張 敬 王橋智 孫曉波 馬明葉

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠）

0 引言

避雷廣泛使用的高場強的氧化鋅非線性電阻，只需承受短時（8～20μs）過電壓及大電流（5kA），只進行2ms方波能量測試，不能接受持續(xù)時間的能量沖擊，也就不適合發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的滅磁及過電壓保護。上世紀70年代，中科院等離子所開始研發(fā)低場強的高能氧化鋅電阻用于船舶等軍工行業(yè)。當時受碳化硅滅磁電阻國產(chǎn)化的技術限制，利用高能氧化鋅電阻具有能容大、殘壓比小、滅磁快等優(yōu)點，遂將其應用于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的滅磁和過電壓保護，開始大范圍應用于中小型水輪發(fā)電機組。

氧化鋅滅磁電阻并聯(lián)于發(fā)電機轉子繞組兩端，勵磁系統(tǒng)正常運行時，轉子繞組兩端電壓較低，通過氧化鋅非線性電阻的漏電流小于100A，這樣小的電流不會導致氧化鋅非線性電阻損壞。當事故滅磁時，滅磁開關拉弧建壓，達到氧化鋅非線性電阻動作閾值后，電壓基本維持不變，隨著電流增大電阻值逐漸減小，殘壓比U100A/U10mA小于1.4，轉子電流快速轉移到氧化鋅非線性電阻中消耗，達到快速滅磁的目的。

國內中、小型水電站大多使用氧化鋅非線性電阻作為發(fā)電機勵磁滅磁電阻。隨著使用時間的增加，氧化鋅非線性電阻性能會漸變老化，吸收能量的能力降低。極端情況下，有的支路形成了熱崩潰，甚至擊穿燒毀。目前常采用每個支路串聯(lián)快速熔斷器的措施來防止氧化鋅非線性電阻擊穿后造成回路短路，卻又造成組件體積較大，使氧化鋅的應用受到了限制。為何氧化鋅非線性電阻在使用過程中會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？本文從氧化鋅的機理來進行一些分析。

1 氧化鋅非線性電阻的機理特性

氧化鋅非線性電阻是基于氧化鋅材料為主，輔以氧化銅、氧化鉍、氧化鈷、氧化錳等少量其他金屬氧化物添加劑，通過研磨、噴霧造粒、成形、燒結等工藝制作而成。內部結構基本由高電導的氧化鋅結晶體組成，電阻率約為1Ω.cm。通過在邊緣覆蓋陶瓷釉層，增強了電阻片抗潮能力和側面絕緣強度，使其沿徑向的電位提督分布均勻，從而提高電阻片的大電流沖擊能力。在高電壓形成的高電場強度下，一方面金屬氧化物的粒界層中的價電子在強磁場的作用下溢出，另一方面由于碰撞電離產(chǎn)生電子崩而使載流子大量增加。當電場強度達到104～105v/cm時，電阻率降至約1Ω.cm；當降低電壓使內場強變小時，載流子隨之復合而變少，阻值又隨著變大，電流隨電壓呈指數(shù)倍關系減小，因此具有良好的非線性伏安特性，且正、反極性對稱。［1］。

當氧化鋅非線性電阻的工作電壓在閾值以下時，通過的阻性電流很小僅微安級，約為10～15μA，趨近絕緣。當作用于非線性電阻上端電壓升高開始達到閾值時，阻性電流開始陡升至1mA，此時的作用電壓叫做起始動作電壓，也叫閾值電壓。由于氧化鋅非線性電阻具有很好的非線性，其在沖擊電流100A時的殘壓與U10mA的比值一般小于1.4。殘壓比越小，說明其非線性越好。氧化鋅非線性電阻多組并聯(lián)滅磁時，如果均流不好，極易形成雪崩擊穿短路。造成均流不好的原因，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)與氧化鋅非線性電阻不均衡老化有著必然的聯(lián)系。

2 氧化鋅非線性電阻老化原因分析

氧化鋅非線性電阻的老化形成原因分為直流老化和交流老化。

在作氧化鋅非線性電阻老化原因分析之前，首先必須要了解肖特基勢壘。所謂肖特基勢壘，就是當金屬與半導體或兩種不同半導體接觸時，接觸面上的同種電荷相互排斥形成勢壘，使得電子原本自由流動的空間被壓縮，從而限制了電子所能到達的最大范圍，只有當施加的能量高于勢壘時電子才能夠通過，實現(xiàn)電流的傳導。

直流老化的主因是由氧化鋅非線性電阻肖特基勢壘畸變而形成。肖特基勢壘之所以畸變，是因為晶界區(qū)域的填隙鋅離子遷移造成的。

由于氧化鋅非線性電阻表面在直流電壓的長期作用下，伏安特性曲線發(fā)生了不對稱的改變，即反向肖特基勢壘高度比正向肖特基勢壘高度低，也就是說肖特基勢壘出現(xiàn)了不對稱的畸變。比如在正向直流電壓的作用下，離子一直在晶界勢壘中作單向遷移，致使反向側肖特基勢壘不斷漸變降低。

從圖1可以看出，氧化鋅晶粒邊界區(qū)域能帶在直流電壓作用前與作用后發(fā)生了明顯的變化。隨著正偏壓側的反向肖特基勢壘漸變下降，泄露電流密度也隨之增加，也就形成了直流老化。

圖1 直流電壓作用前（a）、后（b）晶粒邊界區(qū)域能帶圖

交流老化和直流老化相似，交流電壓作用下阻性電流的增加也是由于勢壘高度的降低引起的。

當交流電處于正半波電壓時，晶界層及反向肖特基勢壘側的耗盡層發(fā)生離子遷移。反向偏壓側肖特基勢壘耗盡層中的填隙鋅離子向晶界層遷移，即離子往左側遷移，使右側界面上的負電荷鋅空位，生成了中性離子，導致右側反向肖特基勢壘高度降低。

同理，當交流電處于負半波電壓時，左側正偏壓下為反向肖特基勢壘，右側為正向肖特基勢壘。左側耗盡層中的填隙鋅離子向晶界層遷移，使左側界面上的負電荷鋅空位，生成了中性離子，導致左側反向肖特基勢壘高度降低。

正、負極性的循環(huán)交替，使得晶界層的離子忽左忽右。因左右運動的距離相等，晶界層離子遷移對勢壘尚不會形成漸變。然而在耗盡層中的離子遷移則不同，交替變化會使氧化鋅晶粒與晶界層之間、晶界層與氧化鋅晶粒之間的界面，所形成的兩個肖特基勢壘發(fā)生對稱畸變，兩側勢壘高度均會發(fā)生漸變而降低，也就形成了交流老化［2］。

在能量沖擊時，氧化鋅非線性電阻局部的溫升比較高。反復沖擊使得肖特基勢壘的晶界不斷遷移，會引起肖特基勢壘的更大畸變，最終產(chǎn)生較嚴重的單極性老化。實踐證明，氧化鋅非線性電阻在承受沖擊電流的作用時，會發(fā)生沖擊老化。沖擊老化相對復雜，究其根本也就是交流老化和直流老化共同作用而成。

除材料內部機理外，一些外部因素也會造成氧化鋅非線性電阻的性能老化。

（1）密封問題。氧化鋅非線性電阻在生產(chǎn)過程中采用的密封技術有欠缺，或采用的密封材料抗老化性能不夠好，埋藏了隱患。在溫度變化較大時，由于密封材料退化造成密封不嚴，使潮氣浸入，內部絕緣水平下降，加速了氧化鋅非線性電阻性能老化。

（2）粉塵污染。粉塵中金屬的比例較大，氧化鋅非線性電阻沾上金屬粉塵后，會引起污閃。由于氧化鋅非線性電阻表面受到污染程度不一，使分布在表面的電流也不均勻，導致電阻片中電流1MOA的不均勻分布，致使流過電阻片的電流較正常時大1～2個數(shù)量級，產(chǎn)生附加升溫，加速了電阻片老化。

（3）工藝控制問題。氧化鋅非線性電阻多在連續(xù)能量沖擊下發(fā)生擊穿，原因無外乎兩種：一種是生產(chǎn)廠在制造過程中，某些工藝環(huán)節(jié)控制不嚴，造成產(chǎn)品有瑕疵帶病出廠；另一種是廠家在配片的過程中只是單純按U10mA或某個電壓配片，而不是通過每片進行能量沖擊試驗后，按采集的伏安曲線多點配片，使得并聯(lián)支路在大電流下的均流不好，各支路溫升不一致，在頻繁吸收滅磁能量過程中加速了非線性電阻不均衡老化［3］。

氧化鋅非線性電阻性能老化最突出的表現(xiàn)就是泄漏電流上升，U10mA不同程度下降。在多組并聯(lián)滅磁時，氧化鋅非線性電阻性能老化直接導致均流不好，形成安全隱患。

3 氧化鋅滅磁電阻特征及雪崩擊穿形成機理

造成氧化鋅非線性電阻雪崩擊穿的原因不但與其不均衡老化相關，而且還與其固有特性有著必然的聯(lián)系。

（1）氧化鋅非線性電阻伏安硬特性。從圖2氧化鋅非線性電阻伏安特性可知，當電壓上升到拐點U10mA后，雖然電流有較大增長，但電壓基本保持不變。俗稱氧化鋅非線性電阻伏安硬特性。

圖2 氧化鋅非線性電阻伏安特性

（2）氧化鋅非線性電阻負阻特性。眾所周知，氧化鋅非線性電阻阻值具有隨溫度上升而下降的特性，叫做負阻特性。

（3）氧化鋅滅磁電阻雪崩擊穿形成機理。由于氧化鋅非線性電阻老化過程有較大的不確定性，在多支路并聯(lián)滅磁時，會使均流變差。假設某支路老化突出使其閾值或者說Rt偏??；在氧化鋅非線性電阻伏安硬特性下，該支路電流It相比其它較大，所吸收的能量也較大，Rt處局部溫度T相比其它點更高；在負阻特性的作用下，Rt變得更小；此時將以電的傳播速度循環(huán)往復形成了正反饋雪崩，最終導致氧化鋅非線性電阻擊穿短路。如圖3所示。

圖3 單片氧化鋅閥片或并聯(lián)氧化鋅閥片雪崩擊穿電氣原理圖

4 氧化鋅非線性電阻老化檢測

由于氧化鋅非線性電阻老化可能造成雪崩擊穿短路，構成安全隱患，將直接影響到發(fā)電機的安全運行，氧化鋅非線性電阻的定期老化檢測變得至關重要。

根據(jù)國家相關標準規(guī)定，使用氧化鋅非線性電阻的滅磁裝置，每年必須進行檢驗。檢測一般在機組的大、小修期間進行，檢驗的周期每年不少于一次［4］。

一般采用小電流法對氧化鋅閥片的電氣性能作檢定，由此而判定氧化鋅閥片性能優(yōu)劣程度。小電流伏安特性目前均采用智能儀器檢驗。

智能儀器法采用了高電壓升壓技術，與微機技術相結合，對單片、多片（串）或成組（多串）進行高電壓、小電流的伏安特性作多方面檢測，通過檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)了對氧化鋅閥片電氣性能的智能綜合判定。檢測項目包括：①壓敏電壓U、0.75U、0.5U；②泄漏電流Ⅰ 0.5U、Ⅰ 0.75U數(shù)值；③繪制V—A特性曲線圖。

具體檢測方法是將儀器的直流輸出正、負極兩根線連接在待檢的氧化鋅閥片組上。啟動儀器就可以全自動的對氧化鋅閥片進行高電壓、小電流V-A特性的數(shù)據(jù)提取。通過將氧化鋅閥片的電流自動瑣定在1mA和10mA，不會因為長時間、大電流對氧化鋅閥片造成損傷。智能儀器最高輸出電壓可達直流5KV，輸出電流限定在1mA或10mA，電流分辨率可達0.5uA。

氧化鋅非線性電阻雖不可避免的會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，但只要注重老化檢測，就可以把氧化鋅非線性電阻應用的風險降到最低。

5 結束語

由于氧化鋅非線性電阻具有很好的非線性伏安特性，為實現(xiàn)快速滅磁創(chuàng)造了條件，但其老化擊穿的問題一直困擾著廣大勵磁工作者。本文通過深入剖析氧化鋅非線性電阻老化形成機理，詳細論述老化可能造成的安全隱患，推薦老化檢測方法，力求讓大家深入了解氧化鋅非線性電阻性能，做到用而無憂。