浅谈金属氧化物避雷器中氧化锌压敏电阻陶瓷的老化机理

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·90·2018年第13期

文章编号：2095－6835（2018）13－0090－02

浅谈金属氧化物避雷器中氧化锌压敏电阻陶瓷的老化机理

李云飞1，2，张庆2

（1.山西省大气探测技术保障中心，山西太原030002；2.山西平安防雷检测有限公司，山西太原030032）

摘要：氧化锌压敏陶瓷因为其良好的非线性而成为金属氧化物避雷器的核心材料，其运行过程老化是失效的主要原因。关于氧化锌压敏陶瓷的老化机理主要有离子迁移理论和氧解吸附理论，这两种理论都能从一定角度解释氧化锌压敏电阻的老化现象，这两种模型的基础都是建立在晶界处缺陷的非均匀分布导致的双肖特基势垒结构之上的。因此对其中缺陷和势垒结构的研究和控制是理解、改善其老化特性和保护特性的根本途径。基于由缺陷组成的晶界双肖特基势垒模型，简要论述了其老化机理。

关键词：避雷器；压敏电阻；离子迁移理论；氧解吸附理论

中图分类号：TM54文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.13.090

迄今为止，金属氧化物避雷器（MOV）已经成为保护性能最好、发展最快的过电压保护装置，其主要作用是吸收雷电和操作过电压的冲击能量，防止过电压进入输变电站和用户设备中，避免损坏电力设备及用电设备。氧化锌压敏陶瓷因为其良好的非线性而成为MOV的核心材料[1-2]。

氧化锌压敏陶瓷是在氧化锌（ZnO）粉末中加入微量的氧化铋（Bi2O3）、三氧化二钴（Co2O3）、二氧化锰（MnO2）、三氧化二锑（Sb2O3）和三氧化二铬（Cr2O3）等添加物，经过混合、成型后在高温下烧结而成。它是由n型半导体的ZnO晶粒和含杂质偏析的晶界所构成的多晶结构，其非线性来源于陶瓷的晶界特性。氧化锌压敏陶瓷为体型压敏材料，其电压-电流特性对称、压敏电压和通流能力可以控制，非

为社会公众提供查档、阅档的功能的同时，还应该发挥网站、微信、微博的价值，在线为人民提供服务；④档案部门应加强不同领域之间的融合发展，比如与邮政局合作，为跨区域的用户提供便捷的远程服务。

2.4改善档案保管条件

档案的归档工作涵盖了档案管理。有效控制档案的前端是整合档案资源的必要基础。在档案的认识及范畴划分的问题上，档案管理部门存在不少分歧，各地做法也有所差异。档案管理部门可以改善档案保管条件，增加档案技术保护投入，具体方式可以从以下几个方面开展：①整合档案文件，编制好档案存放的序号，强化对档案管理工作的监督，保障档案文件的安全；②构建档案管理体系，设置合理的档案管理制度，强化档案部门与其他部门之间的合作与交流，提升档案管理的工作效率和水平；③档案管理部门在提供实体服务期间，应加快网络信息的建设步伐，将传统档案的实地服务与信息网络服务有机结合，建设信息服务体系，将最优质、快捷的服务提供于广大群众；④针对不同的档案进行服务创新，比如提供咨询服务或移动信息服务等。

做好档案管理工作，创新档案管理工作的模式，结合新时期的计算机技术，构建档案管理信息系统，提升档案管理

工作的效率和水平，节省档案管理工作耗费的人力和物力，不断推进档案管理工作方式的创新发展，强化档案管理的公共服务水平。档案管理部门通过网络实现在线服务，及时、有效地对档案信息进行发布和传播，通过提升档案公共服务水平，切实解决人们的实际需求，规范好档案服务的工作体系和要素，促进档案公共服务的规范化、系统化发展。

3结束语

在“互联网+”时代下，档案管理是非常重要的一个方面，档案公共服务关系到档案部门的管理水平和管理质量，因此，档案部门必须要提升档案管理水平，提高档案管理工作的效率，创新档案管理工作的模式，培养档案管理人员的服务意识和服务水平，切实做好档案管理的公共服务工作。

参考文献：

［1］赵彦昌，陈海霞.“互联网+”环境下的档案公共服务策略研究［J］.浙江档案，2016（11）：14-16.

［2］何振，易臣何，杨文.档案公共服务的理念创新与功能拓展［J］.档案学研究，2015（03）：44-50.

［3］王协舟，王露露.“互联网+”时代对档案工作的挑战［J］.

档案学研究，2016（06）：66-69.

〔编辑：张思楠〕

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2018年第13期

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线性指数α高达50.氧化锌兼具非线性指数高、通流能力大的优点，可以应用于电力系统用避雷器、电子线路用压敏电阻器和片式氧化锌压敏电阻器、防雷用浪涌抑制器等电力设备和电子元器件等中。

在电力系统运行中，氧化锌压敏电阻片需要不断地承受冲击电流，因此必然存在冲击老化的现象。

压敏陶瓷的老化，是指在连续电流、脉冲电流或外来应力的作用下性能劣化的现象，主要包括击穿场强和非线性系数下降、泄漏电流增加等[3]。氧化锌压敏陶瓷的老化会影响到电力运行的可靠性、稳定性，甚至导致热击穿或电击穿，降低其在电力系统中的避雷效果和吸收过电压的作用，因此，氧化锌压敏陶瓷的老化机理一直是国内外研究的热点。关于氧化锌压敏陶瓷的老化机理主要有离子迁移理论和氧解吸附理论，这两种理论均是以背靠背双肖特基势垒模型为基础。该晶界缺陷势垒模型与实验结果较为一致，认为晶粒、晶界的接触势垒与金属/半导体之间的肖特基势垒相似。1离子迁移理论

正反偏压的双肖特基势垒中，离子的迁移状况发生差别，双肖特基势垒发生非均匀变化[4]：晶界层离子的迁移引起正偏势垒高度变化，耗尽层中强电场，导致离子迁移引发反偏侧势垒高度变化。实验结果也证实了离子迁移对应的破坏模型，即由于存在电学和热学结构的不均匀性，在短波大电流冲击作用下，温度梯度导致热应力，从而使压敏电阻易发生炸裂而失效破坏；在长波、小冲击电流作用下，热电温度上升，从而发生穿孔破坏。经过进一步深入研究，提出了在耗尽层中迁移的离子是一级电离的填隙锌离子Zn i ，并提出了肖特基势垒原子缺陷模型，晶界层中迁移的离子是氧负离子O －

，晶界附近氧负离子浓度的变化对肖特基势垒的高度有很

大的影响；离子的迁移不仅引起肖特基势垒高度的变化，而且还使得势垒区耗尽层的宽度发生变化，导致费米能级发生倾斜。

离子迁移理论能较好地解释一些氧化锌电阻老化的现象。一方面，对于氧化锌压敏陶瓷的直流老化，可以采用载流子俘获模型：在流电场作用下，晶界两边陷阱对电子和空穴的俘获导致晶界累积空间电荷，产生类似偶极子的效应，随着电场长期作用累积的空间点电荷密度不断增大，晶界势垒区的电场强度增加，导致晶粒中载流子的迁移率和载流子浓度增加，从而使小电流区的伏安特性发生了蜕变。另一方面，在单脉冲电流作用下，氧化锌电阻的肖特基势垒发生正、负离子的迁移，造成晶界势垒高度的下降，致使电阻的I -V 特性发生蜕变，压敏电压降低，泄漏电流增加。很多实验证实了大电流冲击后晶界附近Bi 、Co 、Mn 元素分布具有极不对称性，这是离子迁移的结果。但是也有自身难以克服的缺陷，比如难以解释恢复现象。根据离子迁移模型，可以推断

氧化锌压敏陶瓷老化主要归因于耗尽层的锌填隙离子，因此提出抑制锌填隙可以有效减弱氧化锌压敏陶瓷的老化。2氧解吸附理论

氧化锌压敏陶瓷经烧结缓慢降温或者退火热处理中，氧吸附作用会导致晶粒表面近晶界的部分锌填隙Zn i 减少，而晶界面的负电荷增多，导致晶界势垒上升。氧气会沿晶界扩散并产生晶界面处的氧吸附[5]，吸附氧与填补界面上的氧空位形成亚晶格氧O O X ，氧电子吸附能力较强，从一价锌空位V Zn 中夺取电子，产生氧离子O O ，从而导致晶界面形成富氧层结构，主要由带负电的氧离子吸附而成。此时，晶格中的负氧离子和锌填隙Zn i 反应生成Zn O 。

在运行过程中，氧化锌压敏陶瓷晶界处带负电的吸附氧离子产生解吸附，晶界处电荷密度下降，从而导致晶界势垒高度降低发生老化。在电场作用下，一价氧空位和二价向晶界处迁移，且速率与温度成正比。迁移的氧空位与吸附在晶界面带负电的氧离子反应，生成中性的氧空位V O X ，导致晶界处吸附氧离子解吸附生成气态氧，解吸附反应随着温度上升更加迅速。在交流电场下，双势垒两侧耗尽层中带负电的氧离子发生对称的中性化，势垒高度降低，双侧的漏电流和压敏电压大小变化一致。在雷电流脉冲和直流电场的作用下，势垒两侧耗尽层中解吸附对应的电荷中和有所不同，正反两侧的测试结果表现出不同的电性能。3结束语

离子迁移理论和氧解吸附理论都能从一定角度解释氧化锌压敏电阻的老化现象，这两种模型的基础都是建立在晶界处缺陷的非均匀分布导致的双肖特基势垒结构之上的，因此对其中缺陷和势垒结构的研究和控制是理解、改善其老化特性和保护特性的根本途径。参考文献：

［1］D.R.Clarke.Varistor ceramics ［J ］.J.Am Ceram Soc ，1999，

82（3）

：485-502.［2］R.Einzinger.Metal oxide varistors ［J ］.Annual Review of

Materials Science ，1987，17（17）

：299-321.［3］王玉平，李盛涛.新型Zn O 压敏电阻片的研究进展［J ］.

电气应用，2005（24）：1-8，21.

［4］L.M.Levinson ，H.R.Philipp.Zinc oxide varistors——a

review ［J ］.Am Ceram Soc Bull ，1986，65（4）：639-646.［5］王振林，李盛涛.氧化锌压敏陶瓷制造及应用［M ］.北

京：科学出版社，2009.————————

作者简介：李云飞（1984—），男，工程师，主要从事雷电监测和防护方面的研究。

〔编辑：刘晓芳〕

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