金属氧化锌阀片使用分析论文

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摘要：雷电防护过程中，由雷击电磁脉冲引起的干扰破坏，目前通常使用电涌保护器来实现对微电子设备的保护。电涌保护器采用的金属氧化锌阀片主要采取两种连接方法：一个是以美、英为主的采取多片金属氧化锌并联使用，使用的标准为UL1449第二版，另一个是以法、德为主德采取单片金属氧化锌技术，使用的标准为IEC61643-1-2。金属氧化锌阀片并联使用的优点可以得到较大的通流容量，防止单片金属氧化锌阀片击穿后冒烟和爆炸，但欧洲及国内一些专家认为多片金属氧化锌阀片并联使用，由于漏流、压敏电压等性能不一致，造成能量分配不均匀，产生阀片热崩溃。作者带这这些问题在美国JOSLYN公司实验室做了试验，得出了一些非常有价值的测试数据。分析认为：金属氧化锌阀片只要进行一定的筛选、配对、并采取适当的措施是可以并联使用的。

关键词：雷电防护氧化锌阀片并联使用测试研究

一、前言

大气中的雷电现象会给人类的生存和社会活动带来危害，对它的防护问题一直是人们关心的问题。随着社会经济和科学技术的发展，微电子设备的广泛应用，我们不仅耀注意预防对影响建筑物或其他物体的直击雷灾害，而且对雷击电磁脉冲（LEMP）的防护更给足够地重视[1][2][3]，目前国内外在实施雷电防护过程中对于LEMP的防护，通常是采用电涌保护器（SPD）（SURGEPROTECTIVEDEVICES）限制瞬态过电压和引导泄放电涌电流来实现[4][5][6]，现在一般在SPD中使用的主要器件为：金属氧化锌（MOV）阀片、放电间隙、气体或固体放电管、滤波线圈、瞬变二极管（SIDACTOR）等，而使用在低压线路（220V～/380V～）中的SPD、绝大多数是使用MOV阀片。在低压电路中为了达到25～50ns高速响应时间，国际上MOV阀片的直径一般控制在14～20mm左右，最大通流容量一般在60～70KA，电流波形为8/20μs。美国在UL1449第二版《瞬时电压浪涌保护器标准》TVSS（TRANSIENTVOLTAGESURGESUPPRESION）中建议[7]，采用多片MOV阀片并联使用，以达到更大的通流容量。由于目前在国内外多片MOV阀片并联技术的测试试验和分析研究工作还不多，所以对这一技术在雷电防护中使用也存在不同看法。本文针对上述问题，试图通过在美国JOSLYN公司实验室的测试试验，以及对样本和数据的分析，对多片MOV阀片并联技术的使用给出了肯定的答复。

二、MOV阀片的主要性能

MOV阀片的主要成分为氧化锌（ZnO），并渗有少量的其它氧化物，外层由两层铅和一层塑料涂层组成[8]，在低压电源系统中，一般采用圆形的直径为14mm和20mm的MOV阀片。在直流电压为3KV下，电容量分别为5600PF和22000PF，标称通流容量分别为4KA和6.5KA，电流波形为8/20μs。MOV阀片两端电压低于压敏电压时，呈高阻抗状态。当电压高于压敏电压时，由于阀片内的齐纳效应和雪崩效应，迅速呈低阻抗。电压低于压敏电压又回到高阻抗状态。MOV阀片的好坏主要决定以下一些参数。

1、压敏电压

当温度为20℃，一般认为在MOV阀片上有1mA电流流过的时候，相应加在该阀片上的电压叫做压敏电压。应按如下公式计算：

Vn≥（VNII×√2/0.7）1.2

式中：VN――MOV阀片压敏电压值

VNH――电源额定电压值（有效值）

压敏电压冲击前后的变化率应小于±10％

2、漏电流

MOV阀片在标称持续工作电压下流过阀片的电流称为漏电流。按国家标准应小于30μA。冲击前后的变化率应小于200％。

3、残压及残压比

在规定波形、标称放电电流冲击氧化锌阀片，阀片两端测到的电压峰值，称为残压。

残压与压敏电压的比值，称为残压比。

一般情况下残压比应≤3。

三、MOV阀片的并联使用

在保证高速响应的前提下，要提高TVSS或SPD的通流容量，一般采取多片并联使用。欧洲及国内一些专家认为多片MOV阀片并联使用，由于阀片性能不一致，可能产生雷电能量分配不均匀，造成MOV阀片的温度升高，性能下降，导致热崩溃，或提早老化、失效，因此不主张采取多片氧化锌阀片并联使用。但目前国际上使用在低压电源配电系统上的单片MOV阀片的最大通流容量只能达到60-70KA（8/20μs）满足不了实际工程的需要，所以对于MOV阀片并联使用的研究具有十分重要的意义。

四、在美国JOSLYN实验室测试数据分析

美国JOSLYN公司是雷电浪涌防护的专业公司，从1950年就开始专门研究雷电和瞬间过电压保护。JOSLYN公司从1979年以来一直生产并行MOV的TVSS、产品遍布世界130多个国家的通信、电力、交通、航空、金融、计算机网络等。美国总统座机空军一号就采用了该公司的产品。

作者与美国JOSLYN公司实验室的HansSteinhaff博士进行了以下的测试。

（一）测试仪器

1、Keytek587型8/20μs波形标准冲击试验仪。

2、KeytekS1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌网络单元。

3、Peason301x型电子宽带电流变换器。

4、7A26双踪放大器。

5、Tekronix7835存储式示波器。

（二）样本的抽取

本次试验一共抽取三组样本，A组是随机从一批产品中抽取50片MOV阀片；B组从一批阀片中选取1mA压敏电压最高和最低的MOV阀片各25片；C组是从一批MOV阀片产品中抽出压敏电压最高的25片，从另一批产品中抽出压敏电压最低的25片样品。所有的MOV阀片在同一等级通流容量下冲击两次，表1显示了通过每组MOV阀片受冲击后电流的平均值及占总电流的百分比。表中A1、A2是从A组中选出每两片MOV阀片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得得平均数值。B1、B2是从B组中选出压敏电压最高和最低得MOV阀片各片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得平均数值。C1、C2是从C组中选出压敏电压最高和最低的MOV阀片各片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得的平均数值。

表1每组MOV阀片电流平均值（A）及百分比

冲击电流（A）A组电流百分比％B组电流百分比％C组电流百分比％

A1A2A1A2B1B2B1B2C1C2C1C2

12571665248114228416120168812

500250245514937013074263901008020

750380375505053022570305601807624

3000150014905050175012005941180012006040

10000475047505050525042005644540040005743

表2显示了MOV阀片冲击前后，1mA压敏电压变化情况，并且给出了冲击前后正负极1mA压敏电压的变化。

表2冲击前后正负极压敏电压平均值（V）

样品冲击前冲击后

正负正负

A1238239240243

A2237238239242

B1225224224224

B2251251251255

C1227227226229

C2254254248257

（三）数据分析

从表1不难看出，A组同一批发货样品中抽出的MOV阀片，即使没有经过严格筛选、配对，不管在小电流还是大电流冲击情况下，并联两片MOV阀片上吸收的能量基本平衡，但在B组同一批产品中，抽出MOV阀片压敏电压最高和最低配对。在小电流（125－750A）冲击下，两片并联MOV阀片上吸收的能量是不平衡的，最大误差在84％和16％。在大电流（3000～10000A）冲击下，两片并联MOV阀片吸收的能量基本平衡，最大误差在59％和41％。C组为不同批次中抽取的最高和最低压敏电压MOV阀片配对，在小电流（125～750A）冲击下，两片并联MOV阀片上吸收能量更不平衡，最大误差在88%和12％，比B组还要大，但在大电流（3000～10000A）冲击下，两片并联MOV阀片上电流也还基本平衡。

五、JOSLYN实验室做的其它辅助测试

（一）、近来JOSLYN公司从一批产品中任意抽取6各使用3片20mmMOV阀片并联的TVSS，冲击电流为1500A，波形为8/20μs，经过10000次冲击试验（记录了2500次的测试），其中5各TVSS经过10000次冲击后，1mA下的压敏电压变化率≤±10％，另一个在8500次冲击测试后，1mA下压敏电压变化率＞10％。

（二）、另一个测试将4片MOV阀片并联，不用刻意去匹配，冲击电流为10000A，波形8/20μs，一共冲击220次，然后分别在测试前、中、后4片并联MOV阀片的1mA压敏电压变化率为+7.3～7.5％，每一片MOV阀片的1mA压敏电压变化率为+5.3～6.7％。

（三）、另一个制造商生产的TVSS，也使用上述同样的方法测试，在220次冲击后，总的1mA压敏电压变化率为12.4～20.9％，在10000A冲击电流下，40~60次冲击后，1mA压敏电压产生了大于10％的变化。

六、结论

（一）、由于MOV阀片性能不一致，特别是1mA下压敏电压不一致，会造成在小电流（125～750A）冲击下多片MOV阀片并联时，每个阀片吸收雷电能量不一致。

（二）、在大电流（3000～10000A）冲击下，即使MOV阀片性能不太一致，多片并联使用时每片MOV阀片吸收雷电能量基本一致。

（三）、因此，只要对MOV阀片略加挑选配对，且利用保险丝阻抗帮助平衡电流，多片MOV阀片是可以并联使用的，不会因吸收能量不一致而产生热崩溃或提早老化。

参考文献：

⑴R.H.Golde《Lightning》1997

⑵苏邦礼等《雷电避雷工程》1998

⑶GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》（2000年版）

⑷IEC61643-11998《连接至低配电系统电涌保护器》第一部分性能要求和试验方法

⑸IEC61643-2/Ed1.02000《连接电信网络及信号网络的电涌保护器》第一部分性能要求和试验方法

⑹IEEE《低压防浪涌装置性能》

⑺UL1449第二版《瞬时电压浪涌保护器标准》TVSS

⑻彭济南、叶德平等“氧化锌线性电阻中性电接地电阻器”《电瓷避雷器》2001.6。