郭方方，曾緒輝，吳 輝，王成勇，戴 程

（1．合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2．廣東明家科技股份有限公司，廣東 東莞523000）

基于多物理場(chǎng)耦合有限元法對(duì)SPD用閥片溫度場(chǎng)分布及熱損毀的研究

郭方方1，曾緒輝2，吳 輝2，王成勇1，戴 程1

（1．合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2．廣東明家科技股份有限公司，廣東 東莞523000）

基于傳熱學(xué)理論，運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合有限元分析方法研究了防雷浪涌保護(hù)器工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)。重點(diǎn)分析了防雷核心器件金屬氧化物壓敏電阻閥片正常工作時(shí)的溫升及與環(huán)境之間的熱平衡，探討了壓敏電阻在使用過(guò)程中劣化后的溫升和漏電流的變化，獲得了防雷浪涌保護(hù)器脫扣機(jī)構(gòu)未動(dòng)作時(shí)壓敏電阻閥片的溫升情況，并通過(guò)熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)對(duì)浪涌保護(hù)器的溫度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)防雷核心器件熱損毀進(jìn)行了觀察分析，研究結(jié)果對(duì)于壓敏電阻閥片溫升保護(hù)策略制定提供了參考。

金屬氧化物壓敏電阻；電流熱效應(yīng)；熱傳導(dǎo)；有限元法；溫度分布

0 引言

金屬氧化物壓敏電阻（metal oxide varistors，MOV）是浪涌保護(hù)器（surge protective device，SPD）的核心元件，在電路中與被保護(hù)電器設(shè)備或元器件并聯(lián)，將過(guò)電壓限制在較低的水平以達(dá)到保護(hù)目的[1]。由于在電路的過(guò)電壓防護(hù)中，MOV在穩(wěn)態(tài)工作電壓下，要長(zhǎng)期承受雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓等的不斷沖擊，會(huì)導(dǎo)致MOV性能隨時(shí)間劣化[2]。劣化后的MOV漏電流逐漸增大，產(chǎn)生的熱量逐漸累積，嚴(yán)重時(shí)引起SPD閃弧起火[3－4]，成為火災(zāi)的火源。因此，MOV的劣化問(wèn)題在SPD的應(yīng)用中需引起重視。目前，常采用電學(xué)靜態(tài)參數(shù)（壓敏電壓U1mA和漏電流IL）來(lái)判定MOV的劣化程度，但對(duì)MOV劣化過(guò)程中的熱特性，包括其溫度場(chǎng)分布和溫升情況關(guān)注不多[5]，研究不充分。

相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)MOV的熱特性研究大多是基于特定型號(hào)的單項(xiàng)性能檢測(cè)分析，利用多場(chǎng)耦合有限元法研究MOV相關(guān)性能的文獻(xiàn)并不常見。

荊久長(zhǎng)等人提出MOV閥片的漏電流與其化工材料的電導(dǎo)率大小有關(guān)，電導(dǎo)率高的閥片漏電流也相應(yīng)增加，但未涉及漏電流和溫度與電導(dǎo)率的變化關(guān)系[6]。吳維韓等人用傳熱學(xué)理論并采用有限元方法來(lái)求解氧化鋅限壓器的溫度場(chǎng)，分析其整體熱性能[7]，但是未涉及長(zhǎng)久服役MOV劣化問(wèn)題。唐宗華等人利用有限元方法對(duì)暫態(tài)過(guò)程中MOV的能量吸收能力和熱特性進(jìn)行研究，得出了MOV閥片的溫度分布特性，為MOV溫升保護(hù)策略提供了工程參考[8]，但是該研究未討論MOV熱損毀和熱失效問(wèn)題。Daniel Qi Tan等人開發(fā)出高擊穿電壓下具有低漏電流的氧化物壓敏電阻閥片的新配方和新工藝，為高電壓浪涌保護(hù)開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域[9]。C De Salles等人分析了長(zhǎng)期浪涌作用下MOV的老化問(wèn)題，研究不同壓敏電阻溫度時(shí)MOV的老化過(guò)程，獲得了溫度和電流幅值等與MOV老化過(guò)程的關(guān)系[10]。

筆者采用多物理場(chǎng)耦合有限元分析技術(shù)，基于傳熱學(xué)理論分析SPD服役過(guò)程中的溫度特性，重點(diǎn)關(guān)注MOV閥片的溫度分布，并獲得了MOV熱損毀時(shí)的溫升情況，且結(jié)合熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析的可靠性。

1 MOV閥片有限元模型分析

圖1所示為本研究設(shè)計(jì)的MOV閥片在SPD中的裝配示意圖，其中MOV單元閥片為方片形氧化鋅（ZnO）壓敏閥片，主體尺寸為 34 mm×34 mm×4 mm，銅導(dǎo)電環(huán)厚度為1 mm。

圖1 MOV閥片在SPD結(jié)構(gòu)中的裝配示意圖Fig.1 Assembly diagramof MOV valve in the structure of SPD

在MOV的熱特性研究中，溫升計(jì)算和溫度場(chǎng)分布特性涉及電與熱的耦合分析，筆者采用多物理場(chǎng)有限元系統(tǒng)中的電流模塊與傳熱模塊耦合分析MOV的溫度特性。為簡(jiǎn)化MOV溫度場(chǎng)的求解，本研究作如下基本假設(shè)[11]：

1）MOV氧化鋅閥片和金屬導(dǎo)電環(huán)的熱物性參數(shù)受溫度的影響很小，設(shè)為常數(shù)；

2）只考慮MOV與外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱，忽略輻射換熱過(guò)程，綜合考慮MOV工作時(shí)的換熱條件，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為 5W/（m2·K）；

3）MOV氧化鋅閥片和銅導(dǎo)電環(huán)之間接觸良好，接觸熱阻設(shè)為0；

4）正常服役過(guò)程中，MOV氧化鋅閥片的電導(dǎo)率很小，一般為 10－6～10－4S/m（20℃），其電阻損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬導(dǎo)電環(huán)的電阻損耗，因此，求解中僅將MOV閥片作為等效熱源處理。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，MOV閥片在三維直角坐標(biāo)系下瞬態(tài)溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)方程可表示為[6－7]

式中：λx、λy、λz為 x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T 為物體的瞬時(shí)溫度；qv為內(nèi)熱源密度，此處為MOV閥片電功率損耗密度；c為材料的定壓比熱；ρ為材料密度；t為熱傳導(dǎo)過(guò)程的時(shí)間；λw為物體表面導(dǎo)熱系數(shù)；n為邊界面法向量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；Tf為外界環(huán)境溫度。

MOV熱、電耦合模型基本參數(shù)見表1[12]。

表1 MOV模型相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 1 Correlational technology parameters of MOV model

研究設(shè)計(jì)的SPD用MOV閥片有限元模型建立過(guò)程如下：首先在有限元軟件中建立MOV在SPD中的裝配模型（圖1），然后按照表1中的數(shù)據(jù)為SPD各部分結(jié)構(gòu)定義材料參數(shù)，并將MOV的工作條件作為載荷輸入有限元模型中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后即可進(jìn)入模型的計(jì)算分析。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 MOV正常工作時(shí)的溫度場(chǎng)分析

該SPD的穩(wěn)態(tài)工作電壓為385V，MOV未劣化時(shí)，流經(jīng)MOV閥片的漏電流（包括容性電流和阻性電流）很小，因此由阻性電流產(chǎn)生的熱量也很小，正常情況下，MOV本身的生熱量和散熱量基本保持平衡，MOV本體相對(duì)于環(huán)境溫升不大。但由于其在SPD中的裝配并不完全對(duì)稱，MOV閥片本身具有一定的溫度差，正常工作時(shí)SPD整體溫度分布如圖2所示。

圖2 SPD正常工作時(shí)溫度場(chǎng)Fig.2 Temperature field when SPD works normally

由圖2可以看出，SPD正常工作時(shí)，其整體相對(duì)于環(huán)境溫度（293.15 K）僅升高了2 K，此時(shí)阻性漏電流約為30μA，SPD可持續(xù)穩(wěn)定工作，不會(huì)發(fā)生熱損壞。此外，MOV閥片中間部分的溫度稍高于側(cè)面溫度，這是由于側(cè)面的熱量較易散失到外界環(huán)境。在MOV引腳處，因MOV產(chǎn)生的熱量傳遞到銅引腳上，MOV引腳附近的溫度較其他區(qū)域溫度稍低，因此，在SPD設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合MOV閥片的溫度場(chǎng)分布情況合理設(shè)計(jì)MOV引腳位置。

2.2 MOV劣化時(shí)的溫度變化

MOV在雷電過(guò)電壓、暫態(tài)過(guò)電壓的不斷沖擊下會(huì)逐漸發(fā)生劣化，漏電流增大，MOV閥片溫升增大，且其本身溫度場(chǎng)均勻性降低。本節(jié)利用有限元方法，仿真在MOV老化過(guò)程中，最高溫度及漏電流與ZnO閥片電導(dǎo)率的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在 10－6～10－5S/m 的電導(dǎo)率范圍內(nèi)，MOV閥片的漏電流與最高溫度均隨電導(dǎo)率的增加近似呈線性增加趨勢(shì)。MOV在穩(wěn)態(tài)工作電壓下，長(zhǎng)期承受各種類型過(guò)電壓的不斷沖擊，MOV頻繁動(dòng)作以抑制過(guò)電壓幅值，泄放浪涌能量來(lái)保護(hù)電氣設(shè)備及元件，這勢(shì)必導(dǎo)致MOV性能的劣化，MOV功耗產(chǎn)熱增加，閥片的升溫發(fā)熱大于閥片對(duì)環(huán)境之間的散熱，使MOV閥片溫度逐漸升高。

圖3 漏電流及溫度與ZnO閥片電導(dǎo)率的變化曲線Fig.3 Curve ofleakage current and temperature withthe conductivity change of ZnO valve slice

陶瓷材料的電阻率隨溫度的升高而下降，即其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，這使得流經(jīng)MOV閥片的漏電流進(jìn)一步增大，MOV產(chǎn)熱增加，進(jìn)而加速M(fèi)OV閥片的劣化，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生MOV熱崩潰而永久破壞[13]。

由圖3可得，MOV的溫度相對(duì)于環(huán)境溫度升高10K時(shí)，漏電流超過(guò)100 μA，MOV發(fā)熱嚴(yán)重，這將使MOV劣化的速度加快。因此，MOV工作時(shí)，可通過(guò)測(cè)量MOV溫升來(lái)初步判斷MOV的劣化情況，并及時(shí)進(jìn)行維保更換，避免發(fā)生事故。

2.3 MOV熱損毀溫度分布

當(dāng)電路中出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，MOV瞬間吸收大量能量，自身溫度迅速升高，熱量通過(guò)MOV引腳傳遞到低溫焊錫上，使低溫焊錫軟化，在脫扣機(jī)構(gòu)的作用下彈片與MOV引腳脫離，從而使SPD在電路中斷開，以達(dá)到保護(hù)目的[14]。然而在SPD工作過(guò)程中，流過(guò)MOV的故障電流使其發(fā)熱，若熱量未能傳遞到低溫焊錫處，脫扣機(jī)構(gòu)則不能及時(shí)動(dòng)作將SPD從電路中斷開，MOV溫升達(dá)到一定程度后便會(huì)燃燒，造成MOV熱損毀。利用有限元軟件，模擬出氧化鋅閥片性能均勻的情況下，SPD在過(guò)電壓作用下脫扣機(jī)構(gòu)未動(dòng)作時(shí)MOV的溫度場(chǎng)，圖4為MOV熱損毀時(shí)閥片頂面的溫度分布。

圖4 熱損毀時(shí)MOV頂面溫度分布（單位：K）Fig.4 Temperature distribution at the top of MOV when occurs thermal damage(unit：K)

由圖4可以看出，閥片的溫度已超過(guò)1000 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MOV絕緣表層和SPD塑料外殼的熔點(diǎn)，造成其熔化（實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)爆燃明火），SPD整體結(jié)構(gòu)解體，成為火災(zāi)隱患。因此，設(shè)計(jì)合理可靠的脫扣機(jī)構(gòu)尤其重要，以保證在MOV劇烈溫升之前實(shí)現(xiàn)脫扣。

3 熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)

以10 mA電流為初始值，對(duì)SPD進(jìn)行熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，分別在MOV上下表面和銅彈片上粘貼熱電偶，以記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各部分的溫度[4]。圖5為熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖中數(shù)據(jù)可知，SPD在工作狀態(tài)下，MOV閥片本身溫度分布較均勻，且與銅彈片溫度差異不大，驗(yàn)證了上述有限元分析的準(zhǔn)確性。當(dāng)MOV過(guò)熱而脫扣機(jī)構(gòu)未動(dòng)作以致發(fā)生熱損毀時(shí)，MOV表面溫度瞬間升高到1 370℃，此時(shí)電路中的電流為4.5A，MOV絕緣表層和SPD外殼熔化，SPD被燒毀。圖6為SPD燒毀后的情況，從圖中可以看出，MOV整體已經(jīng)發(fā)黑，SPD塑料外殼部分熔化，低溫焊錫完全熔化，氧化鋅閥片與銅導(dǎo)電環(huán)分離，SPD完全損壞。

圖5 熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Thermal stability experimentdata

圖6 熱脫扣失效時(shí)SPD熱損毀Fig.6 Thermal damage of SPD when occursheat tripping failure

4 結(jié)論

1）SPD在正常穩(wěn)態(tài)工作電壓下工作時(shí)，溫度場(chǎng)分布均勻，各部分溫度差異不大，MOV引腳處的溫度稍低于其他區(qū)域溫度。

2）SPD在使用過(guò)程中不斷發(fā)生劣化，溫升和漏電流均逐漸增大，并隨電導(dǎo)率（一定范圍內(nèi)）的增加近似呈線性增加趨勢(shì)。

3）MOV吸收大量能量而SPD脫扣機(jī)構(gòu)未及時(shí)動(dòng)作時(shí)，MOV閥片溫度急劇升高，最高溫度超過(guò)1000 K，造成MOV絕緣表層和SPD塑料外殼熔化，嚴(yán)重時(shí)引起火災(zāi)。

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Research on Temperature Field Distribution and Thermal Failure of MOV Used in SPD Based on the Multi-Physics Coupling Finite Element Method

GUO Fangfang1，ZENG Xuhui2，WU Hui2，WANG Chengyong1，DAI Cheng1
（1.School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Guangdong MIG Technology Inc，Dongguan 523000，China）

The multi－physics coupling finite element analysis method was used for studying the operating temperature field distribution characteristics of surge protective device（SPD）based on the theory of heat conduction theory.The normal operating temperature rise and the thermal equilibrium with the environment of lightning protection core component metal oxide varistor（MOV）are selective analyzed.The changes of temperature rise and leakage current of MOV after degradation during operation are discussed.And temperature rise of MOV when tripping device is invalid is also obtained.In addition，the temperature of SPD is experimentally determined by thermal stability experiment，the thermal damage of the lightning protection core components are observed and analyzed.The research results provide the reference for designing the protection strategy of MOV temperature rise.

metal oxide varistor，heating effect of current，heat conduction；finite element method；temperature distribution

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.006

2016－03－01

郭方方（1991—），女，碩士，研究方向：材料加工工程專業(yè)。

東莞市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（編號(hào)：2014509133213）連續(xù)閃擊多脈沖防雷產(chǎn)品熱致?lián)p毀控制及性能優(yōu)化。