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(dú)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(yàn)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(yàn)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(shí)和應(yīng)用氧化鋅壓敏電阻器時(shí)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(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，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(gè)很重要的參數(shù)，就是幅值和持續(xù)時(shí)間，其幅值要高出正常工作電壓，持續(xù)時(shí)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(shí)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(shí)間，也就是用TOV的幅值與耐受時(shí)間相對應(yīng)的關(guān)系來表征和度量。其實(shí)，同樣作為過電壓保護(hù)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(shí)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(shí)所對應(yīng)的最大持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。”
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(shí)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(shí)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(shí)，或發(fā)生熱擊穿前所對應(yīng)的最大持續(xù)時(shí)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(jì)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(shí)間特性的提供，可以是TOV幅值和對應(yīng)的耐受時(shí)間的一組數(shù)據(jù)，也可以是TOV幅值和耐受時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)也不例外。這樣，對于TOV電流大的產(chǎn)品來說，耐受同樣的時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)間，出現(xiàn)TOV耐受特性的差異。
所以，在給定的TOV電壓幅值時(shí)，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(gè)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(dá)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(shí)熱失控的失效機(jī)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(gè)很好的作法。它直接給出了可耐受45min而不發(fā)生熱崩潰時(shí)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(shí)間都有，給出了TOV耐受特性的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，是一個(gè)直接的表達(dá)。提供的是一個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)簡單的元件，而SPD是一個(gè)含有或不含有氧化鋅壓敏電阻器的一個(gè)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(yàn)”和“7.6低壓系統(tǒng)中的故障過電壓試驗(yàn)”中，均規(guī)定了試驗(yàn)中的試驗(yàn)TOV電壓幅值和施加時(shí)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(shí)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(jì)，除了提供氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時(shí)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(yàn)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(shí)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(jì)。
對于SPD的“故障模式”[8]，涉及到SPD的脫扣動(dòng)作，除了氧化鋅壓敏電阻器的TOV耐受時(shí)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(shí)間的升高曲線。