氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用

高电压技术 第36卷第9期2010年9月30日
High Voltage Engineerin g,Vol.36,No.9,S eptem ber 30,2010
氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用
杨仲江1,2,陈 琳1,2,杜志航3,孙 涌4
(1.气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京210044;2.南京信息工程大学大气物理学院,南京210044;
3.西安交通大学电气工程学院,西安710049;
4.北京雷电防护装置测试中心,北京100176)
摘 要:因目前M O V 型SPD 劣化检测参数压敏电压U 1mA 和漏电流I leakag e 不能及时有效地判断M O V 劣化程度,故研究一种能考量M O V 劣化程度的方法尤其重要。

根据影响M O V 电容的主要因素以及晶界肖恩特基势垒变化、离子迁移理论等氧化锌压敏电阻的劣化机理,提出了氧化锌压敏电阻劣化过程中必然伴随电容量的变化。

在不同的冲击实验下,对M OV 型SP D 进行劣化实验表明:M OV 的电容量均随劣化程度增加而呈现上升趋势;在I n 标称值冲击下,M O V 电容量随冲击次数近似线性上升。

通过实验首次提出了电容量增幅具有考量M O V 劣化程度的重要意义,同时证明:结合U 1mA 、I lea ka ge 和电容量3个参数能够更好地分析M O V 内部劣化原因。

关键词:氧化锌压敏电阻;晶界;劣化;电容;漏电流;压敏电压中图分类号:T M 286
文献标志码:A
文章编号:1003-6520(2010)09-2167-06
基金资助项目:公益性行业科研专项(GYH Y200806014);南京信息工程大学项目(E30J G0730)。

Project Supported by Special Fu nds for Scientific Research on Pub lic Cau ses (GYH Y200806014),Nanjing University of Inform a -tion Science &Techn ology (E30JG0730).
Application on Capacitance During the Degradation of ZnO Varistor
YANG Zhong -jiang 1,2,CH EN Lin 1,2,DU Zh-i hang 3,SU N Yong 4
(1.Key Laboratory of M eteoro logical Disaster of M inistry of Educatio n,Nanjing 210044,China;
2.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Infor mation Science &T echnolo gy,
Nanjing 210044,China;
3.College o f Electrical Engineering,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China;
4.Beijing T esting Center for Sug re Pr otectiv e Devices,Beijing 100176,China)
Abstract:T he deg radatio n degr ee of M O V can not be estimat ed t imely and efficiently by U 1mA and I leakag e which ar e the detection parameters o f M OV -model SP D in the curr ent,therefo re,it is cr itical impor tant for a new method to estimate the degr adation deg ree of M OV.T he pro cess of t he degr adation of ZnO varist ors is necessarily co mpanied by ca pacitance change,acco rding to the major facto rs of affecting M OV ca pacitance and the r easo ns o f t he degr ada -tion of Z nO var istor s,such as Schottky bar rier chang e o f t he gr ain boundar y and the theor y of ion mig ration,etc.I t is found that the capacitance o f M O V increases w ith incr easing degr adation degr ee by the experiment of deg radate M OV -model SP D in different impact tests.In par ticular,the capacitance of M OV appro ximately linear ly increases wit h the increasing impact number s by the ex periment under the impact of the In value.T he sig nificance of the ca -pacitance g ro wt h could estimate the deg radatio n degr ee o f M OV was fir st pro posed by the ex periments,and the rea -sons o f the deg radat ion o f M O V ,based on the combination of the three parameter s,U 1mA ,I lea kag e and capacitance was analy zed.
Key words:Z nO var istor ;g rain boundar y;deg radat ion;capacitance;leakage curr ent;var istor vo ltag e
0 引言
氧化锌压敏电阻器已广泛应用于过电压保护、浪涌吸收、过电流泄放等方面,是防护电气电子设备因受雷电闪击及其他瞬态电磁干扰造成传导过电压危害的有效器件,它的性能直接影响安全保护效果。

因氧化锌压敏电阻在系统或设备运行中必然存在老
化劣化现象,故必须对其进行定期检测,以防止老化劣化产品仍工作在系统或设备中[1-3]。

然而,目前检测方法所判定的压敏电压U 1mA 和漏电流I leakage 两个参数都存在 拐点效应 ,即只有当MOV 劣化到一定程度后,U 1mA 和I leakage 才会出现显著变化
[4-7]
;而在
这个 拐点 值之前,U 1mA 和I leakage 都符合SJ/T 10349-93测试标准的要求[8]
,这就给检测结果带来不确定性。

某个产品自身已经老化劣化到一定程度需要及时更换,但U 1mA 和I leakage 检测值仍然合格。

因此,研究能反映M OV 劣化程度的测试参数尤为重要。

任文娥等人研究发现氧化锌压敏电阻的电容对冲击破坏机理和冲击导通机制有重要影
2167
响[9],而郝丕柱等人研究发现氧化锌压敏电阻的电容受烧结时间、烧结温度以及配方等因素的影响[10],说明氧化锌压敏电阻的电容是表征M OV性能的重要因子。

但其研究大多集中于压敏电容的存在机制和影响因素,对M OV在冲击破坏过程中电容量变化规律的研究较少[11-13]。

本文模拟M OV不同劣化环境,并在劣化过程中,测试漏电流、压敏电压以及电容量各参数,提出了新的用测试电容量来判断M OV劣化程度的方法,并结合漏电流,压敏电压分析MOV内部劣化原因。

1 MOV电容的影响因素
在同一尺寸、材料、配方、和工艺条件下(包括烧结时间和烧结温度),M OV电容量应处于在某一稳定值[14]。

在同一尺寸下,配方是影响MOV电容量的最重要参数,烧结时间和烧结温度也对电容量有一定影响[10]。

由M OV的配方得知,95%以上的材料都是ZnO,只有微量的掺杂物质,因此配方中这些微量元素决定压敏电容[15]。

从MOV的晶界结构得知,在晶界层形成的尖晶石和多个ZnO交界面处存在的包裹ZnO晶粒的液相态富秘相结构都是由微量元素所构成[13]。

这些结构,特别是晶界间的富秘相结构是晶粒间具有肖恩特基势垒结构的必要条件,而具有双肖恩特基势垒的晶界相是形成压敏特性的关键,因此这些微量元素也是M OV具有非线性伏安特性的关键[16]。

因此,聚集着大量微量元素的晶界层,不但决定着M OV压敏电压,同时也决定其压敏电容。

而在同一配方下,不同烧结温度和烧结时间,会对尖晶石和液态富秘相的形成造成影响,因而烧结工艺影响压敏电容,同时也影响着压敏电压。

若烧结时间短,烧结温度较低,则晶粒结构不致密,分布不均匀,不易形成富秘相结构。

在这种情况下,同一规格压敏片,压敏电容波动较大;而烧结工艺完善的压敏片,电容值较稳定[14]。

晶界相存在晶界电压,同时也存在晶界电容,晶界层的改变必定伴随晶界电压和晶界电容的同时改变。

MOV的劣化是内部晶界变化的结果,必然伴随着晶界电压和晶界电容的同时改变。

从MOV的封装结构可以看出,压敏材料密封存在于两电极板之间,同一类型封装条件下,电极数目,电极面积,瓷体厚度均不变,将M OV看成一种复合材料,其电容值等效于两极板充满电介质,两电极板间电容C可用下式表达
C= obs S
d。

(1)
式中, obs为瓷体的视在介电常数;由于电极面积S
和瓷体厚度d均不变,因此电容值只与视在介电常
数有关。

obs可表示为
obs=d1d2( 1- 2)2
(d1 2-d2 1)2
b。

(2)
式中, b为基质材料的介电常数; 1为晶界层的电
导率; 2为晶粒内部的电导率;d1为晶粒层的平均
宽度;d2为平均晶粒厚度[13]。

对ZnO多晶粒掺杂
半导体陶瓷来说,一般满足: 2 1,d2 d1,且 2/ 1
d2/d1,因而式(1)简化为
obs d2
d1
b。

(3)
从式(3)可以看出,晶界层宽度变窄和晶粒融合
长大,都会造成视在介电常数的增大;而晶界间由于
势垒高度降低而导致的晶界层电导率的上升对电容
量几乎没有影; b的改变来自于晶界层介电常数的
改变[13]。

由上述分析得知,微量元素主要存在于晶
界层中,而晶界层间隙和晶界层中尖晶石的存在使
晶界层介电常数远远低于ZnO的介电常数,它们的
存在会极大的降低晶界电容,因此晶界层的存在是
M OV保持较低电容量的关键。

若晶粒融合,则具
有低介电常数晶界层不存在,M OV视在介电常数
项必然增大,导致压敏电容增大。

而目前MOV劣
化的主要原因,就是因为晶界间双肖恩特基势垒高
度降低或宽度变窄,以及晶界层击穿导致的晶粒融
合,这两种劣化原因都会造成M OV电容量增大。

因此,研究M OV电容变化对分析MOV劣化是科
学的。

2 实验结果和分析
2.1 实验样品与测试方法
不同厂家A和B,同型号同尺寸的MOV产品
若干,其主参数为:最大持续工作电压U ac=385V,
标称放电电流I n=20kA,最大放电电流I max=40
kA,电压保护水平U p=2 0kV。

首先应对各试品
进行充分老化,因为M OV在充分老化之前,在受浪
涌冲击后性能参数值波动较大,不宜做出分析。

由
于压敏电压、漏电流测试是对MOV的充电过程,这
个过程会对电容测试产生影响,经实测发现,充电
前、后测试结果相差0 1~0 2nF。

但多次充电后
电容值趋于稳定,继续充电,电容几乎不再变化。

由
于在线检测都是在MOV充分充电的情况下,因此
测试MOV电容量也应在M OV完全充电的情况下
进行。

所以在测试时,不但要先对试品进行充分老
化,还应先测试U1mA和I leakage,后测试电容值,并将
后测电容值做为电容量参考基值。

同时,本实验中
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I leakage测试采用定压测漏流方法,研究用试品U ac值为385V,转化为直流测试,直流电压U dc=505 V[8]。

电容测试仪器为H IOKI3532-50;测试频率1 kH z;测试电压1V[17,18]。

模拟不同环境中的几种劣化方式,每种劣化方式选取各厂家2片以上试品,测试劣化过程中各参数值。

2.2 实验过程与结果分析
2.2.1 多次I n标称20kA冲击
多次I n标称20kA冲击(模拟MOV多次承受浪涌电流冲击)。

冲击波形为8/20 s,每隔30m in 冲击一次,冷却至室温后测试。

测量结果显示,不同厂家试品劣化参数变化相似,选各厂家其中一片试品分析电容量变化如图1所示。

从图1可以看出,随冲击次数n的增加,A、B 厂家M OV电容量都呈近似线性增大,线性曲线相似,但增值与增幅均较小。

所以在相同劣化条件下, MOV电容量变化情况几乎一致,选择A厂家作为分析对象。

分析如下:当厂家A试品冲击次数已达69次时,从图2中选值得到:U1mA为434V,I leakage为2 57mA;说明M OV已充分劣化[19,20],失去原有保护级别,但电容量只增大了0 12~0 13nF,增幅约7 5%。

由于不同厂家M OV劣化时U1mA和I leakage具有相同变化特性[19-21],在此不对各厂家试品U1mA和I leakage做出分析,以下实验测试值均来自于厂家A试品。

图2表明,U1mA和I leakage冲击到一定次数时, U1mA迅速下降,I leakage急剧上升。

但从图中可以看出,其变化幅度都存在 拐点 ,即U1mA和I leakage分别在某一到两次冲击后出现显著性变化。

而在这次冲击之间,虽然MOV劣化已临近失效,但U1mA和I leakage测试结果仍符合GB18802 1-2002中所规定的参数范围值。

也就是说,此时按照规范标准, MOV仍正常。

由M OV结构和离子迁移理论[22]可知,每一次浪涌冲击都存在对M OV的劣化,MOV 的劣化失效是劣化过程的累积效应,而不是某一次冲击而触发的随机效应。

也就是说,压敏片一直处在劣化过程中,但U1mA和I leakage不能对MOV劣化程度做出及时有效的判断。

这就需要新的测试参数来考量MOV的劣化程度。

从图1中可以看出,每一次冲击,都会增大MOV电容量,冲击次数越多, MOV劣化越严重,电容量增值也越大,电容量与劣化程度具有近似线性的相关性,这样的线性参数就可以量化来判定MOV的劣化程度。

但由于电容值增幅不够明显,这就需要科学的测试方法准确测试MOV电容量增幅,确保电容测试值与MOV劣化
程度,具有相关可比性。

图1 电容量随冲击次数的变化值
Fig.1 C apactnace change with the number of shocks
图2 厂家A试品U1mA和I leak age随冲击次数n的变化值Fig.2 U1mA and I leakage changes of test products of
A manufacturer with the number of shocks
将图1中A劣化试品(此时厂家A试品实测值:U1mA为434V、I leakage为2 57mA)在不同测试电压下,测试漏电流值,测试值如图3所示。

从图3中可以看出,随测试电压下降,漏电流迅速下降,当测试电压下降到395V时,漏电流就已经下降到13 2 A。

继续降低测试电压,当降低至325 V时,也就是此时压敏片75%U1mA时,漏电流只有0 11 A。

说明在此劣化条件下,劣化并没有造成由于电流集中效应而造成的阀片融穿现象。

劣化的原因是由于晶界势垒高度的降低和势垒宽度的变窄,而导致降低晶界电压降低,从而使MOV压敏电压降低,在定压测漏流条件下,漏电流必然增大。

势垒高度的降低对M OV电容量影响可以忽略,而势垒宽度变窄会导致视在介电常数变大,从而导致电容量增大。

但由于影响电容量的关键因子,即晶界
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过电压与绝缘杨仲江,陈 琳,杜志航,等.氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用
图3 劣化后不同测试电压下漏电流变化曲线Fig.3 C urve of leakage current by dif ferent test
voltages af ter degradation
层仍存在,所以电容增幅不明显。

通过以上分析得知,利用电容量增大幅度,结合U 1mA 和I leakage ,在科学准确的测试方法下,能更有效的判断MOV 劣化程度,分析M OV 劣化原因。

2.2.2 I max =40kA 的大电流冲击
I max =40kA 的大电流冲击(模拟M OV 承受大浪涌电流冲击),8/20 s 波形冲击电流,每隔4h 冲击一次,冷却至室温测值,并记录不同测试电压下漏电流变化曲线。

实测不同厂家各试品劣化后参数值变化相似,选其中A 厂家一试品测试参数值如表1所示。

实验表明,与多次I n 标称冲击不同的是:少数的大电流冲击就会使M OV 劣化效果明显。

MOV 只遭受4次冲击,漏电流变化就>20 A;电压下降至606V,比较厂家A 试品标称冲击时漏电流达到20 A 时的U 1mA 值(560~545V),下降幅度相对较小;电容量增大0 125nF,等效于厂家A 试品在标称冲击64次增大值;结合3参数变化量,对比图2,此时M OV 已达到在I n 标称冲击约60次的变化,说明其内部劣化程度已经很严重。

继续冲击则U 1mA 和I leakage 变化均显著,电容值随冲击次数持续增大,冲击至11次时,阀片炸裂。

第10次冲击后冷却至室温,测得不同测试电压下漏电流变化曲线如图4所示。

可以看出图4与图3曲线几乎一致,比较实测数据发现,图3与图4中漏电流最后稳定区间范围分别为:0 12~0.93 A 和2 45~ 4.97 A;可见降低测试电压后,图4漏流较图3大。

这说明,实验2不仅造成晶界势垒变化,同时也发生一部分晶粒融穿,从而形成低阻抗的漏流通道;降低测试电压至很低值时,仍存在明显的漏流通过。

而晶粒融穿,意味
着晶界层被破坏,导致M OV 视在介电常数增大,从
图4 不同测试电压下漏电流变化曲线
Fig.4 Curve of leakage current by diff erent test voltages
表1 各参数在大电流冲击下变化值
Tab.1 Changes of each parameter under
large current shock
冲击次数012345 1011U 1mA /V
637
634632631606580
457
阀片
I lea ka ge / A 0.45 1.26
2.36
4.42
22.4
48.5
1.98 103炸裂
C /nF
1.58731.64931.67521.683 1.68981.7268
1.8762
表2 不同施压时间下各参数值Tab.2 Values of each parameter under
different pressure time
施压时间/m in 51014(融穿)施压前U 1mA /V 633628626施压后U 1mA /V 6216156施压前I le akage / A 0.450.650.68施压后I le akage / A 2.137.28 2.69 103施压前C /n F 1.5998 1.6024 1.6068施压后C /n F
1.6522
1.6869
208 106
而势必引起电容量增大,所以实验2中电容量增大幅度高于实验1。

结合实验1、2不难看出,利用电容量增幅变化,结合U 1mA 和I leakage ,能更有效的分析M OV 劣化原因。

2.2.3 热稳定实验
采用热稳定实验中[5],加速M OV 劣化的方法,施加高电压使试品两端电流值达到80mA,不同施压时间下,冷却后测试M OV 各参数值,结果表明各厂家测试结果相似,选取A 厂家测试值记录如表2所示。

从表2中可以看出,施压5min 和10min 时,电容量已经分别增大了0 0524和0 0845nF 。

对比试验1,电容增大0 0524和0 0845nF 时,M OV 分别承受37次和56次标称冲击。

说明此环境下,
2170
高电压技术2010,36(9)
表3 受潮过程中各参数值
Tab.3 Values of each param eter in the process of damping
受潮状态无受潮12h烘干受潮24h烘干受潮48h烘干受潮120h烘干U1mA/V632595632568631535630520629 I lea k/ A 1.525.6 2.1275 1.8875 1.7 2.65 103 1.8 C/nF 1.6542 3.2758 1.6551 4.0189 1.6557 4.6728 1.6555 6.8924 1.6565
MOV劣化程度已相当严重,但U1mA和I leakage参数值依然符合GB18802 1-2002检测标准。

当施压至14m in时,M OV热崩溃,观察参数可知,M OV已经几乎完全融穿,融穿后电容量高达208mF,变化量高达108倍。

这也证明,M OV保持较低电容量的原因,主要是因为其晶粒层结构,当晶粒层被破坏,晶粒融穿,电容量必然显著增大。

2.2.4 受潮实验
将未封装陶瓷的MOV放入60 C、95%的高温高湿箱中受潮,分别测试不同受潮时间及烘干后MOV的各参数值。

各厂家测试结果相似,选取A 厂家其中一试品的测试值如表3所示。

表3表明M OV受潮后,电容变化非常大。

这是因为受潮时,具有高介电常数的水分子,进入晶界层,使M OV原有的视在介电常数值迅速上升,电容增大,同时受潮也引起压敏电压下降和漏电流上升。

当受潮到一定程度时,电容量增大趋势变缓,这是因为MOV吸湿已接近饱和,继续受潮,水分子不再进入晶界层,晶界介电常数不再显著增大,所以电容增大不明显。

将受潮试品烘干后测试:电容,压敏电压和漏电流测试值与原有值近似,所以受潮时,晶界肖恩特基势垒并未遭受不可逆的破坏,干燥后能恢复到原有特性。

3 结论
在MOV老化劣化过程中,均伴随有电容量增大的现象。

不同劣化环境,电容量增大幅度不同,对MOV的劣化效果也存在差别,由以上的分析可得到如下结论:
a)标称电流I n冲击下,M OV电容量随冲击次数近似线性增大,从而可以根据电容量增大幅值判定MOV劣化程度。

这就填补了由于U1mA和I leakage 都存在的 拐点 效应,而出现对已临近失效的MOV,仍做出合格判定的缺陷。

b)利用好电容量对M OV劣化程度的判断,首先需要的是科学的电容测试方法,因为电容量增大很小的幅度就表明M OV劣化程度严重;其次,要有科学的实验方法得出同一批次产品劣化 拐点 所对应的电容增值和幅度,为后续测试判断MOV劣化程度提供科学的依据。

只有这样才能将实测电容值作为对M OV的劣化程度的判断。

c)实验1~3表明,M OV劣化存在晶界击穿与晶界势垒变化两种劣化原因。

晶界击穿导致晶粒融合,电容量增值幅度大;而晶界势垒变化,主要表现为势垒高度降低和势垒宽度变窄,晶界层仍然存在,因此,此劣化原因下,电容量增幅不大。

综上所述,可以通过劣化前后电容量变化幅度,结合U1mA和I leakage,对M OV劣化原因做出分析。

d)受潮时电容量明显增大,但其内部晶粒结构并未遭受实质性损坏,干燥后仍具有良好的压敏特性。

所以在相对湿度较高的地方,MOV型SPD应置放在干燥的地方,或采取除湿装置,避免MOV受潮。

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YANG Zhong-jiang
As sociate professor
杨仲江
1961 ,男,副教授,硕导
1982年毕业于南京气象学院物理系。

现为
江苏省防雷协会委员,省级计量认证评审
员,编著有 防雷工程检测审核与验收 及
灾害风险评估及雷电管理基础 。

发表论
文10余篇,主持或参加多项防雷课题。

省
成人教育雷电科学与技术特色专业建设点
负责人。

长期从事雷电灾害风险评估、雷电
防护技术等研究。

多次承担校基金,江苏省自然科学基金,江苏省气象灾害重点实验室等科研项目,目前正主持开展中国气象局公益性行业(气象)科研专项经费 基于遥感的雷暴
云大气电场强度分布预测研究工作
CH EN Lin
陈 琳
1985 ,男,硕士生
2008年毕业于南京信息工程大学应用气象
学专业;现在在南京信息工程大学雷电与科
学技术专业攻读硕士学位。

主要从事研究
浪涌保护器的设计与研发
E-m ail:chenlinjerry@163.
com
DU Zh-i hang
杜志航
1988 ,男,硕士生
2010年获南京信息工程大学大气物理学院
工学学士学位。

现在在西安交通大学电气
工程学院攻读硕士学位。

主要从事电力电
子技术、电涌保护器检测理论的研究
E-m ail:w oshidu zhihang@ 收稿日期 2010-03-09 修回日期 2010-08-09 编辑 任 明
2172高电压技术2010,36(9)。