)
許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來對(duì)于MOA的研究做了大量工作，包括關(guān)于ZnO壓敏電阻各種破壞形式的研究。目前，由于模仿自然雷電多重閃擊過程會(huì)受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的約束，所以關(guān)于多脈沖沖擊下ZnO壓敏電阻的研究很少，僅有Rousseau A等在上海舉行的2014 International Conference on LightningProtection (ICLP)會(huì)議的報(bào)告中提到使用多脈沖沖擊源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以及李鵬飛等對(duì)MOA受潮時(shí)在多脈沖沖擊下老化性能的研究等較少幾篇。相對(duì)于單脈沖雷電沖擊模式下的沖擊檢驗(yàn)，在“頻繁無(wú)間歇”的多脈沖雷電沖擊模式下，ZnO壓敏電阻耐受多脈沖雷電沖擊的能力以及其劣化破壞形式還存在許多未知點(diǎn)。 太原防雷公司
本文采用國(guó)際最先進(jìn)的同時(shí)序多脈沖雷電沖擊高電壓測(cè)試平臺(tái)，研究ZnO 壓敏電阻在動(dòng)作負(fù)載以及不同多脈沖雷電沖擊下的性能變化，在較大程度上對(duì)自然雷擊的多重閃擊過程進(jìn)行模擬，探究ZnO 壓敏電阻在自然雷電環(huán)境中老化劣化以及破壞特性，為今后可耐受多重雷擊的ZnO 壓敏電阻的研發(fā)和生產(chǎn)工作提供參考，因而具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。山西防雷工程
1、理論基礎(chǔ)
1.1 ZnO 壓敏電阻能量破裂的熱應(yīng)力研究
ZnO 壓敏電阻外表包裹著1 層絕緣涂層，當(dāng)沖擊電流以μs 數(shù)量級(jí)時(shí)間通過ZnO 壓敏電阻時(shí)，ZnO壓敏電阻的內(nèi)部模塊承受的熱量幾乎是瞬間聚集，溫度也隨之激增。從能量對(duì)流交換角度來看，這個(gè)過程可以看成是一個(gè)絕熱的溫升過程。此外，ZnO壓敏電阻在生產(chǎn)過程中，無(wú)法做到各單元材料混合均勻度絕對(duì)平等，加之金屬電極與ZnO 壓敏電阻的接觸也并非絕對(duì)面狀接觸，因此，ZnO 壓敏電阻在不同部位吸收不同程度的能量，在不同部位產(chǎn)生的溫升也不同，此時(shí)，在ZnO 壓敏電阻的內(nèi)部各單元之間就會(huì)產(chǎn)生不同相應(yīng)的溫度梯度熱應(yīng)力。如果溫度差達(dá)到一定程度，熱應(yīng)力就會(huì)引起壓敏電阻的破裂損壞。晉中防雷檢測(cè)
1.2 ZnO 壓敏電阻能量破壞宏觀因素研究
ZnO壓敏電阻的不均勻性包括熱物理性能的不均勻性和能量吸收不均勻性。單純由熱物理性能不均勻或能量吸收不均勻較難引起閥片的破裂，閥片破裂可能是能量吸收不均勻和熱物理性能不均勻綜合作用的結(jié)果。忻州防雷檢測(cè)
2、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/strong>
2.1 實(shí)驗(yàn)樣品選擇與測(cè)試方法
通過靜態(tài)參數(shù)對(duì)ZnO壓敏電阻進(jìn)行樣品篩選，選擇不同廠家A和B各100 只靜態(tài)參數(shù)相近的ZnO壓敏電阻，實(shí)驗(yàn)前用無(wú)水乙醇進(jìn)行表面清潔后放置在溫度為25 ℃的低溫干燥箱中進(jìn)行低溫干燥，以消除試樣中的水分、表面污穢等影響實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析的因素。ZnO壓敏電阻主要參數(shù)均為：最大持續(xù)工作電壓Uac=620 V，標(biāo)稱電流In=20 kA，最大電流Imax=40 kA。動(dòng)作負(fù)載為交流電壓385 V。每一片壓敏電阻均按照引腳位置進(jìn)行正負(fù)極標(biāo)記。每次沖擊后，都要待樣品充分冷卻后再進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。采用大量樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以減少實(shí)驗(yàn)過程中的偶然性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性。山西避雷器
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及判定標(biāo)準(zhǔn)
采用同時(shí)序多脈沖高電壓雷電測(cè)試平臺(tái)，作為高電壓雷電沖擊源。使用ZnO壓敏電阻直流參數(shù)儀對(duì)靜態(tài)參數(shù)壓敏電壓值U1mA和泄漏電流值IL（采用0.75 U1mA電壓測(cè)試）進(jìn)行測(cè)量。山西避雷塔
2.3 同時(shí)序多脈沖高電壓雷電測(cè)試平臺(tái)模型
2.4 多脈沖波形選擇
根據(jù)IEC 61643-11 標(biāo)準(zhǔn)以及雷電的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，本文實(shí)驗(yàn)采用波形為8/20 μs，5 脈沖電流幅值均為20 kA的多脈沖雷電沖擊模式。并參照IEC62305-1 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)多脈沖時(shí)間間隔的設(shè)定，本文將第1 至第5 個(gè)脈沖每個(gè)脈沖時(shí)間間隔設(shè)定為50 ms，5 個(gè)脈沖的沖擊時(shí)間長(zhǎng)度為200 ms。圖2(a)與圖2(b)分為實(shí)驗(yàn)過程中在示波器上采集的5 脈沖波形中的首脈沖與第3 個(gè)脈沖波形，圖2(c)為有動(dòng)作負(fù)載情況下的多脈沖波形，圖2(d)為5 脈沖中1 個(gè)單脈沖的放大波形。臨汾防雷檢測(cè)
3、ZnO 壓敏電阻老化劣化實(shí)驗(yàn)
3.1 動(dòng)作負(fù)載下對(duì)比實(shí)驗(yàn)
3.2 脈沖變化對(duì)比實(shí)驗(yàn)
4、結(jié)論
1）在有動(dòng)作負(fù)載的多脈沖雷電沖擊下，貼片接觸結(jié)構(gòu)均勻度較差的金屬氧化物的破壞形式主要是ZnO 壓敏電阻貼片的融化剝落，熱物理性能均勻度較差的金屬氧化物的破壞形式則以ZnO 壓敏電阻的熱燃燒和粉碎性破裂為主。多脈沖雷電沖擊中，金屬氧化物ZnO 壓敏電阻的靜態(tài)參數(shù)并沒有明顯的規(guī)律性趨勢(shì)變化。太原防雷檢測(cè)
2）實(shí)驗(yàn)表明，多次單脈沖雷電沖擊的破壞過程主要是ZnO 壓敏電阻內(nèi)部損傷積累，破壞形式主要以裂痕和邊角損壞為主。而當(dāng)多脈沖雷電沖擊數(shù)量超出一定值時(shí)，多脈沖雷電沖擊下金屬氧化物ZnO 壓敏電阻的破壞形式則具有一定的分散性。山西避雷工程
3）多脈沖雷電沖擊ZnO 壓敏電阻本身產(chǎn)生的熱應(yīng)力為其劣化損壞的主要原因。改變多脈沖雷電沖擊的數(shù)量（10 個(gè)以內(nèi)）比改變相鄰脈沖雷電沖擊的時(shí)間間隔（ms 數(shù)量級(jí)）可以對(duì)ZnO 壓敏電阻產(chǎn)生更明顯的破壞。大同避雷檢測(cè)
