金屬氧化鋅閥片使用分析論文

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摘要：雷電防護過程中，由雷擊電磁脈沖引起的干擾破壞，目前通常使用電涌保護器來實現對微電子設備的保護。電涌保護器采用的金屬氧化鋅閥片主要采取兩種連接方法：一個是以美、英為主的采取多片金屬氧化鋅并聯使用，使用的標準為UL1449第二版，另一個是以法、德為主德采取單片金屬氧化鋅技術，使用的標準為IEC61643-1-2。金屬氧化鋅閥片并聯使用的優點可以得到較大的通流容量，防止單片金屬氧化鋅閥片擊穿后冒煙和爆炸，但歐洲及國內一些專家認為多片金屬氧化鋅閥片并聯使用，由于漏流、壓敏電壓等性能不一致，造成能量分配不均勻，產生閥片熱崩潰。作者帶這這些問題在美國JOSLYN公司實驗室做了試驗，得出了一些非常有價值的測試數據。分析認為：金屬氧化鋅閥片只要進行一定的篩選、配對、并采取適當的措施是可以并聯使用的。

關鍵詞：雷電防護氧化鋅閥片并聯使用測試研究

一、前言

大氣中的雷電現象會給人類的生存和社會活動帶來危害，對它的防護問題一直是人們關心的問題。隨著社會經濟和科學技術的發展，微電子設備的廣泛應用，我們不僅耀注意預防對影響建筑物或其他物體的直擊雷災害，而且對雷擊電磁脈沖（LEMP）的防護更給足夠地重視[1][2][3]，目前國內外在實施雷電防護過程中對于LEMP的防護，通常是采用電涌保護器（SPD）（SURGEPROTECTIVEDEVICES）限制瞬態過電壓和引導泄放電涌電流來實現[4][5][6]，現在一般在SPD中使用的主要器件為：金屬氧化鋅（MOV）閥片、放電間隙、氣體或固體放電管、濾波線圈、瞬變二極管（SIDACTOR）等，而使用在低壓線路（220V～/380V～）中的SPD、絕大多數是使用MOV閥片。在低壓電路中為了達到25～50ns高速響應時間，國際上MOV閥片的直徑一般控制在14～20mm左右，最大通流容量一般在60～70KA，電流波形為8/20μs。美國在UL1449第二版《瞬時電壓浪涌保護器標準》TVSS（TRANSIENTVOLTAGESURGESUPPRESION）中建議[7]，采用多片MOV閥片并聯使用，以達到更大的通流容量。由于目前在國內外多片MOV閥片并聯技術的測試試驗和分析研究工作還不多，所以對這一技術在雷電防護中使用也存在不同看法。本文針對上述問題，試圖通過在美國JOSLYN公司實驗室的測試試驗，以及對樣本和數據的分析，對多片MOV閥片并聯技術的使用給出了肯定的答復。

二、MOV閥片的主要性能

MOV閥片的主要成分為氧化鋅（ZnO），并滲有少量的其它氧化物，外層由兩層鉛和一層塑料涂層組成[8]，在低壓電源系統中，一般采用圓形的直徑為14mm和20mm的MOV閥片。在直流電壓為3KV下，電容量分別為5600PF和22000PF，標稱通流容量分別為4KA和6.5KA，電流波形為8/20μs。MOV閥片兩端電壓低于壓敏電壓時，呈高阻抗狀態。當電壓高于壓敏電壓時，由于閥片內的齊納效應和雪崩效應，迅速呈低阻抗。電壓低于壓敏電壓又回到高阻抗狀態。MOV閥片的好壞主要決定以下一些參數。

1、壓敏電壓

當溫度為20℃，一般認為在MOV閥片上有1mA電流流過的時候，相應加在該閥片上的電壓叫做壓敏電壓。應按如下公式計算：

Vn≥（VNII×√2/0.7）1.2

式中：VN――MOV閥片壓敏電壓值

VNH――電源額定電壓值（有效值）

壓敏電壓沖擊前后的變化率應小于±10％

2、漏電流

MOV閥片在標稱持續工作電壓下流過閥片的電流稱為漏電流。按國家標準應小于30μA。沖擊前后的變化率應小于200％。

3、殘壓及殘壓比

在規定波形、標稱放電電流沖擊氧化鋅閥片，閥片兩端測到的電壓峰值，稱為殘壓。

殘壓與壓敏電壓的比值，稱為殘壓比。

一般情況下殘壓比應≤3。

三、MOV閥片的并聯使用

在保證高速響應的前提下，要提高TVSS或SPD的通流容量，一般采取多片并聯使用。歐洲及國內一些專家認為多片MOV閥片并聯使用，由于閥片性能不一致，可能產生雷電能量分配不均勻，造成MOV閥片的溫度升高，性能下降，導致熱崩潰，或提早老化、失效，因此不主張采取多片氧化鋅閥片并聯使用。但目前國際上使用在低壓電源配電系統上的單片MOV閥片的最大通流容量只能達到60-70KA（8/20μs）滿足不了實際工程的需要，所以對于MOV閥片并聯使用的研究具有十分重要的意義。

四、在美國JOSLYN實驗室測試數據分析

美國JOSLYN公司是雷電浪涌防護的專業公司，從1950年就開始專門研究雷電和瞬間過電壓保護。JOSLYN公司從1979年以來一直生產并行MOV的TVSS、產品遍布世界130多個國家的通信、電力、交通、航空、金融、計算機網絡等。美國總統座機空軍一號就采用了該公司的產品。

作者與美國JOSLYN公司實驗室的HansSteinhaff博士進行了以下的測試。

（一）測試儀器

1、Keytek587型8/20μs波形標準沖擊試驗儀。

2、KeytekS1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌網絡單元。

3、Peason301x型電子寬帶電流變換器。

4、7A26雙蹤放大器。

5、Tekronix7835存儲式示波器。

（二）樣本的抽取

本次試驗一共抽取三組樣本，A組是隨機從一批產品中抽取50片MOV閥片；B組從一批閥片中選取1mA壓敏電壓最高和最低的MOV閥片各25片；C組是從一批MOV閥片產品中抽出壓敏電壓最高的25片，從另一批產品中抽出壓敏電壓最低的25片樣品。所有的MOV閥片在同一等級通流容量下沖擊兩次，表1顯示了通過每組MOV閥片受沖擊后電流的平均值及占總電流的百分比。表中A1、A2是從A組中選出每兩片MOV閥片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得得平均數值。B1、B2是從B組中選出壓敏電壓最高和最低得MOV閥片各片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得平均數值。C1、C2是從C組中選出壓敏電壓最高和最低的MOV閥片各片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得的平均數值。

表1每組MOV閥片電流平均值（A）及百分比

沖擊電流（A）A組電流百分比％B組電流百分比％C組電流百分比％

A1A2A1A2B1B2B1B2C1C2C1C2

12571665248114228416120168812

500250245514937013074263901008020

750380375505053022570305601807624

3000150014905050175012005941180012006040

10000475047505050525042005644540040005743

表2顯示了MOV閥片沖擊前后，1mA壓敏電壓變化情況，并且給出了沖擊前后正負極1mA壓敏電壓的變化。

表2沖擊前后正負極壓敏電壓平均值（V）

樣品沖擊前沖擊后

正負正負

A1238239240243

A2237238239242

B1225224224224

B2251251251255

C1227227226229

C2254254248257

（三）數據分析

從表1不難看出，A組同一批發貨樣品中抽出的MOV閥片，即使沒有經過嚴格篩選、配對，不管在小電流還是大電流沖擊情況下，并聯兩片MOV閥片上吸收的能量基本平衡，但在B組同一批產品中，抽出MOV閥片壓敏電壓最高和最低配對。在小電流（125－750A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片上吸收的能量是不平衡的，最大誤差在84％和16％。在大電流（3000～10000A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片吸收的能量基本平衡，最大誤差在59％和41％。C組為不同批次中抽取的最高和最低壓敏電壓MOV閥片配對，在小電流（125～750A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片上吸收能量更不平衡，最大誤差在88%和12％，比B組還要大，但在大電流（3000～10000A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片上電流也還基本平衡。

五、JOSLYN實驗室做的其它輔助測試

（一）、近來JOSLYN公司從一批產品中任意抽取6各使用3片20mmMOV閥片并聯的TVSS，沖擊電流為1500A，波形為8/20μs，經過10000次沖擊試驗（記錄了2500次的測試），其中5各TVSS經過10000次沖擊后，1mA下的壓敏電壓變化率≤±10％，另一個在8500次沖擊測試后，1mA下壓敏電壓變化率＞10％。

（二）、另一個測試將4片MOV閥片并聯，不用刻意去匹配，沖擊電流為10000A，波形8/20μs，一共沖擊220次，然后分別在測試前、中、后4片并聯MOV閥片的1mA壓敏電壓變化率為+7.3～7.5％，每一片MOV閥片的1mA壓敏電壓變化率為+5.3～6.7％。

（三）、另一個制造商生產的TVSS，也使用上述同樣的方法測試，在220次沖擊后，總的1mA壓敏電壓變化率為12.4～20.9％，在10000A沖擊電流下，40~60次沖擊后，1mA壓敏電壓產生了大于10％的變化。

六、結論

（一）、由于MOV閥片性能不一致，特別是1mA下壓敏電壓不一致，會造成在小電流（125～750A）沖擊下多片MOV閥片并聯時，每個閥片吸收雷電能量不一致。

（二）、在大電流（3000～10000A）沖擊下，即使MOV閥片性能不太一致，多片并聯使用時每片MOV閥片吸收雷電能量基本一致。

（三）、因此，只要對MOV閥片略加挑選配對，且利用保險絲阻抗幫助平衡電流，多片MOV閥片是可以并聯使用的，不會因吸收能量不一致而產生熱崩潰或提早老化。

參考文獻：

⑴R.H.Golde《Lightning》1997

⑵蘇邦禮等《雷電避雷工程》1998

⑶GB50057-1994《建筑物防雷設計規范》（2000年版）

⑷IEC61643-11998《連接至低配電系統電涌保護器》第一部分性能要求和試驗方法

⑸IEC61643-2/Ed1.02000《連接電信網絡及信號網絡的電涌保護器》第一部分性能要求和試驗方法

⑹IEEE《低壓防浪涌裝置性能》

⑺UL1449第二版《瞬時電壓浪涌保護器標準》TVSS

⑻彭濟南、葉德平等“氧化鋅線性電阻中性電接地電阻器”《電瓷避雷器》2001.6。