毛聲道

摘 要：該文主要介紹壓敏電阻在浪涌保護器中的工作原理，壓敏電阻實際使用時的失效原因與失效模式，以及相應的失效保護方法。

關鍵詞：壓敏電阻 浪涌保護器 失效模式

中圖分類號：T64M 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0089-02

壓敏電阻是浪涌保護器的一種非線性限壓器件，最常用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻。壓敏電阻利用其非線性的伏安特性，把竄入電力、電信傳輸線路的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或將強大的雷電流泄流入地，以保護耐壓水平較低的電氣設備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

在實際使用中，壓敏電阻會受到安裝環(huán)境或電流沖擊而逐漸老化失效，使被保護設備處于保護缺失狀態(tài)，極易造成短路等電力事故。因此，有必要采取一定的失效保護方法，確保浪涌保護器和被保護設備的安全運行。

1 浪涌保護器中壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，通常并聯(lián)于被保護電器的輸入端。在正常電壓條件下，壓敏電阻的阻抗很高，漏電流很小，可以看作開路，對電路幾乎沒有影響。壓敏電阻會在電路出現(xiàn)過電壓時內(nèi)阻急劇下降并迅速導通，它的流通電流可增加幾個數(shù)量級，同時將過電壓箝位在一定數(shù)值，有效地保護電路中的其他設備不致因過電壓而損壞。

如圖1所示，分壓器由壓敏電阻的阻抗Zv與電路總阻抗Zs（包括浪涌源阻抗）構成，當電路出現(xiàn)過電壓Vs時，壓敏電阻的限制電壓為V=VsZv/（Zs+Zv），Zv的阻值可以從正常時的兆歐級急劇下降到幾歐姆，甚至毫歐級。Zv在瞬間流過很大的電流，過電壓大部分降落在Zs上，用電器兩端的電壓V則被限制在較低水平，從而保護用電器免受過電壓的危害。過電壓結束后，壓敏電阻又迅速、自動恢復到高阻抗狀態(tài)。

2 壓敏電阻的失效

壓敏電阻經(jīng)過長期運行和多次電涌作用后，會出現(xiàn)性能下降，甚至失效的情況，它的失效模式主要有兩種：開路模式和短路模式。

2.1 開路模式

當壓敏電阻中流過遠超過其承受范圍的浪涌電流時，壓敏電阻會發(fā)生炸裂，呈現(xiàn)開路狀態(tài)。這種模式不會引起燃燒現(xiàn)象，影響相對較小。

2.2 短路模式

短路模式比較常見，影響較大，甚至會引發(fā)火災，主要包括兩種類型，即老化失效和暫態(tài)過電壓破壞。

2.2.1 老化失效

在帶電情況下，經(jīng)過多次反復的浪涌電壓沖擊，壓敏電阻會出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，其閥值電壓會降低，低阻性則逐步加劇，進而導致持續(xù)漏電流的產(chǎn)生。隨著漏電流的惡性增加，并且集中注入壓敏電阻內(nèi)部的薄弱部位，該部位的材料就會逐漸融化，最終形成1000歐左右的短路孔，一旦有較大的電流灌入短路點，就會導致壓敏電阻的熱崩潰擊穿，壓敏電阻劣化失效后變成永久導通狀態(tài)，無法切斷回路電流，此時壓敏電阻本體溫度將持續(xù)升高，甚至產(chǎn)生火災危險。研究表明，若壓敏電阻在制造時就存在缺陷的話，就很可能出現(xiàn)早期失效的情況，此時，即便電沖擊強度不大，但用不了多次也會很快老化，使老化失效提早出現(xiàn)。

2.2.2 暫態(tài)過電壓破壞

電路中有時會出現(xiàn)高于壓敏電阻最大連續(xù)運行電壓的暫態(tài)過電壓，這類過電壓雖然幅值不高，但持續(xù)時間較電涌（瞬態(tài)過電壓）長得多，可達幾秒甚至更長，而目前的MOV制造水平，是不能承受的。較強的暫態(tài)過電壓能夠加快壓敏電阻的劣化速度，一旦電阻體穿孔，就會導致更大電流的產(chǎn)生，最終引發(fā)高熱起火。該過程可以在較短時間內(nèi)發(fā)生，出現(xiàn)此情況時，電阻體上設置的熱熔接點往往來不及熔斷。在三相電源保護中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火通常都屬于這種情況，且出現(xiàn)事故的概率是比較高的。

總的來說，短路失效模式造成的損失比較大。瞬間的高熱會將壓敏電阻的包封材料炭化，迅速的膨脹將炭化料噴濺至周邊器件與電路板上，造成拉弧現(xiàn)象。高熱引起的持續(xù)自燃，也將對整個應用系統(tǒng)造成不可恢復的破壞。

3 失效保護方法

為提高壓敏電阻在浪涌保護器中使用的安全性，在壓敏電阻的設計和使用過程中，需要采取一定的保護措施，確保失效的壓敏電阻及時脫離被保護電路，盡可能避免火災等事故的發(fā)生。目前比較成熟的保護方法有以下幾種。

3.1 壓敏電阻串聯(lián)溫度保險管

可以緊密連接的方式在壓敏電阻上串聯(lián)一個溫度保險管，但需要保證兩者兩者有良好的熱耦合。當壓敏電阻失效（短路）時，它所產(chǎn)生的熱量會傳遞給溫度保險管，溫度保險管隨之熔斷，從而使失效的壓敏電阻與電路分離，這樣就確保了設備的安全，如圖2（a）所示?，F(xiàn)在已有壓敏電阻生產(chǎn)廠商制造出溫度保險管內(nèi)置的壓敏電阻器件，如圖2（b）所示，這種器件由于熱熔保險與壓敏電阻封裝在一起，溫度感應更快，保護效果更好。

3.2 電源中串聯(lián)感抗元件

要想避免大電流對壓敏電阻的沖擊，可以將大的感抗元件串聯(lián)在電源回路中，這樣一來，電流突變的現(xiàn)象就不會發(fā)生了，可有效避免暫態(tài)過電流對壓敏電阻的沖擊，從而防止壓敏電阻的失效。

3.3 壓敏電阻串聯(lián)使用

在持續(xù)工作電壓較高的情況下，可將多個壓敏電阻串聯(lián)使用。比如將兩只直徑相同，且通流量相同的壓敏電阻串聯(lián)后，兩者的壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓會疊加在一起，但通流量是不變的。高壓電力避雷器往往要求持續(xù)工作電壓高達千伏，甚至數(shù)萬伏，這種情況，就是將多個壓敏電阻閥串聯(lián)使用以保證期安全使用。

3.4 壓敏電阻并聯(lián)使用

遇到一個壓敏電阻滿足不了標稱放電要求的情況，要想獲得更大的通流量，可將多個壓敏電阻并聯(lián)使用。如果為了降低限制電壓，減小電阻的電流密度，在標稱放電電流滿足要求的情況下，也采用多個壓敏電阻并聯(lián)。該方法可以較為有效地解決暫態(tài)過電壓破壞問題。

要特別注意的是，壓敏電阻并聯(lián)使用時，必須挑選參數(shù)一致的（例如：ΔU1mA≤3V，Δα≤3）電阻片進行配對，以保證電流在各電阻片之間均勻分配。

3.5 壓敏電阻與氣體放電器件串聯(lián)使用

壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯(lián)，要保證串聯(lián)組合的正常工作，需滿足兩個基本條件。

（1）系統(tǒng)電壓上限值應低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓；（2）G點火后在系統(tǒng)電壓上限值下，壓敏電阻MY中的電流應小于G的電弧維持電流，以保證G的熄弧。

在電路正常工作時，這種組合方式下，氣體放電管不導通，壓敏電阻沒有漏電流，其使用壽命會得到大大延長。當受浪涌沖擊時，氣體放電管首先擊穿，然后壓敏電阻會對浪涌電壓加以限制，總的殘壓為兩者之和；沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管會因而不能維持導通而熄弧，此時恢復為正常工作狀態(tài)；當壓敏電阻短路失效后，雖氣體放電管因流過很大的工頻電流也會很快失效，但它的失效模式絕大多數(shù)是開路，不易引起火災。因此，這種串聯(lián)組合方式安全性好，具有漏電流小等特點。

3.6 壓敏電阻失效報警

壓敏電阻失效后，浪涌保護器就失去了保護功能。如果不能及時更換新的壓敏電阻，電子設備就處于保護缺失狀態(tài)，還有可能造成系統(tǒng)損壞。高端的浪涌保護器配有壓敏電阻保護裝置，失效時進行失效保護和報警，使用戶及時知道并更換損壞的壓敏電阻模塊。

壓敏電阻的失效報警的實現(xiàn)，通常是在浪涌保護器上增設一個報警指示窗口，當壓敏電阻的漏電增大到預定值時，報警指示燈亮起，提醒值班人員壓敏電阻失效并及時更換。有些浪涌保護器還有專門的報警信號輸出端口，以便連接外部報警裝置。

4 結語

鑒于壓敏電阻使用壽命較短、容易失效的特點，在設計和使用過程中，需要盡可能地采取一定的失效保護措施，防止火災等意外的發(fā)生，以便更好地發(fā)揮浪涌保護器的各項保護功能。

參考文獻

[1] 孫丹峰，季幼章.氧化鋅壓敏電阻的老化機理[C]//中國電子學會敏感技術分會第十五屆電壓敏學術年會論文專刊.2008.

[2] 葉蜚譽.電涌保護技術講座[J].低壓電器，2004（2）：54-57.