MENU
微观结构对压敏电阻性能的影响
ADVERTISEMENT
inmr adv CTC

微观结构对压敏电阻性能的影响

May 9, 2017 • Arresters, Arresters / 避雷器, Columns, Woodworth on Arresters, 最近文章汇总

在我的上一期INMR专栏中, 我论述了压敏电阻伏安特性曲线 (VI曲线) 的不 同方面以及它们是如何影响避雷器性能的。在本文中, 我想把VI曲线和压敏 电阻的微观结构联系起来。早在1979年我开始研究过电压保护时, 我是一个 开发氧化锌 (ZnO) 材料高压避雷器项目团队的成员。当时, 尽管低压过电压 保护器已经有将近十年的运行经验, 但是对于高压过电压保护则是另一番差 别巨大的情景。当时, 只有通用电气公司 (GE) 和几个日本供货商开发出了 足够稳定和有效的氧化锌配方。
在项目开发早期, 测试数据表明:正在开发中的ZnO压敏电阻片一个批次的 试制品, 其实际动作电压仅是本应该具有的动作电压的一半 (也即, 额定4kV 等级电阻片的性能相当于额定2kV等级的效果)。这一批ZnO电阻片的唯一 不同是氧化镍, 因为我们的陶瓷专家决定用新的NiO2代替据推测其特性与之 前所使用的特性相同的NiO2。然而, 经过调查发现:即便这些新的NiO2的粒 径没有变, 但它们的表面积增大。我们也发现在制造ZnO电阻片的烧结过程 中, NiO2粒子的表面积对压敏电阻晶粒的生长有显著的影响。熟知电阻片的 微观结构从而预测其性能的重要性顷刻间变得显而易见。 微观结构对压敏电阻性能的影响 微观结构对压敏电阻性能的影响 微观结构对压敏电阻性能的影响 INMR China Q2 Issue 22 yamin 在5000倍的放大倍率下, 用扫描电子显微镜观察ZnO电阻片的截面, 能够观 察到构成典型压敏电阻主体的微观结构。为更好描述这一微观结构的尺寸, 这一图像只有50μm宽, 即为人类头发横截面的约1/4。一个典型的尺寸为 60mm×25mm的电站级压敏电阻片包含约1000亿个这样的微观结构。
大多数压敏电阻科学家赞同:压敏电阻VI曲线有三个特征区域与其微观结构 的独特物理性能直接相关。VI曲线的预击穿区与由微观结构尖晶石相组成的 迂回路径 (淡蓝色线) 有关。物理上, 这是沿着ZnO晶粒的外围和晶粒之间、 随后沿着片与片之间杂乱无章路线的路径。这一粒间层主要由锑、铋和其他微量掺杂物质组成。电阻片的击穿区由微观结构上为ZnO晶界 (绿色线圈) 的非线性电阻特性区域控制。晶界的阻抗能力由穿 透它的电压应力决定。
在氧化锌压敏电阻上, 穿过晶界3V的电压应力将导致晶界的阻 抗显著降低。只要电压稍微增加, 阻抗就显著降低, 这是压敏 电阻电子开关的基本原理。电阻片的物理结构在确定击穿电 压中起着举足轻重的作用。如果电阻片上下两端之间有1000 个这样的晶界, 那么击穿电压大约是3000V。假设如果厚度 相同的电阻片上下两端之间只有500个晶界, 那么它们的动作 电压就有1500V (记住上面提到的氧化镍问题)。
VI曲线与电阻片物理特性有关的第三个区域是大电流区域, 它 由低阻抗的氧化锌颗粒核芯控制。电阻片的这一部分相对来说 对温度不敏感。它几乎也是线性的, 并且不会像电阻片晶界那 样随两端所加电压的变化而改变。
以上仅仅是解释电阻片在工作寿命期间其内部工作原理的一 个模型。当然, 久而久之, 我们会更好地理解并且精益求精, 使 描述更加接近真实。然而, 对于未来避雷器的应用, 仍然有两 个区域可以加以改进。
在预击穿区域, 尽管在过去十年里已经有了相当大的进步, 仍需要进一步改善 对温度的敏感性, 这就是为什么一些10kA的电阻片直径只有35-38mm, 而另 一些的直径却有43mm的原因。对过电压保护产生显著影响的另一个需要改 善的方面是降低晶核阻抗, 从而也降低避雷器的钳位电压。同时, 经过冲击后, 电阻片的温度也会更低。继续研发下一代过电压保护还需要避雷器和电阻片 的设计人员做很多关于该参数的工作。
Jonathan Woodworth  

分享至:

Related Posts

« »

INMR主要的广告商包括且不限于:

Taiguang