MOV压敏电阻

防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 第一部分：防雷器件培训 A、 压敏电阻 B、 放电管 C、 瞬态抑制管(TVS) D、避雷针 A、压敏电阻： 一、什么是“压敏电阻” “压敏电阻”是中国大陆的名词，意思是“在一定电流电压范围内电阻值随电压而变”，或者是说“电阻值对电 压敏感”的阻器。相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。 二、微观结构和工作机理 1、微观结构 压敏电阻为什么会具有图 1.1 所示的线压型伏安特性，为什么能吸收极大的冲击电流？这就要研究它的微观 结构，明白它的工作机理。 现代压敏电阻的主导品种：氧化锌压敏电阻，是一种金属氧化物陶瓷半导体电阻器。它以氧化锌（ZnO）为 基料，加入多种（一般 5～10 种）其它添加剂，经压制成坯体，高温烧结，两面印烧银电极，焊接引出端，最后 包封等工序而制成，这样制成的陶瓷体内部结构，可用图 2.1 来说明。 氧化锌压敏电阻的内部可以区分为 ZnO 晶粒，和存 在在晶粒减的第二相物质，即晶界层（或称粒界层）两个 部分。 晶粒是充分半导体化了的，电阻率大体在（1-10）Ω -cm，尽可能减小晶粒的体电阻是制造技术中追求的一个 目标。晶粒的平均直径 do（图 6.1）大体在几个微米到 50 微米左右。 ZnO 原材料粉体的粒径在 1μm 以 电路的‘安全阀’及其技术经济意义 2.2 安全阀功能 压敏电阻有什么用？看一下表 1.1 和图 1.1 就清楚了。压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的 阀值“UN”时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过 UN时，流过它的电流激增，相当于阀 门打开。利用这一功能，可以抑 制 电 路 中经常出现的异常过电压，保护 电 路 免 受过电压的损害。 2.3 保护原理 压敏电阻是怎样抑制异常 过电压，起到“安全阀” 的作用呢？这可以用图 2.1 来说明。图中 220V 供 电线 LO在 A 点进入室内， 经过一段 LS线在 B 点送 到计算机 PC，在 B 点， 两根电源线的每一根上都 对地接一只压敏电阻 do 银电极 银电极 t 2.1 压敏电阻的微观结构 图 2.1、 压敏电阻 防雷保护原理 Zs A Zs MY E 750V PC 6000V Lo jingang 酷睿科技 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） MYG20-471。这时压敏电 阻在 220V 交流峰值电压 （220×1.41=310V）下的漏电流，例如为 2µA。这时压敏电阻对地阻抗相当于 310V/2µA=155MΩ。压敏电 阻呈“关断”状态。如果打雷时，在电源线的入口点 A，对地有 6000V 的顺时冲击电压。室内线路 LS对这种瞬时 冲击的阻抗Zs=3.5Ω，由于这种压敏电阻MY在大电流下的阻抗可小到1Ω以下，因此A点对地会有大约6000V/3.5 Ω=1714A 的电流，这个电流流入 MY，在 MYG20-471 上产生的电压大约为 750V，这时压敏电阻的阻抗 ZMY大约只 有 0.5Ω，呈“导通”状态，相当于安全阀门打开，将冲击电流泄放入地，并将 A点的 6000V 冲击电压在 B 点抑 制到 750V。只要 PC 机的耐压水平高于 750V，就不会造成损坏。在冲击保护设计中，可以把 A点看作“冲击源”， 从冲击源到被保护点 B的阻抗 Zs 称作“源阻抗”。 从上面的可以看出，压敏电阻必须有源阻抗 Zs 的配合才能起到抑制冲击电压的作用，源阻抗 Zs 对于压敏电 阻在大冲击电流时的阻抗 ZMY的比值越大，抑制效果越好。 三、压敏电压 UN 一般电阻器的基本参数都是电阻值，但压敏电阻器则用“压敏电压（UN）”来区分其规格。压敏电压的物理意义 是：高于这个电压，压敏电阻器就“导通”了，低于这个电压，就进入了“截止”状态，即压敏电压表征“导通” 与“截止”的转折点。压敏电压还有其他一些名称，如：崩溃电压、击穿电压、阀值电压、直流参考电压、导通 电压等。 四、最大持续工作电压 UC(Uac)、Udc 这是指压敏电阻能够长期承受的最大交流电压有效值 Uac，或最大直流电压值 Udc。 确定 Uac 的原则是：交流电压的峰值不大于压敏电压的公差下限值。 常规 ZnO 压敏电阻的压敏电压为 K 级公差（±10%），同而 Uac 可表示为： ( ) N N U64.0 2 1.01UUac ≈−= （3） 确定 Udc 的原则是：压敏电阻在 Uac 下的功耗与 Udc 下的功耗大体相等。常规 ZnO 压敏电阻的 Udc 可表示 为： Udc≈0.63UN， Udc≈1.3 Uac 实际器件能否承受指标规定的 Uac、Udc，是通过实验来验证的，是在 65℃的环境下，加上 Uac 或 Udc， 实验 1000 小时，压敏电压和限制电压的变化不大于±10%。 4 个电压的关系大体为， Udc=0.63UN， Uac=0.64UN， Up(3KA)=2Udc 五、限制电压 Ures 广义的限制电压是指冲击电流流入压敏电阻器时，它两端的峰值。 作为压敏电压器考核指标的限制电压 Ures，则是指波形 8/20，峰值 Ix 为表 7.1 规定值时的冲击电流流 入时，压敏电阻两端电压的峰值。压敏电阻的基本功能是抑制瞬态异常电压，所以限制电压是它的最重要的一个 使用参数。 器件的实际限制电压应低于规定的指标值。限制电压 Up 与压敏电阻 UN 之比称为限压比 Rp。 Rp 越小，越接近于 1，表明器件的限压性越好，因此技术指标中规定 Ures 的最大允许值。有的技术，如 IE61643-1，将规定冲击电流下，器件两端测得的电压峰值称作“限制电压”，而把一组限制电压数据中的最大值 称作该器件的限制电压。 六、 （1） 劣化阶段 这里所说的劣化是指一种不可逆变化，这种不可逆变化是强电流应力使晶界势垒产生不可逆的畸变，一些薄 弱的势垒被逐个破坏所造成的，在冲击电流应力 Fs 作用下压敏电压 U1ma 和非线性指数 a 所发生的变化规律可 用图 6.2 来说明。 ①当冲击强度比允许的极限值（图 7.3 冲击减额特性限定的值）低得多时，压敏电压先上升，后下降（图 6.2.1）；或一开始有微小的下降，然后上升，再下降（图 6.2.3）。 ②当冲击强度接近允许极限值时，压敏电压不会出现正向变化（图 6.2.3） 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） ③即使压敏电压向增大方向变化，非线性指数 a 也是下降的。 ④压敏电压和 a 随着冲击应力强度的加大，一开始变化比较平缓，当接近极限值时，迅速下降。 在压敏电阻的技术规范中，把压敏电压下降 10%作为失效（寿命终止）的判据。 （2） 破坏阶段 当冲击电流应力超过了规定的极限值，或器件本身有内在缺陷，就会出现结构破坏现象，已经观察到的结构 破坏现象有以下几种： a.包峰层开裂，引线附近的银电极层烧蚀：这两种现象大多是由于电极层电阻率太高引起的。 b.电阻片侧面飞弧：当电厂强度大于 1kV/mm 时就会出现侧面飞弧，但侧面有绝缘涂层后一般不会发生这一 现象。 c.电阻体穿孔：即电阻体上形成 1mm 左右的贯通孔，结果使电阻值下降到 1kΩ以下。这是由于时间宽度大 于 100μS 的大电流使电阻体材料局部熔化造成的，熔化点反映了电阻体上的薄弱点，即低阻抗点，因而电流都 向这一点集中，导致高热而熔化。 d.电阻体炸裂：当冲击电流的幅值很大，且时间宽度τ小于约 50μs（例如 8/20 电流波）时，就会发生炸 裂。这是因为在这样短的时间内，电流所产生的热量来不及在晶粒间传导，可视作绝热过程。其结果是电流比较 集中的部位产生的高热，使电阻体不同部位形成很大的温度差，导致很大的热应力而炸裂。 在实际使用中常常会提出这样一类问题，例如：“8/20 电流波 10kA，相当于多大幅值的 10/350 电流波”？ 有人按“电荷量相等的原则来推算，有人按“能量相等”的原则来推导。从图（6-3）的曲线我们可以知道，这 两种推算方法之所以都不对，原因就在于冲击电流应力对压敏电阻的作用机理，除了电学作用外，还有热学的因 素。 6．2 系统电压应力的作用 系统电压应力引起的劣化的现象 长期施加在压敏电阻上的系统正常工作电压也会引起性能劣化，劣化的现象是伏安特性的线性化，即 a 下降， 压敏电阻下降，电阻性漏电流上升。若电压应力位直流，则正反向伏安特性还会变得越来越不对称，而且总是与 所加直流电压相反方向上的线性化更严重。 6．2．2 劣化规律和加速寿命试验 经常有人这样问：“如果压敏电阻不受冲击，在系统电压下能工作多少年？”，为解决这个问题，需要了解压 敏电阻在系统电压下的劣化规律和进行加速寿命试验 6．3 冲击电流应力和系统电压应力的联合作用 多数压敏电阻器承受系统电压应力和冲击电流应力的同时作用。可以设想，冲击电流应力使电阻体进入低 阻态，在冲击电流停止后，电阻体尚未完全恢复到高阻状态时，系统电压将会推动一个较大的电流流入电阻 体，从而加速劣化过程，所以这比单应力作用更严酷。 为验证压敏电阻在这两种应力同时作用下的可靠性，技术规范规定了“动作负载试验”，即将冲击电流 迭加在系统电压上进行试验。 6．4 高湿度的作用 长期暴露在高湿度环境中的压敏电阻器，也会出现漏电流增大，a 下降和压敏电压下降的线性化现象， 或者在连续施加电压的条件下，漏电流“爬升”，即在一定范围内连续增大或摆动。 七、漏电流 IL 漏电流是指压敏电阻吉击穿导通以前，即电压低于压敏电压 UN时的电流。通常总希望漏电流 IL尽可能小。 并且要稳定。 目前，测量漏电流所用的电压有多种规定，因此也就有多种不同的漏电流现总汇如下： 定电压电流 直流漏电流 0.83UN电压下的电流 漏电流 0.75UN电压下的电流 交流漏电流 容性电流 阻性电流 阻性电流峰值 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 阻性电流有效值 定电压漏电流的测量电压，一般为最大持续直流工作电压，或用户规定的某个使用电压。提出 0.83 或 0.75 倍 UN条件下的漏电流，即实际压敏电压变化时，漏电流的测量电压也要相应地变化，但测量电压对 UN的比例 不变。 八、压敏电阻的安全性 在以往的应用中，跨接在电源线上的压敏电阻器出现过起火燃烧，危机邻近其它元器件的事故。 压敏电阻起火燃烧的表观现象，大体上可分为老化失效和暂态过电压破坏两种类型。 老化失效，这是指电阻体的低阻线性化逐步加剧，漏电流恶性增加且集中流入薄弱点， 弱点材料熔化，形成 1kΩ左右的短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点，形成 高热而起火。这种事故通常可以通过一个与压敏电阻串联的热熔接点来避免。热熔接点应与电 阻体有良好的热耦合，当最大冲击电流流过时不 会断开， 但当温度超过电阻体上限工作温度时即断开。研 究 结 果 表明， 若压敏电阻存在着制造缺陷，易发生早 期失效， 强度不大的电冲击的多次作用，也会加速老化过 程，使老 化失效提早出现。 ②暂态过电压破坏，这是指较强的暂态过电压使电 阻 体 穿 孔，导致更大的电流而高热起火。整个过程在较短 时 间 内 发生，以至电阻体上设置的热熔接点来不及熔断。 在 三 相 电源保护中，N-PE 线之间的压敏电阻器烧坏起火 的 事 故 概率较高，多数是属于这一种情况。相应的对策集 中 在 压 敏电阻损坏后不起火。 九 、 压敏电阻的验收检验 如果压敏电阻的选用设计是正确的，但实际使用 的 压 敏 电阻器质量不好，达不到设计要求，那么仍然不能达 到 预 定 的保护目的。由于压敏电阻的检测要用专用的仪器和装置，目前市售压敏电阻的内在质量差别很大， 因此如何保证用户使用的压敏电阻器的质量就是个严重问题了。这里提出这个问题，以期引起用户 的重视。 对于保护用压敏电阻器，一般来说，应着重检查三项技术性能：（1）限制电压；（2）通流量； （3）持续工作电压稳定性。 十、 定期在线检测 安装在重要场合的压敏电阻器，一般每年检测一次，对于防雷保护用器件，安排在雷雨季节前进行检测，发现 劣化的器件及时更换。这样做的目的有两个，一是保证重要系统的正常工作，二是为研究和提高压敏电阻的可 靠性提供信息。更好的做法是在压敏电阻的使用现场安装专用仪，记录运行过程中压敏电阻实际承受的冲 击电流。 十一、电荷暂存和历史效应 在压敏电阻测试中的下列现象，是受这一机理支配的： （1）连续几次测量压敏电压，第一次的测量结果往往比后面几次的稳定值低 0.1%-0.3%。 （2）以峰值为 1ma 的工频电流来测量压敏电压，头几个周波的压敏电压逐渐增大。经多个周波后的稳定值，比 第一个周波得到的电压值高千分之几。 十二、极性现象 极性是指压敏电阻两个方向的测试结果不一致，低压压敏电阻的这一现象尤为明显。产生这一现象的原因有 两个：一是电阻体内正方向的势垒与反方向的势垒本来就不是完全相同的，二是压敏电阻经电流电压作用后产生 了劣化，使得两方向的势垒不对称，或电流路径上正反方向的有效势垒数目不等，因此在压敏电阻的测试中，要 求对两个方向都进行测试。 十三、电容量 压敏电阻器的固有电容量 Co，随着规格的不同，大体在几个 PF 到 104PF 左右，它与压敏电阻的电阻成分相 被保护设备 F MY Uac 图 10.2 串联熔丝的保护方法 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 并联，对测试过程产生影响。(不能用于高频应用线路) B 火花间隙 间隙避雷器的工作原理：基于电弧放电技术，当电极间的电压达到一定程度时，击穿空气电弧在电极上进 行爬电。 优点：放电能力强，通流量大（可以达到 100KA）漏电流小 热稳定性好 缺点：限制电压高，反映时间慢，存在续流 工艺特点：由于金属电极在放电时承受较大电流，所以容易造成金属的升华，使放电腔内形成金属镀膜影 响避雷器的启动和正常使用。放电电极的生产主要还是集中在国外一些避雷器生产企业，，电极的主要成分是 钨金属的合金。 工程应用：该种结构的避雷器主要应用在电源系统做 B 级避雷器使用。但由于避雷器自身的原因容易引起火灾， 避雷器动作后（飞出）脱离配电盘等事故。根据型号的不同适合与各种配电制式。 密闭式间隙避雷器 现在国内市场有一种多层石墨间隙避雷器，这种避雷器主要利用的是多层间隙连续放电，每层放电间隙相 互绝缘，这种叠层技术不仅解决了续流问题而且是逐层放电，无形中增大了产品自身的通流能力。 优点：放电电流大 测试最大 50KA（实际测量值）漏电流小 无续流 无电弧外泻 热稳定性好 缺点：限制电压高，反映时间慢 工艺特点：石墨为主要材料，产品内采用全铜包被解决了避雷器在放电时的散热问题，不存在后续电流问 题，最大的特点是没有电弧的产生，且限制电压与开放式间隙避雷器比较要低很多。 工程应用：该种避雷器应用在各种 B、C 类场合，与开放式间隙比较不用考虑电弧问题。根据型号的不同该种 产品适合与各种配电制式。 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 放电管 一、气体放电管的构造及基本原理 气体放电管采用陶瓷密闭封装 ， 内部由两个或数个带间隙的金属电极 ，充以惰性气体 （氩气或氖气） 构 成 ，基本外形如图 1 所示 。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时 ，气体放电管便开始 放电 ，并由高阻变成低阻 ，使电极两端的电压不超过击穿电压。 过压防护用的气体放电管是在两电极之间制作一个密闭的气体间隙，当加在两电极上的电压超过一定值时， 气体间隙被击穿，两电极近似短路，从而将过压旁路，达到保护设备和人员的目的。这一电压就称为击穿电压。 这种元件不同于简单的空气间隙保护装置，它的内部间隙大小和气体成分得到精密控制，电极端面也采用特殊 工艺处理，使击穿电压具有相当的稳定性和一致性，并具有快速的响应时间。它采用陶瓷外壳与金属封接，具 有优良的耐震、耐热冲击、耐强电流性能，为玻璃放电管和半导体管所不及，在强电和雷击初级防护的场合更 是无可替代。三极放电管的两个放电间隙共处一个腔内,可确保两端电极同时对公共极放电，更有效抑制了线 间横向电压。 这种元件的极间电容很小，因而非常适合高频通信回路，对信号衰减和频带特性影响极小。其自复式免维 护特性更为设备维护人员带来方便。 参数： 耐流特性： 标称电流（A） 工频耐流 （50HZ*1 秒*5 次 每次间隔 3MIN) 冲击电流 （10/1000US 300 次 每次间隔 3MIN） 雷击耐流 （8/20US 10 次 每次间隔 3MIN） jingang 酷睿科技 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 2.5A 2.5A 50A 2.5KA 5A 5A 100A 5KA 10A 10A 100A 10KA 20A 20A 200A 20KA 常规参数： 型号 直流放电电压 （V） 冲击击穿电压 (1KA/US) 绝缘电阻 M 欧） 电容 （PF） R90 70---90 <700V R230 190---260 <800 R500 450---650 <1200 ≥1000 <2 应用： 压敏电阻可以与气体放电管、空气隙、微放电间隙等气体放电器件相串联（图 10.5a），这个串 联组合的正常工作要满足两个基本条件：（1）系统电压上限值应低于气体放电器件 G的直流击穿电 压；（2）G点火后在系统电压上限值下，压敏电阻 MY 中的电流应小于 G的电弧维持电流，以保证 G 的熄弧。 这种串联组合具有电容量小，工作频率高；漏电流极小因而安全性好；以及不存在压敏电阻 MY 在系统电压下老化的问题，因而可靠性高等优点，但同时也有气体放电器件响应慢所引起的 “让通电压”问题。 压敏电阻也可与气体放电管并联， 以 降 低气体放电管的冲击点火电压。 瞬态抑制二极管 半导体二极管（包括齐纳二极管、开关二极管和瞬态抑制二极管） 是一种专门用于抑制 过电压的元器件。其核心部分是具有较大截面积的 PN 结，该 PN 结工作在雪崩状态时，具 有较强的脉冲吸收能力。 优点：限制电压低，动作精度高，反应时间快（<1ns），无跟随电流（续流）； 缺点：耐流能力差，通流容量小，一般只有几百安培。 钳位二极管是依靠二极管的正向电压和反相电压来作为限制过电压的器件。它的动作时间极快可达 皮秒级，同时动作电压可设定很低，因此可适用于通信线的过电压保护。 电容器 采用它与电抗线圈配合，构成滤波器。 熔断器与断路器 熔断器：保险丝、陶瓷管中的石英砂 （a） （b） MY G 图 10.5 压敏电阻与气体放电 器件的串、并联运用 . . . . . . MY G 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 断路器：空开、漏电保护开关 电感（线圈） 电感线圈对暂态过电压波具有独特的折、反射特性，它能降低折射波的波头上升陡度，减少过电压危害 的程度，同时也能抬高入射波电压，改善它前面保护元件的动作特性。 避雷针与导体消雷器的区别 一、端部的接闪器不同： 1、 避雷针的接闪器只是一根金属针头；导体消雷器的接闪器是由 5-19 根（常用的是 13 根，垂直向上 1 根， 与垂直方向 30 度、60 度、90 度各 4 根，和长度为 5M，针头分为 4 叉（每叉长为 30CM）的金属棒组 成。 2、 接地阻值的要求不同： 避雷针将雷引入地，地电位反击。 导体消雷器基于中和雷云电荷理论，变强烈的雷电放电过程为缓慢的中和过程，对接地电阻的阻值没有 提出要求。 二、半导体消雷器与导体消雷器的区别： 该 5M 长的金属针为同等长度表面涂有半导体漆的环氧树脂玻璃钢管针，没针电阻为 35K 欧，针间夹角为 25 度，整体非线性系数为 0.35（电容放电原理） 三、限流避雷针：在普通避雷针中加入高压电阻或电感（线圈） 四、工艺避雷针：各种形状的避雷针。 五、避雷针的保护原理： 在雷电先导放电阶段，避雷针的顶部积聚了电荷，此时在发展中的先电导与避雷针顶部之间的气隙中出现 了很高的电场强度，从避雷针上出现和发展的迎面先电导更加强了间隙中的电场强度，从而最终使雷击于避雷 针。 常用测试仪器和装置 一、CJ1007 型压敏电阻直流参数仪 CJ1007 型压敏电阻直流参数仪主要用于测量限压型伏安特性器件（压敏电阻器，氧化锌避雷器，稳压管 等）的压敏电压（UN）(或称直流参考电压)，非线性指数（a）和漏电流（IL）等三个参数，仪器的设计符合技 术标准 GB/T10193，GJB1782 和《电子设备用压敏电阻器安全要求》的规定。也可以用作一般直流电压源、电 流源使用，因此是一种多功能、多用途的实验室仪器。仪器由“自动”、“恒压”、“恒流”三种工作状态可供选 择。 “自动”测量状态 一次测试自动给出压敏电压（UN），非线性指数（a）和漏电流（IL）三个参数的测试结果，测试程序为 UN →UNＯ.1→IL，测试周期约 300ms。其中： ①电压 UN的测试电流按照《电子设备用压敏电阻器安全要求》标准的规定有： 0. 1ma±5%，1ma±2%，3ma±2%，5ma±2%等四种选择。 电压 UNＯ.1 的测试电流为电压 UN测试电流的十分之一。 ②非线性指数 a 由仪器按公式 N NO.1 1a U10g U = 计算得出，以 LED 数字显示，测量范围 9.0～999 (相应的电压比 UN/UNＯ.1=1.29～1.023) ③漏电流（IL）的测量电压可选定为以下三种电压中的任意一种： 75% UN，83% UN，或事先设定的某一固定电压。 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） “恒压”测量状态 可在 5V~1400V 内任意设定要求的输出电压值，并显示在该电压下被测元件两端的电流。 “恒流”测量状态 可在 5µa~5ma 内任意设定要求的恒定电流值，并显示在该电流下被测元件两端的电压。 电压设 70V，200V，600V，1000V，1400V 五个量程，以四位半 LED 数字电压表显示，在 5V~1400V 内 精度±0.5%+2 个字。 电流设 20µa、200µ、2ma、5ma、四个量程，以三位半 LED 数值显示，精度±2%+0.2µa。 交流成分在 5V~1400V 内不大于±1%+0.1V。 二、CJ1002 型压敏电阻分选仪 该仪器是生产线用仪器，用于对压敏电阻器电阻片和成品进和参数分选，可与机械系统联动组成自动分选机， 也可单独工作，进行手动测试和分选。 ① 测试参数：压敏电压：UN，5V~1400V ，4 位半 LED 数值显示 非线性指数 a，可选择三个 a 值中的任一个。 a(10μa～1000μa)，a1(100μa～1000μa)，a2(10μa～100μa)。 ②分选设定：ＨUN（压敏电上限） ＬUN（压敏电压下限） Ｌａ（ａ下限值） ② 产品分组：４组（１）ａ≤Ｌａ （废品） （２）ａ>Ｌａ ＬUNＬａ UN≤LUN （下限品） （４）ａ>Ｌａ UN≥ＨUN （上限品） ④速度 ３只／秒 三、CJ1102 冲击电流发生器 本仪器产生 8/20 标准雷电流波，用于测量压敏电阻的限制电压，也可用于其他防雷元器件的检测，仪器 配备峰值表，可同时显示冲击电流和限制电压。 ①．冲击电流波形 8/20，峰值 1a～500a，4-1/2 位 LED 数值显示，误差±3% ②．限制电压 30V～3000V，4-1/2 位 LED 数值显示，误差±3% ③．专用的 4 线法接线夹具，避免接线电阻和接触压降的影响 四、SSP888 便携式防雷元件测试仪 本仪器为小型便携式仪器，用于现场检测压敏电阻器，气体放电管和电涌保护器等防雷元器件，也可作为直 流可调电源使用。 ① 测量参数：试样在 d.c.1ma 下的电压值（压敏电压）。 气体放电管的直流击穿电压。 ② 电压：30V～1000V，3-1/2 位 LED 数值显示。 电流：200μa，2ma 两个量程 3-1/2 位 LED 数值显示。 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 一、电源浪涌保护器 二、信号浪涌保护器 三、天馈浪涌保护器 四、一体化防护终端 一、电源浪涌保护器 一般电源避雷器是采用氧化锌压敏电阻为主要元件的电路。 氧化锌压敏电阻材料在正常电压下呈高阻状态，可认为是无电流的，而一旦处于雷电冲击过电 压时，立即变成低阻状态，其响应时间一般为毫微秒数量级（ns），流过的电流急速增大，把雷电 流疏导至大地，从而达到保护电子设备。 氧化锌压敏电阻不仅对雷电浪涌进行保护，而且，又具有足够可靠的暂时工频过电压耐受能力， 可以抑制异常电压，也可以在数倍内部过电压出现时，同时承受雷电流作用，良好的陡度特性对电 力变压器起到保护作用。 工程设计上通常根据保护电压范围、冲击电流、能量吸收、平均消耗功率、响应时间，在过电 压状态下，最大电位升与被保护电路的电气强度相比较，能否在安全范围内，压敏电压、限制电压 和通流容量来选择电源避雷器。 根据有关标准规定，交流电源避雷器必须有纵向保护，宜有横向保护。直流电源避雷器必须有 横向保护，宜有纵向保护。 基本电路：应用不同的防雷元件可得到以下几种基本电路 a、 空气放电隙，采用高熔点铜钨合金制作。在使用时应设置后备保护 b、 电源模块电路 c、 压敏电阻与气体放电管的串联组合电路：其最大的优点是无漏电流、增加产品寿命 d、 颜色视窗显示是否失效 e、 遥信端子 f、 自动脱扣装置 g、 工作指示：绿灯亮表示供电正常，红灯亮表示故障 h、 雷击计数。 ④、主要技术指标： a、最大持续运行电压 Uc：便于判断持续运行安全性 定义：SPD 在运行中能持续耐受的最大直流电压或工频电压有效值。在选用 SPD 时， SPD 的最高持续运行电压应略高于当地电网可能出现的最高电压。 b、放电电流：放电电流是衡量电源避雷器泄放雷电流能力的指标，应根据当地雷电强度、 被保护设备重要性选择 SPD 的放电电流。 b1、标称放电电流 In：施加规定波形（8/20μs）和次数（同一极性 5次）放电电流冲 击后标称导通电压变化率小于 10%，漏泄电流和限制电压仍在合格范围内的最大的放电电流幅 值。 b2、最大放电电流 Imax：施加规定波形（8/20μs）放电电流冲击 1 次后不发生实质 性损坏，不炸裂，不燃烧的最大的放电电流幅值，一般最大放电电流＝（1.2～2.0）×标称放 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 电电流。 b3、冲击电流 Iimp：施加规定波形（10/350μs） c、限制电压 URES：保护水平 UP 定义：施加规定波形（8/20μs）、幅值（标称放电电流）和次数（同一极性 5 次）的冲 击时，在 SPD 端子间测得的电压峰值的最大值。 各种行业标准规定标称放电电流下测限制电压。GA173-1998 规定 3kA 下测限制电压，修 订稿规定 5kA 下测限制电压。在选用 SPD 时应兼顾限制电压和最大持续运行电压，限制电压是 SPD 对设备保护的有效性指标。而最大持续运行电压与 SPD 本身工作可靠性相关。两者之间存 在矛盾。限制电压低，对设备保护有效，但最大持续运行电压低了，SPD 工作不可靠。相反， 最大持续运行电压高了，SPD 本身很可靠（极端情况形同虚设），但限制电压高了，对设备保 护不充分。在产品选用时应适当兼顾两者。 避雷器的限制电压只是避雷器的技术指标，真正加在设备上的过电压还要在限制电压的基础上 加上避雷器与电源线、地线连接的两段导线电感产生的附加电压，因此正确的安装避雷器也是降低 设备过电压的重要措施。在标准中要求在电源线上多级加装避雷器来实现降低限制电压的效果，实 际运用中是利用了导线的自感做各级避雷器间的隔离阻抗，通过多级避雷器来降低限制电压。 e、漏电流 IL： 漏泄电流指标反映了所用压敏电阻的劣化情况。 定义：并联型电源 SPD 施加 75%的标称导通电压时，流过电源 SPD 的电流。 f、电压调整率：串联型电源避雷器的退耦电感引起的输出电压降低的百分比。 重点关注：“3+1”四模块电源、其中的“1”为放电管或石墨火花间隙，其电源通流量为 IN 四倍 附录（一）电源模块的外壳材料： PBT：具有很高的热丝点着性和大电流电弧点着性、热膨胀率。 PC 合金（碳膜）： 附录（二）：(选读) 关于大通流量 SPD 用压敏电阻器的讨论 引言 氧化锌压敏电阻器（以下称“MOV 电阻片”）是电涌保护器（SPD）的核心元件。电源系统防 雷和过电压保护用的 C 级和 B 级 SPD，它们对于 8/20 冲击电流的通流量指标，大体在（10—150） KA 范围内。MOV 电阻片实现这一要求的技术途径有两个：一是采用大面积的单个电阻片（以下 称“单片法”），另一种是采用多个小尺寸电阻片的并联组合（以下称“并联法”）。两种方法各有什 么优缺点，它们各自的适用范围是什么，目前存在着较大的争议，本文提出笔者的看法，盼望得到 同行们的指教。 MOV 电阻片的通流能力 1, MOV 电阻片通流能力的表示方法 在实际工作中，MOV 电阻片的通流能力，可以用规定冲击次数（N）条件下所能承受的最大 冲击电流峰值（IP）来衡量，或者相反，用规定的最大冲击电流峰值（IP）条件下所能承受的最多 冲击次数（N）来表示，同时还必须明确具体的试验条件，否则，IP和 N 就没有统一的比较基准。 这些试验条件包括： （1）冲击电流的波形。在没有特指的情况下，一般是指 8/20 电流波。 （2）失效判据。压敏电阻行业，通常以压敏电压下降≥10%作为失效，而在 SP 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 中则以出现热失控来判定失效。 当然，若冲击电流作用中或作用后有结构 性破坏，发生飞弧，也应判定为失效。 （3）若是多次冲击，则应规定相邻两次冲击间的时间间隔，以及各次冲击电流 流过试样的方向。 （4）在施加冲击电流的同时，是否还要加连续工作电压，以及当连续工作电压 为交流的情况下，冲击电流的施加时刻与交流电压的相位关系。.. 2, 通流密度 J（A/cm²） 在 MOV 电阻片的研究中,常用通流密度 J（A/cm²）来衡量通流能力,于是一 只电极面积为 A（cm²）的电阻片的最大冲击电流峰值 IP可表示为： IP = J .A （1） 这个简单的公式告诉我们，要提高 IP，，可从提高通流密度 J 和加大电阻片面积两 个方面入手，下面先讨论通流密度 J。 在一定的试验条件下，MOV 电阻片的 J 值取决于制造水平和产品设计。 在不少人中有一种片面的理解，就是把通流密度 J 与陶瓷电阻体的能量密度等同起来，实际 上，MOV 电阻片的 J 值，是由陶瓷电阻体的能量密度和电极层共同决定的。这里所说的电极层， 又包含了从引线（或引片）到银电极层的流散电阻，银电极层本身的电阻，以及银电极层与陶瓷电 阻体的接触电阻这样三个层次。也就是说，冲击电流从 MOV 电阻片的一个电极流入，从另一个电 极流出的过程中，要经过流入面的三个层次，然后到陶瓷体，再穿过流出面的三个层次。这七个环 节中的任何一个，都可能成为制约整个 MOV 电阻片通流量的瓶颈。正是因为这样，同一个陶瓷体， 电极设计不同，通流密度 J 就不同。例如同样一个直径 20mm 的压敏陶瓷体，用 4 探针法测得的银 电极的面电阻为（5-6）mΩ/方时，其通流密度 J 大体为 3KA/cm²，（3-4）mΩ/方时，J 可提升到 5KA/cm²。 压敏陶瓷体的 J 值的高低，主要由瓷料配方的正确性和内部微观结构的均匀性所决定。微观结 构匀质性不好的陶瓷体，其各部位的阻抗的差别就大，而电流总是向阻抗小的路径集中，这种电流 集中现象当冲击电流的波宽小于几十微秒时，往往使陶瓷体发生崩裂，而当冲击电流的波宽大于百 微秒级时，常常使陶瓷体穿孔。 在陶瓷生产中,瓷件结构的均匀性还与瓷件的几何形状和尺寸有关. 面积对直径之比很大的陶 瓷元件的制造难度大,内部结构的匀质性差，因而这种 MOV 元件的通流密度低。现在工业生产的 MOV 电阻片的最大通流密度 J,与电阻片直径 D 的关系大体如图 1。上世纪八十年代,MOV 电阻片 的最大通流密度 J,大体是图 1 数值的一半. J （kA/cm²） 4.4 D（cm） 2 4 5 图 1,通流密度 J 与直径 D 的关系 3.7 5.0 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 从图 1 可知,一只直径 D=2cm 的电阻片的最大通流量 Ip=15.7KA, 而直径 D=5cm 的电阻片的 Ip=72.6KA..这样一来,如果 SPD 的通流量为 60KA,我们可以用 4 只直径 D=2cm 的电阻片并联, 也可 以只用一只 D=5cm 的电阻片. MOV 电阻片的厚度 TH 是由要求的 “压敏电压”(直流参考电压)U1ma (以 1ma, dc 电流测得的电 压), 和电阻片的 “电位梯度 Vo”(V/mm,即 1mm 厚度的压敏电压) 决定的: TH= U1ma / Vo (2) 现行的 MOV 的 Vo 大体在(160-210)V/mm, 假如 Vo=200V/mm,那么,对于 U1ma 为 600V 的电阻片, 其厚度 TH=3mm. 于是,直径 D=2cm 的 600V 电阻片,其直径厚度比是 20/3≈6.67, 对于直径 D=5cm 的 600V 电阻片,则为 50/3≈16.7. 从陶瓷制造技术来看,直径厚度比 16.7 的瓷片生产,比 6.67 要难得 多. 采用一般的陶瓷技术, 要生产直径厚度比大于 30 的瓷片,几乎是不可能的了.因此当要求 Ip>100KA(8/20)时,就不得不采用多个电阻片并联了. MOV 电阻片短路失效时的脱离保护 在我们考虑大通流量 SPD 用的 MOV 电阻片的技术

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时,必须同时解决好电阻片短路失效时的 脱离保护问题,否则,SPD 就不能投入使用. MOV 电阻片的主要失效模式是 “短路”,因此将它跨接在电源线上时,必须有 脱离器,将它在 “短路前”,或 “短路时立即” 与电路断开,并给出指示. 1, MOV 电阻片的短路失效现象 MOV 电阻片 “短路”失效的表观现象是电阻体上有一个直径大体为零点几到几个毫米的烧穿 孔. IEC 61647.3 ED1.0 标准中对 MOV 的短路失效模式.是这样定义的：“在这一模式中,以 1Vd.c 测得的器件电阻,已永久性地低于 100Ω.” 我们对生产和试验中发生的短路失效电阻片进行了很多测试,结果与上述定义不相符,因此 IEC 61647.3 的这个定义应该修正 我们对烧穿后冷却了的电阻片,用普通万用表或 1V 电压测得的电阻, 绝大多数在几 KΩ到几十 KΩ之间,少数为几百欧,且不稳定.但它们有一个共同点,就是非线性指数 α＜2. 因此,把这种失效称为 “线性化失效” 似乎更正确.我们也发现极其个别的烧穿孔是绝缘的. 这里还要特别强调一点,就是决不能用几KΩ到几十KΩ来估计短路电流,因为这是冷态电阻,发生故 障时电阻体材料可以燃烧到白热状态,这时候的阻抗可以小到 1Ω 以下。 2, MOV 电阻片产生短路失效的原因. 电阻片的烧穿孔，是由于这个部位的材料低电阻化而造成的。低电阻化导致电流向这个部位集 中，电流的集中又加剧了温度的升高，温度的升高使电阻更小，电流更大，最后发展到热崩溃而将 材料烧穿。 MOV 电阻片上局部材料低电阻化的主要原因,可归结为 “三个内因和三个 外因”. 三个内因是: (1)电阻片内有 “异物杂质”, 或组成成分的分布不均匀.在氧化锌压敏 电阻器中,大约 90%是 ZnO,还有 6-10 种微量添加剂占 10%的重量,要使这些微量添加剂完全均匀分 布在 ZnO 中是困难的.这种组分分布的不均匀导致了局部材料低电阻化. (2)由于瓷料配方不正确, 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 或陶瓷烧成和热处理工艺不正确而造成微观物相不对,或有缺陷. (3) 电阻片内有微裂纹或局部疏 松,尤其是电阻片的边沿部位更易发生局部疏松现象. 三个外因是: (1)冲击电流使电阻片中有缺 陷的部位首先破坏, (2)连续工作电压使电阻片内产生电化学反应,这种反应的结果是使MOV的电性 能向线性化方向发展,而发展的速度在不同的部位是不同的,速度快的部位首先失效穿孔.这种变化 是符合 Arrhenius 规律的. (3)温度的升高对上面两个应力的作用有加强家速的作用. 3,短路失效的脱离保护 MOV 电阻片短路失效时的脱离保护,应设置 热脱离和电流熔断器两种,这样才能实现完全的保 护.因为 MOV 电阻片短路失效的故障时间范围相当宽,长到几小时,短到不足 1 毫秒.现行的 SPD,绝 大多数只有单一的热脱离装置,而没有电流熔断器.在这种情况下,如果 SPD 的上游电路中没有电流 熔断器,那是不安全的. 现行的热脱离器,多数是在电阻体的金属电极上设置用低熔点合金连接的接点,当电阻体发热 使低熔点合金熔化时,弹性元件的弹力使接点断开,从而将MOV与电路脱离.这种保护,在MOV已发生 劣化,漏电流已增大到一定数值,但尚未穿孔时就将它脱离电路,因此是一中较好的保护方式..衡量 热脱离器优劣的主要技术性能是脱离动作的“安秒特性”.它表示了与脱离动作对应的故障电流I,故 障电流的持续时间 T 之间的相互关系.我们的实验表明,对于一种确定的热脱离器来说,其安秒特性 在相当宽的范围内符合下面的公式 LogI= Io – k Log T (3) 式中Io 和 k是两个常数,它们可将两次测量得到的(I,T)代入上式而求得.表1是我们实测的数据, 用表 1 的 NO1.NO2 两个测量点代入公式求得的 Io=3.11, k=0.645, 于是,对于所测型号的 SPD 而 言,它的热保护有: LogI= 3.11 – 0.645Log T (4) 将表 2 中其余测试点的数据代入上式可以看出,测试结果与公式很相符.. 表 1 直流电流 I 与 MOV 型 SPD 脱离时间 T 的测试结果 样品 No. 1 2 3 4 5 I (mA) 21(20-22) 39(38-40) 53(52-54) 68(66-70) 98(96-100) T (S) 601 230 143 101 61 P, 4 显然,我们希望有这样的安秒特性:即热脱离器动作的故障电流小,故障电流的持续时间短.国家标 准要求热脱离器的安秒特性应保证故障时,SPD 的表面温度低于 120℃,且在热脱离器动作 5 分钟后 表面温度能降到 80℃以下. 依据上面的分析可以推论出热脱离器设计安装的一些原则:(1)热熔接点应与被保护电阻片有 良好的热偶合,应直接设置在电阻片上.有的 SPD,用包封在塑壳中的温度熔断器作热脱离器,放在 环氧封装的 MOV 旁边,作为热脱离保护.我们认为是不正确的.同样的道理,多个 MOV 电阻片并联,应 在每个电阻片上分别设置热熔接点.(2)应尽量减少 MOV 电阻片劣化发热所产生的热量的损失,使这 种热量尽快和尽量多地集中到热熔接点上.从这一原则出发,SPD 中的灌封料不宜多. 热脱离器的主要缺点是不能响应快速短路故障.由于热传导需要较长的时间,因此,当整个故障 防雷培训材料 酷睿科技（http://www.21lp.cn） 时间相当短时,就会出现故障点已穿孔,而热脱离器还没有动作的情况.笔者观看到，在 TOV 条件 下，34mmMOV 方片的失效点已经白热燃烧了 3 秒多钟，距离它大约 15mm 的热熔点还没有动作.. 电阻片短路后由于短路电阻小,系统又不能输出足够的电流时,热熔点的温度始终达不到熔化温度, 结果短路长时间维持而导致起火.为避免这种故障,可在 MOV 电阻片的电路里再串联一个电流熔断 器,或者在 SPD 的上游电路里有相应的电流熔断器. 电流熔断器的作用是在 MOV 电阻片穿孔短路后,在不超过允许的故障时间 内迅速脱离.这种电流熔断器要同时满足两个互相矛盾的要求:一方面要能耐大的雷电放电电流而 不熔断,另一方面在较小的工频电流下能熔断.有人把这种电流熔断器叫作 “耐雷熔丝”. 我们对普 通电流熔断器测试的结果是它们对8/20雷电流的熔断电流,大体是工频额定值的200-300倍.显然, 与 MOV 串联的电流熔断器的额定值,应依据 SPD 安装位置的供电系统能输出的故障电流来确定. 单片法和并联法的比较 前面的例子中说到,通流量为 60KA 的 SPD,我们可以用 4 只直径 D=2cm 的电阻片并联, 也可以 只用一只 D=5cm 的电阻片来实现.两种方法那一种更好?从前面的分析可以推论出并联法更好的结 论,因为: 1,并联法 SPD 易实现快速可靠的热脱离保护和工频电流熔断保护。 这里所谓的 “并联法”,不是指 MOV 电阻片简单的直接的并联,而是指将经过特性配对的 MOV 电阻片,在其上设置了热脱离器,且串联了工频电流熔断器后再并联,必要时还可以在并联支路中串 入 “均流元件”. 在这种设计中,因为 MOV 电阻片尺寸小,热容量小,且热脱离接点直接设置在 电阻片上,热偶合良好,因此热脱离的安秒特性比单个大尺寸电阻片的优良.此外,小尺寸电阻片允 许采用工频额定值低的电流熔断器,从而解决了大尺寸电阻片中雷电流熔断与工频电流熔断不相容 的问题. 2, 并联法 SPD 的工作可靠。 并联法 SPD 中，参与并联的小电阻片中的一个失效脱离后，其他电阻片还在继续提供保护， 而在单片法中，一个缺陷点导致失效后，整个 SPD 就报废了。此外，在并联法 SPD 中，可以加入 后备保护设计，使工作更可靠。 3, 并联法 SPD 可能达到的最大通量远高于单片法的最大通量 受陶瓷制造技术的限制, 目前,单片法 SPD 对 8/20