苑吉河，張 曦，黃雪昀，王遠(yuǎn)平，潘成剛

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司，重慶401336；2.重慶恩信科技有限公司，重慶401122）

0 引言

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)的重要命脈和發(fā)展動力。隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級逐漸提高，系統(tǒng)日趨復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性承受越來越大的挑戰(zhàn)。雷電對電力系統(tǒng)具有較大的破壞作用，其造成的破壞可以分為直擊雷破壞和雷電感應(yīng)過電壓破壞，其中直擊雷破壞即雷電直接擊中輸電線路或電力設(shè)施及其附近造成的電力系統(tǒng)損壞。目前，直擊雷對建筑物造成的損壞已經(jīng)有較好的防護(hù)手段，一般使用滾球法樹立避雷針進(jìn)行防護(hù)[1-2]。對于雷電感應(yīng)產(chǎn)生過電壓造成的損壞，目前人們普遍使用過電壓防護(hù)器件進(jìn)行防護(hù)。在低壓系統(tǒng)中，電涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）憑借著自身的優(yōu)良非線性伏安特性、較大的通流能力，成為重要的過電壓防護(hù)器件[3-6]。電涌保護(hù)器中核心元件是氧化鋅壓敏電阻片，其性能的優(yōu)劣直接影響SPD防過電壓效果。但SPD長期帶電運(yùn)行于線路中，內(nèi)部氧化鋅壓敏電阻片會出現(xiàn)老化劣化現(xiàn)象，從而抑制過電壓，泄放過電流的能力會減弱[7-8]。因此，對氧化鋅壓敏電阻的老化研究顯得非常重要。

目前，國內(nèi)外的學(xué)者們已經(jīng)對氧化鋅壓敏電阻老化進(jìn)行了大量工作。Eda等[9]人通過研究發(fā)現(xiàn)：在電流作用后氧化鋅壓敏電阻自身溫度對熱激電流影響較大，呈正比例關(guān)系。此外，壓敏電阻的電容值會跟隨介電常數(shù)的改變而改變。他們利用離子遷移理論對這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。張從春等[10]在對離子遷移理論進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出了線性鏈理論，系統(tǒng)的解釋了氧化鋅壓敏電阻非線性消失現(xiàn)象。

筆者通過肖特基勢壘理論對對直流電流作用下，氧化鋅壓敏電阻老化規(guī)律進(jìn)行分析研究，從而更好的了解安裝于直流線路中SPD老化情況。

1 氧化鋅壓敏電阻Schottky勢壘模型

氧化鋅壓敏電阻在使用過程中發(fā)生畸變可以用Schottky勢壘模型表示如下[10-11]。如圖1（a）所示，氧化鋅壓敏電阻勢壘平衡狀態(tài)。此時(shí)，氧化鋅壓敏電阻尚未老化，勢壘左右平衡。當(dāng)遭受大電流沖擊時(shí)，電子在界面積聚，形成電場，使得電子繼續(xù)向電場反方向運(yùn)動。在此過程中，不斷有電子被捕獲，晶界層為保持電中性而產(chǎn)生空穴，并使得晶界層內(nèi)部電場增強(qiáng)，這加快了電子運(yùn)動速度。在界面處，由于捕獲電子數(shù)目較多，使得陷阱濃度較大，電子在運(yùn)動一定距離后被全部捕獲；存在于價(jià)帶中的空穴同樣可以被陷阱捕獲，從而導(dǎo)致陷阱表面密度下降。在反偏勢壘中，由于陷阱的存在，對剛注入的電子有一定的阻礙作用，導(dǎo)致空穴耗盡層變薄，界面空穴濃度增加，如圖1（b）所示。

繼續(xù)作用時(shí)，正偏晶界層處的陷阱將會被填滿，由于電場作用繼續(xù)移動過來的電子將會向深入移動，從而使得陷阱趨于飽和。當(dāng)某次陷阱飽和后，零電場將向反偏晶界移動，這導(dǎo)致反方向形成的熱刺激電流增大，與此同時(shí)，同樣增大了反偏晶界的中性費(fèi)米能級。而向晶界層深處的遷移空穴將會被內(nèi)電場阻止，因此，Schottky勢壘高度明顯降低，如圖1（c）。

圖1 氧化鋅壓敏電阻Schottky勢壘畸變過程Fig.1 The Distortion process of ZnO Schottky barrier

2 試驗(yàn)和分析

2.1 試驗(yàn)樣品和測試儀器選擇

試驗(yàn)選擇同一廠家、同一批次相同型號的ZnO壓敏電阻32R621K A、B，使用的靜態(tài)參數(shù)測試儀為CJ1001測量壓敏電阻，挑選靜態(tài)參數(shù)相近的6片壓敏電阻進(jìn)行試驗(yàn)。32R621K A、B ZnO壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)如表1所示，其中靜態(tài)參數(shù)漏流IL為在0.75U1mA下通過壓敏電阻的電流。在對ZnO壓敏電阻進(jìn)行老化試驗(yàn)時(shí)，使用恒流熱穩(wěn)定儀進(jìn)行直流老化。

從表1中可以看出，氧化鋅壓敏電阻A1在未進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，正向壓敏電壓和反向壓敏電壓相差為2.1 V，壓敏電阻B1的U1mA相差僅1.2 V。這說明ZnO壓敏電阻未老化前，不具有極性效應(yīng)。正、負(fù)極性壓敏電阻相差不大，內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)分布均勻，肖特基勢壘左右兩邊高度對稱。

表1 ZnO壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)Table 1 The static parameters of ZnO varistors

2.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 直流老化試驗(yàn)過程

試驗(yàn)接線圖如圖2所示，其中T1為可調(diào)變壓器，T2為升壓變壓器，R為電阻，D為二極管，C為電容，Rv為試驗(yàn)氧化鋅壓敏電阻，在32R621K A兩端分別施加10 mA、20 mA和30 mA直流電流，分別作用10、15、20、25和30 min后，冷卻至室溫后測量其靜態(tài)數(shù)據(jù)，每次保持壓敏電阻正向通電。在32R621K B壓敏電阻兩端施加電流方向正、負(fù)交替的直流電流，電流大小分別10 mA、20 mA和30 mA，分別作用10、15、20、25和30 min后，靜置至室溫后測量靜態(tài)參數(shù)。

圖2 試驗(yàn)接線圖Fig.2 Wiring diagram of test

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表2和表3是32R621K A試驗(yàn)過程中，正、方向靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。圖3為樣品32R621K A試驗(yàn)過程中正、負(fù)向測量的壓敏電壓差圖。

表2 樣品32R621K A試驗(yàn)過程中ZnO壓敏電阻U1mATable 2 The U1mAof 32R621k A ZnO varistor in the test process

通過表2，在正極性電流作用下，氧化鋅壓敏電阻正向壓敏電壓變化不大，但是反向測量其壓敏電壓時(shí)，壓敏電壓變化較大，說明氧化鋅壓敏電阻內(nèi)部肖特基勢壘壁已經(jīng)不對稱，出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，且通過表2觀察知，隨著電流的加大，時(shí)間的加長，這種老化現(xiàn)象越加明顯。通過圖3結(jié)合表2知，氧化鋅壓敏電阻在直流電流正向作用下，產(chǎn)生明顯的極性效應(yīng)。此外，壓敏電阻的極性效應(yīng)和老化程度均隨電流的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)減慢的現(xiàn)象。

圖3 樣品32R621K A試驗(yàn)過程中正、反向壓敏電壓差Fig.3 The difference between positive and negative U1mAof sample 32R621K A in the test process

表3 樣品32R621K A試驗(yàn)過程中ZnO壓敏電阻ILTable 3 The ILof 32R621k A ZnO varistor in the test process

此外，觀察表3知，氧化鋅壓敏電阻漏電流呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。隨著時(shí)間的加長和電流的加大，漏電流越大。這從另一方面說明氧化鋅壓敏電阻隨著施加電流的加大以及施加時(shí)間的加長，老化越加明顯。當(dāng)在樣品A上施加小電流、短時(shí)間時(shí)，氧化鋅壓敏電阻的老化現(xiàn)象并不明顯，因?yàn)樵诶匣捌?，壓敏電阻片吸收的能量很少，表面溫度不高，?nèi)部晶界層晶界結(jié)構(gòu)只能發(fā)生微小的變化，離子遷移不夠活躍，在電阻片冷卻恢復(fù)至室溫的過程中，晶界結(jié)構(gòu)得以恢復(fù)。而在壓敏電阻老化后期，電阻片吸收了大量的能量，內(nèi)部積聚較高的溫度，產(chǎn)生較大的熱刺激，使得內(nèi)部晶界層中的離子活動非?；钴S，增大了離子遷移率，導(dǎo)致勢壘高度的降低；而當(dāng)外施電壓和溫度一定時(shí)，勢壘高度降低將導(dǎo)致漏電流的增大。長時(shí)間的大電流作用下，將會使得壓敏電阻片結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，肖特基勢壘高度降低，因此老化后期ZnO壓敏電阻漏電流明顯增大。

表4和表5是32R621K B壓敏電阻正、負(fù)極性直流作用后，靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。從表可知，正、負(fù)極性電流作用下，參數(shù)變化與僅正向通電的樣品A老化規(guī)律類似，但老化程度較小，極性效應(yīng)有所緩解。樣品B在正、負(fù)極性電流作用下，伏安特性極性效應(yīng)減小，出現(xiàn)極性補(bǔ)償現(xiàn)象。由表4可知，在老化后期壓敏電壓，正、負(fù)方向測量的壓敏電壓差值明顯減小，表明壓敏電阻在正、負(fù)極性交替作用下，極性效應(yīng)逐漸減小。

表4 樣品32R621K B ZnO壓敏電阻U1mATable 4 The U1mAof 32R621k B ZnO varistor

正、負(fù)極性電流交替作用時(shí)，ZnO壓敏電阻出現(xiàn)極性補(bǔ)償現(xiàn)象，使得肖特基勢壘高度下降不明顯，導(dǎo)致壓敏電阻老化程度較單一正極性電流作用下緩慢。

3 結(jié)論

針對直流電流作用下氧化鋅壓敏電阻老化問題，通過對氧化鋅壓敏電阻正極性和正、負(fù)極性直流交替作用下氧化鋅壓敏電阻老化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）氧化鋅壓敏電阻在直流電流單向作用下，產(chǎn)生明顯的極性效應(yīng)。此外，極性效應(yīng)和老化程度均隨電流的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)減慢的現(xiàn)象。

表5 樣品32R621K B試驗(yàn)過程中ZnO壓敏電阻ILTable 5 The ILof 32R621k B ZnO varistor in the test process

2）由于正、負(fù)極性電流交替作用時(shí)，ZnO壓敏電阻出現(xiàn)極性補(bǔ)償現(xiàn)象，使得肖特基勢壘高度下降變慢，從而導(dǎo)致壓敏電阻老化程度較單一極性電流作用下緩慢。

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