氧化鋅壓敏電阻器的工頻過電壓（TOV）特性

1 引言
由于低壓供電系統(tǒng)中頻繁出現(xiàn)工頻過電壓，用于低壓供電系統(tǒng)中的氧化鋅壓敏電阻器，因不能耐受而發(fā)生失效甚至起火[4]。所以，對于采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(guān)于如何表征和試驗SPD的工頻過電壓特性是有明確規(guī)定的[6][8]，而關(guān)于如何表征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(yīng)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(yè)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(xué)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，提出表征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。

2 氧化鋅壓敏電阻器TOV特性的表征
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(xiàn)出來的特性。在施加TOV的過程中，氧化鋅壓敏電阻器表現(xiàn)出的特性和可度量的參數(shù)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，那么究競用什么參數(shù)來表征產(chǎn)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(dāng)?shù)谋碚?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; "> 氧化鋅壓敏電阻器的TOV特性，其實質(zhì)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(tǒng)中耐受工頻過電壓，關(guān)乎到用電系統(tǒng)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(fā)生短路和擊穿失效，從而導(dǎo)致氧化鋅壓敏電阻器周邊過熱而著火，甚者引起火災(zāi)[4]。只有氧化鋅壓敏電阻器能夠耐受系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓時，氧化鋅壓敏電阻器才不發(fā)生短路失效，用電系統(tǒng)才是安全的。
既然TOV特性是耐受工頻過電壓的能力，要正確衡量和表征這一特性，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(zhuǎn)移過電壓和失零過電壓。工頻過電壓有兩個很重要的參數(shù)，就是幅值和持續(xù)時間，其幅值要高出正常工作電壓，持續(xù)時間大于瞬態(tài)過電壓的μS級，在數(shù)百ms至數(shù)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，也就是耐受什么樣的TOV。這種能力當(dāng)然是與TOV的幅值與持續(xù)時間直接相關(guān)，最恰當(dāng)?shù)亩攘烤褪荰OV本身的特性。所以，TOV特性的表征應(yīng)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(yīng)的關(guān)系來表征和度量。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征， GB/T 11032-2000 《交流無間隙氧化物避雷器》[5]中所規(guī)定，“2.38 工頻電壓耐受時間特性：在規(guī)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(fā)生熱崩潰時所對應(yīng)的最大持續(xù)時間的關(guān)系?！?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; "> 基于以上敘述， 借助SPD的相關(guān)規(guī)范[6][8]中對SPD的TOV特性的表征，“TOV耐受時間特性”是最恰當(dāng)表征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(guī)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(fā)生功能喪失時，或發(fā)生熱擊穿前所對應(yīng)的最大持續(xù)時間和工頻過電壓幅值之間的關(guān)系。
在定義中，有兩種過電壓耐受模式，一種是“不發(fā)生功能喪失”的非破壞“耐受模式”，另一種是“發(fā)生熱擊穿”的破壞性“故障模式”。其中“耐受模式”是指經(jīng)受過電壓后，氧化鋅壓敏電阻器仍然能夠維持滿足產(chǎn)品設(shè)計的功能和性能，或其性能的降低在規(guī)定范圍內(nèi)的情況；“故障模式”是指經(jīng)受過電壓后，氧化鋅壓敏電阻器最終會發(fā)生熱擊穿的情況。兩種模式可以由制造商聲明。
TOV耐受時間特性的提供，可以是TOV幅值和對應(yīng)的耐受時間的一組數(shù)據(jù)，也可以是TOV幅值和耐受時間數(shù)據(jù)組構(gòu)成的伏秒曲線。當(dāng)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于描述在TOV施加過程中，氧化鋅壓敏電阻器耐受能量能力的量?？隙ǖ卣f，提高在TOV其間產(chǎn)品能夠耐受的能量，產(chǎn)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(yīng)于同一幅值的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，對于TOV電流大的產(chǎn)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(chǎn)品則只需小的TOV耐受安秒值。這種情況下，對于同一幅值的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(guī)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(chǎn)品性能差異、電平衡和自熱半導(dǎo)體效應(yīng)，引起流過氧化鋅壓敏電阻器的電流發(fā)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(xiàn)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(chǎn)品的TOV耐受特性的好壞。
2.3 最大熱穩(wěn)定工頻電壓表示TOV特性是一個具體的表述
最大熱穩(wěn)定工頻電壓，是氧化鋅壓敏電阻器能夠在45min之內(nèi)達到熱穩(wěn)定（10min之內(nèi)溫升小于2K）所容許施加的最大工頻電壓。這一特性基于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(fā)生熱崩潰的前提下可以施加的最大工頻電壓，來表征產(chǎn)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(fā)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(yīng)的耐受時間都有，給出了TOV耐受特性的一個數(shù)據(jù)點，是一個直接的表達。提供的是一個故障模式的能力。
當(dāng)然，這不是氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的全部。
最大熱穩(wěn)定工頻電壓，作為一個氧化鋅壓敏電阻器TOV耐受特性的有效表征，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(xiàn)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(tǒng)中使用的SPD的TOV特性的規(guī)定，見“7.4高中壓系統(tǒng)中的故障過電壓試驗”和“7.6低壓系統(tǒng)中的故障過電壓試驗”中，均規(guī)定了試驗中的試驗TOV電壓幅值和施加時間。這種規(guī)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(guān)于表征氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受特性采用了一樣的方法，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(tǒng)一的方法。
為了便于SPD設(shè)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(guān)數(shù)據(jù)呢？
對于“耐受模式”[8]，試驗期間不是允許產(chǎn)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(shù)據(jù)支撐SPD的設(shè)計。
對于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。