盧慧慧 ，楊仲江 ，周中山 ，陳則煌 ，任 婧

（1.南京信息工程大學(xué)，中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044；3.中國(guó)民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波315154）

多脈沖裝置設(shè)計(jì)及其沖擊特性研究

盧慧慧1，2，楊仲江1，2，周中山1，2，陳則煌1，2，任 婧3

（1.南京信息工程大學(xué)，中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044；3.中國(guó)民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波315154）

為研究多脈沖電流沖擊特性，設(shè)計(jì)一臺(tái)十脈沖電流沖擊設(shè)備，其主要由8/20 μs波形發(fā)生器，高壓開(kāi)關(guān)以及由D觸發(fā)器組成延時(shí)電路等組成，利用其對(duì)壓敏電阻進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)表明十脈沖沖擊下，ZnO壓敏電阻U1mA變化呈現(xiàn)初期快速減小，中期平緩，后期快速減小趨勢(shì)。泄漏電流變化呈初期緩慢上升，中期進(jìn)入平緩區(qū)，后期快速增大直至損壞。與單脈沖沖擊下，泄漏電流變化規(guī)律相同，但泄漏電流變化的平緩區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單脈沖沖擊下的平緩區(qū)域。通過(guò)對(duì)壓敏電阻熱行為分析發(fā)現(xiàn)，在十脈沖沖擊下，ZnO壓敏電阻內(nèi)部晶粒熱導(dǎo)率開(kāi)始下降，部分熱導(dǎo)性能較差的晶界首先由熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入熱不平衡狀態(tài)，晶界區(qū)電荷量發(fā)生變化，最終伏安特性發(fā)生蛻變。

多脈沖；肖特基勢(shì)壘畸變；自然閃電；熱應(yīng)力；沖擊老化

0 引言

自然界中一次閃擊過(guò)程中存在著多個(gè)回?fù)暨^(guò)程，即雷電的多脈沖現(xiàn)象。雷電多脈沖具有三個(gè)顯著的物理特征，一是脈沖的個(gè)數(shù)較多，其波形的包絡(luò)線呈現(xiàn)駝峰形，二是多脈沖之間的時(shí)間間隔一般為50 ms和400 ms。三是沖擊的時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)到1 s[1-5]。同樣，在IEC62305-1雷電防護(hù)中認(rèn)為，無(wú)論上行雷或下行雷、正極性雷電或負(fù)極性雷電都有可能出現(xiàn)多脈沖，尤其負(fù)極性下行雷電，因此，IEC中對(duì)多脈沖給出了專(zhuān)門(mén)定義，定義平均含有3～4個(gè)雷擊的雷電，雷擊間隔時(shí)間約為50 ms的雷電為多脈沖雷電[6-10]。

目前試驗(yàn)室中模擬的雷電單脈沖沖擊波形有8/20 μs，10/350 μs和 1.2/50 μs，其波形的包絡(luò)線為指數(shù)波，沒(méi)有時(shí)間間隔。顯然與自然閃電規(guī)律不符。在實(shí)驗(yàn)室雷電沖擊試驗(yàn)中，對(duì)ZnO壓敏電阻危害最大的是沖擊能量產(chǎn)生的熱效應(yīng)。由于多脈沖沖擊間隔時(shí)間較短，ZnO壓敏電阻呈絕熱現(xiàn)象，這要求ZnO壓敏電阻能夠在短時(shí)間內(nèi)承受較大的熱量。但目前為止，全球各國(guó)生產(chǎn)的ZnO壓敏電阻都是按照IEC/TC61643的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)并經(jīng)雷電高電壓實(shí)驗(yàn)室采用10/350 μs或8/20 μs的單脈沖進(jìn)行沖擊檢驗(yàn)，不具有或不完全具有耐受雷電多脈沖沖擊的能力。在頻繁無(wú)間歇的多脈沖沖擊下，按照目前檢驗(yàn)程序檢驗(yàn)合格的ZnO壓敏電阻產(chǎn)品[11-12]，由于承受不了多脈沖所產(chǎn)生的能量而發(fā)生損壞甚至起火燃燒，造成火災(zāi)。因此，根據(jù)自然閃電中多個(gè)閃電脈沖的特性，研制多脈沖試驗(yàn)裝置，對(duì)于今后ZnO壓敏電阻的研發(fā)和生產(chǎn)工作顯得尤其重要。

筆者擬使用已有的波形發(fā)生器和延時(shí)電路進(jìn)行多脈沖設(shè)備研制，并利用ZnO壓敏電阻在多脈沖和單脈沖情況下不同的老化情況進(jìn)行特性分析。

1 十脈沖裝置

1.1 十脈沖裝置設(shè)計(jì)

目前8/20 μs已經(jīng)成為雷電流沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)波形[11-15]，如圖1為多脈沖試驗(yàn)裝置中單個(gè)8/20 μs沖擊發(fā)生器示意圖，其為電容C、電感L和回路總電流R組成，其中R＝Rt+Rz，Rt為調(diào)波電阻，Rz為ZnO壓敏電阻的等效電阻。十脈沖發(fā)生裝置即為通過(guò)產(chǎn)生間歇可調(diào)的脈沖信號(hào)，分別對(duì)10個(gè)8/20 μs波形發(fā)生器觸發(fā)放電。

圖1 8/20 μs波形發(fā)生器Fig.1 8/20 μs waveform generator

圖2 十脈沖延時(shí)電路圖Fig.2 The ten pulse delay circuit figure

十脈沖波形發(fā)生器間歇可調(diào)的脈沖信號(hào)，其觸發(fā)電流框圖如圖2所示，其中延時(shí)電路使用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S合并后，1CP具有上升沿信號(hào)，1D和Vcc相連為高電平，1S和Vss相連為低電平，此時(shí)1R為低電平，根據(jù)表1中D觸發(fā)器輸出特性，1Q輸出為高電平。從1Q中輸出的高電平經(jīng)過(guò)放大電路放大后作為第一個(gè)脈沖的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)1Q輸出的高電平信號(hào)進(jìn)過(guò)可變電阻R1對(duì)電容C1充電，當(dāng)C1兩端的電壓達(dá)到復(fù)位電壓時(shí)，即1R為高電平，電路復(fù)位，1Q端變?yōu)榈碗娖?，暫態(tài)結(jié)束，電路回復(fù)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)第一個(gè)脈沖結(jié)束。在1Q輸出高電平時(shí)，不僅通過(guò)可變電阻R1對(duì)電容C1進(jìn)行充電，同樣通過(guò)可變電阻R2對(duì)電容C2充電，C2兩端電壓達(dá)到復(fù)位電壓時(shí)，即2R為高電平，由于2S為高電平，根據(jù)表1可知，2輸出高電平信號(hào)，通過(guò)功率放大器進(jìn)行放大，產(chǎn)生第二個(gè)脈沖信號(hào)。同理，2輸出高電平時(shí)，通過(guò)可變電阻R3對(duì)電容C3進(jìn)行充電，當(dāng)C3兩端電壓達(dá)到復(fù)位電壓時(shí)，3輸出高電平，產(chǎn)生第三個(gè)脈沖信號(hào)。以此類(lèi)推，產(chǎn)生10個(gè)脈沖信號(hào)。脈沖間的間隔時(shí)間可以通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻RX改變CX充電時(shí)間進(jìn)行控制。

1.2 十脈沖裝置波形

考慮實(shí)際多次閃電回?fù)糁?，首末脈沖幅值相對(duì)于中間脈沖幅值較大，將首末脈沖幅值設(shè)定為20 kA，中間幅值設(shè)定為10 kA。參照IEC62305-1中對(duì)多脈沖時(shí)間間隔的定義，將前9個(gè)脈沖間隔時(shí)間設(shè)定為60 ms。第9脈沖和第10脈沖的時(shí)間間隔設(shè)定為400 ms，因此，10個(gè)脈沖的沖擊時(shí)間長(zhǎng)度共880 ms。如圖3所示，為十脈裝置輸出的短路波形。注：首次和末次脈沖幅值相同，中間8次脈沖具有相同的幅值。鑒于文章篇幅，此處僅展示首次和第二次脈沖短路波形。

圖3 十脈沖短路波形Fig.3 Short-circuit waveform of ten pluses

2 十脈沖與單脈沖對(duì)比分析

多脈沖能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生多次回?fù)簦蛦蚊}沖具有不同的特性。為研究多脈沖沖擊特性，利用十脈沖和單脈沖分別沖擊靜態(tài)參數(shù)相近的ZnO壓敏電阻片，觀察壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)變化，從而對(duì)其沖擊特性進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)樣品選擇及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中選擇的ZnO壓敏電阻，其壓敏電壓U1mA＝820 V，標(biāo)稱(chēng)電流In＝40 kA，由于各個(gè)壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)不可能完全相同，因此，試驗(yàn)前首先選擇10片靜態(tài)參數(shù)相近的ZnO壓敏電阻，其中5片用于多脈沖試驗(yàn)，5片用于單脈沖試驗(yàn)，沖擊后，對(duì)兩組壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)中進(jìn)行求平均處理。靜態(tài)參數(shù)U1mA和IL（采用0.75U1mA電壓測(cè)試）使用CJ1001型壓敏電阻直流參數(shù)儀進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)中單脈沖沖擊試驗(yàn)使用沖擊設(shè)備為HAEFELY PSURGE 30.2沖擊模塊進(jìn)行沖擊。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

ZnO壓敏電阻在沖擊電流的沖擊作用下會(huì)發(fā)生老化，目前一般以壓敏電壓波動(dòng)（ΔU1mA/U1mA）不大于±10%或泄漏電流（IL）不大于 20 μA 作為衡量ZnO壓敏電阻可否繼續(xù)使用的標(biāo)準(zhǔn)[11]。

試驗(yàn)中對(duì)ZnO壓敏電阻進(jìn)行單脈沖沖擊，沖擊波形為8/20 μs，峰值電流為40 kA，即In標(biāo)稱(chēng)沖擊。多脈沖為10個(gè)8/20 μs波形，首末峰值電流為20 kA，中間8個(gè)波形峰值為10 kA。每次沖擊后將ZnO壓敏電阻片冷卻至室溫后再次進(jìn)行沖擊。測(cè)量每次沖擊后壓敏電壓和泄漏電流進(jìn)行繪圖，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 不同脈沖下泄漏電流變化Fig.4 Changes of leakage current under the different impulses

圖4 中小圖為使用多脈沖進(jìn)行沖擊和使用單脈沖沖擊情況下，ZnO壓敏電阻泄漏電流的對(duì)比。由于在第7次沖擊后，多脈沖沖擊下的ZnO壓敏電阻泄漏電流已經(jīng)超出20 μA，發(fā)生損壞。因此，為更加清楚對(duì)比兩者泄漏電流情況，單脈沖同樣繪制出前7次沖擊后泄漏電流情況。從圖4中小圖可以看出，在多脈沖沖擊下，ZnO壓敏電阻泄漏電流上升較快，在前3次沖擊下，泄漏電流比較穩(wěn)定，均集中在2～3 μA，上升較緩和。在第4次沖擊后，泄漏電流快速增長(zhǎng)，第6次沖擊后，測(cè)量ZnO壓敏電阻的泄漏電流達(dá)到34.4 μA，已經(jīng)不可以繼續(xù)使用。而在單脈沖沖擊下，ZnO壓敏電阻的泄漏電流增長(zhǎng)較小，均在2 μA以?xún)?nèi)。

圖5 不同脈沖下壓敏電壓變化Fig.5 Changes of U1mAunder the different impulses

圖4 中大圖為在單脈沖沖擊情況下，ZnO壓敏電阻使用In＝40 kA沖擊后的泄漏電流情況。ZnO壓敏電阻在沖擊65次后，泄漏電流超出20 μA，發(fā)生損壞。在單脈沖沖擊情況下，ZnO壓敏電阻前50次沖擊過(guò)程中，泄漏電流均變化不大，沒(méi)有明顯的增大。在沖擊50次后，泄漏電流出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)。

圖5為多脈沖沖擊情況下和單脈沖沖擊情況下，ZnO壓敏電阻的壓敏電壓變化情況。從圖5中可以看出，在單脈沖下，壓敏電阻不具有明顯的趨勢(shì)。而在多脈沖沖擊情況下，壓敏電阻下降較明顯。

綜合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在多脈沖沖擊情況下，ZnO壓敏電阻的老化速度明顯加快。在沖擊4～5次后，基本喪失保護(hù)作用。這是由于連續(xù)沖擊過(guò)程中，ZnO壓敏電阻處于近似絕熱狀態(tài)，壓敏電阻散失的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸收的熱量，因此，對(duì)于ZnO壓敏電阻本身，熱破壞已經(jīng)取代了肖特基勢(shì)壘畸變，成為沖擊老化的主要原因。在多脈沖沖擊時(shí)，ZnO壓敏電阻內(nèi)部晶粒熱導(dǎo)率的下降，部分熱導(dǎo)性能較差的晶界首先由熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入熱不平衡狀態(tài)，使其在沖擊作用下，壓敏電阻產(chǎn)生巨大的溫升，晶界區(qū)電荷量產(chǎn)生變化，使ZnO壓敏電阻的伏安特性發(fā)生蛻變，此外，壓敏電阻的內(nèi)部的晶界勢(shì)壘高度也充分降低，勢(shì)壘寬度變窄。宏觀上表現(xiàn)為壓敏電壓的快速變化以及泄漏電流迅速增大。

ZnO壓敏電阻在多脈沖的第8次沖擊后發(fā)生了炸裂。從對(duì)熱過(guò)程的分析結(jié)果可知：連續(xù)的沖擊電流，在晶界引起的巨大的溫升，形成的很高的溫度梯度，使晶粒熱導(dǎo)率降低，晶界附近的熱膨脹系數(shù)增大，因極大的溫度梯度引起的熱應(yīng)力使材料從某些晶界出裂開(kāi)，形成微裂紋，使電流通道面積減小，局部電流密度突然增大，最后ZnO壓敏電阻因熱應(yīng)力而炸裂。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)自然界中出現(xiàn)的多次閃擊現(xiàn)象，筆者提出使用8/20 μs波形發(fā)生器和延時(shí)電路研制多脈沖發(fā)生裝置。通過(guò)多脈沖波形輸出驗(yàn)證多脈沖裝置具有較好的穩(wěn)定性。將ZnO壓敏電阻在多脈沖沖擊下的老化情況與單脈沖情況下進(jìn)行對(duì)比分析。分析表明：多脈沖沖擊電流作用下，較單脈沖電流沖擊更加容易使ZnO壓敏電阻發(fā)生老化現(xiàn)象。此外，ZnO壓敏電阻泄漏電流，在多脈沖沖擊和單脈沖沖擊下泄漏電流情況類(lèi)似，呈現(xiàn)先平穩(wěn)后快速上升趨勢(shì)。但在多脈沖情況下，平穩(wěn)時(shí)間較短，平穩(wěn)過(guò)后泄漏電流快速上升。壓敏電壓同樣呈現(xiàn)先平穩(wěn)后快速下降趨勢(shì)。

主要由于多脈沖間隔時(shí)間較短，ZnO壓敏電阻散熱不急時(shí)，造成晶界溫度急劇升高而產(chǎn)生熱破壞，內(nèi)部晶粒熱導(dǎo)率的下降，部分熱導(dǎo)性能較差的晶界首先由熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入熱不平衡狀態(tài)，使其在沖擊作用下，晶界區(qū)電荷量產(chǎn)生變化，最終伏安特性發(fā)生蛻變。

[1]文武.感應(yīng)雷電磁干擾及其防護(hù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[2]楊靜，郄秀書(shū)，王建國(guó)，等.雷電在水平導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓的觀測(cè)及數(shù)值模擬研究[J].物理學(xué)報(bào)，2008，57（3）:1968-1975.YANG jing，QIE Xiushu，WANG Jianguo，et al.Observation of the lightning-induced voltage in the horizontal conductor and its simulation[J].Acta Physica Sinica，2008，57（3）:1968-1975.

[3]王冰，陳堅(jiān)，孫偉，等.用于飛機(jī)閃電環(huán)境測(cè)試的連續(xù)多脈沖沖擊電流發(fā)生器設(shè)計(jì)[C].電工測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，2012.

[4]楊仲江，曹洪亮，李鵬飛，等.基于遺傳算法的金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)[J].高電壓技術(shù)，2015，41（9）:3104-3109.YANG Zhongjiang，CAO Hongliang，LI Pengfei，et al.Online monitoring of metal oxide arrester using genetic algorithm[J].High Voltage Engineering，2015，41（9）:3104-3109.

[5]曹洪亮，譚涌波，李鵬飛，等.一種簡(jiǎn)便的阻性電流提取算法[J].電瓷避雷器，2015（5）:115-118.CAO Hongliang，TAN Yongbo，LI Pengfei，et al.A simple algorithm to extract the resistive current[J].Insulatons and Surge Arresters，2015（5）：115-118.

[6]Z Wei，Z Yang，Z Yijun，et al.Occurrence regularity of CPT discharge event in negative cloud-to-ground lightning[J].2014（63）:1-10.

[7]趙洋，行鴻彥，劉非凡，等.多級(jí)SPD之間以及SPD與設(shè)備之間的配合實(shí)驗(yàn)[J].電瓷避雷器，2014（5）:87-93.ZHAO Yang，XING Hongyan，LIU Feifan，et al.Coordination tests between SPDs and between SPD and equipment[J].Insulation and Surge Arresters，2014（5）:87-93.

[8]郄秀書(shū)，楊靜，蔣如斌，等.山東人工引發(fā)雷電綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)及回?fù)綦娏魈卣鱗J].大氣科學(xué)，2012，36（1）：77-88.QIE Xiushu，YANG Jing，JIANG Rubin，et al.Shandong artificially triggering lightning experiment and current characterization of return stroke[J].Chinese Journal of atmospheric Science，2012，36（1）:77-88.

[9]IEC62305-1：2006 GB/T.雷電防護(hù)[S].2008.

[10]曹洪亮，楊仲江，任婧，等.金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)研究[J].中國(guó)電力，2015，48（8）:80-85.CAO Hongliang，YANG Zhongjiang，REN Jing，et al.Study on on-line monitoring index of MOA[J].Electric Power，2015，48（8）:80-85.

[11]李祥超，趙學(xué)余，姜長(zhǎng)稷，等.電涌保護(hù)器原理及應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2010.

[12]楊仲江，姜蘇，李鵬飛，等.基于 ARM控制器的智能雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（8）：20-23.YANG Zhongjiang，JIANG Su，LI Pengfei，et al.Design of lightning detection system based on ARM[J].Application of Electronic Technique，2014，40（8）:20-23.

[13]張郴莉，張適昌.ZnO的雙脈沖電流沖擊老化破壞試驗(yàn)[J].2001，27（2）:71-73.ZHANG Lingli，ZHANG Shichang.Degradation and destruction test of ZnO varistors under double-pulse current[J].High Voltage Engineering，2001，17（2）:71-73.

[14]VLADIMIR A Ra kov，MAR tin A Uman，GLEN R Hlffman，et al.Bursts of pulses in lightning electromagnetic Radiation，observation and implications for lightning test standards.IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility，1996，38（2）:156-157.

[15]張郴莉.雙脈沖電流作用下氧化鋅電阻沖擊老化破壞機(jī)理[D].北京:中國(guó)科學(xué)院，2001.

Design of the Multi-Pulse Device and Research on Its Impact Characteristics

LU Huihui1，2，YANG Zhongjiang1，2，ZHOU Zhongshan1，2，CHEN Zehuang1，2，REN Jing3
（1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.School of Atmospheric Physics，NanjingUniversity of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.China Ningbo Air Traffic Manage Station of Civil Aviation，Ningbo 315154，China）

In order to research the impact performance of multiple pulses current，design an impact device of ten pulses，it consist of 8/20 μs waveform generator，high voltage switch and time delay circuit which consist of D flip-flop.The impact test show that the aging rate of ZnO varistors obviously speeds up under the impact of multiple pulses.The study shows that the U1mAof ZnO varistor is rapid decrease in the early times，the U1mAchanges gently at the medium，at the later the decrease of U1mAbecome faster.The leakage current is slowly rising at first，the leakage current rise slowly at the medium.At the later the leakage current rising quickly and until the ZnO varistor is failure.Compare with the result of ZnO under the one impulse，the changing of leakage current is the same，but the time of leakage current is larger at the medium.The heat conductivity of grains becomes to decrease and the part of grain boundary which has the bad performance from the thermal equilibrium state to thermal imbalance，the charge of the grain will be changed，eventually，the V-Icharacteristic will be transformed.

multiple pulse；Schottky barrier；natural lightning；thermal stress；impulse aging

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.003

2015-11-17

盧慧慧 （1992—），女，碩士，主要研究方向：電涌保護(hù)器研發(fā)與保護(hù)，電磁兼容。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 （973計(jì)劃）資助項(xiàng)目 （編號(hào)：2014CB441405）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （編號(hào)：41175003）以及江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目 （PAPD）資助。