淺析浪涌保護器中壓敏電阻的失效保護

毛聲道

摘 要：該文主要介紹壓敏電阻在浪涌保護器中的工作原理，壓敏電阻實際使用時的失效原因與失效模式，以及相應的失效保護方法。

關鍵詞：壓敏電阻 浪涌保護器 失效模式

中圖分類號：T64M 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0089-02

壓敏電阻是浪涌保護器的一種非線性限壓器件，最常用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻。壓敏電阻利用其非線性的伏安特性，把竄入電力、電信傳輸線路的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，以保護耐壓水平較低的電氣設備或系統不受沖擊而損壞。

在實際使用中，壓敏電阻會受到安裝環境或電流沖擊而逐漸老化失效，使被保護設備處于保護缺失狀態，極易造成短路等電力事故。因此，有必要采取一定的失效保護方法，確保浪涌保護器和被保護設備的安全運行。

1 浪涌保護器中壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，通常并聯于被保護電器的輸入端。在正常電壓條件下，壓敏電阻的阻抗很高，漏電流很小，可以看作開路，對電路幾乎沒有影響。壓敏電阻會在電路出現過電壓時內阻急劇下降并迅速導通，它的流通電流可增加幾個數量級，同時將過電壓箝位在一定數值，有效地保護電路中的其他設備不致因過電壓而損壞。

如圖1所示，分壓器由壓敏電阻的阻抗Zv與電路總阻抗Zs（包括浪涌源阻抗）構成，當電路出現過電壓Vs時，壓敏電阻的限制電壓為V=VsZv/（Zs+Zv），Zv的阻值可以從正常時的兆歐級急劇下降到幾歐姆，甚至毫歐級。Zv在瞬間流過很大的電流，過電壓大部分降落在Zs上，用電器兩端的電壓V則被限制在較低水平，從而保護用電器免受過電壓的危害。過電壓結束后，壓敏電阻又迅速、自動恢復到高阻抗狀態。

2 壓敏電阻的失效

壓敏電阻經過長期運行和多次電涌作用后，會出現性能下降，甚至失效的情況，它的失效模式主要有兩種：開路模式和短路模式。

2.1 開路模式

當壓敏電阻中流過遠超過其承受范圍的浪涌電流時，壓敏電阻會發生炸裂，呈現開路狀態。這種模式不會引起燃燒現象，影響相對較小。

2.2 短路模式

短路模式比較常見，影響較大，甚至會引發火災，主要包括兩種類型，即老化失效和暫態過電壓破壞。

2.2.1 老化失效

在帶電情況下，經過多次反復的浪涌電壓沖擊，壓敏電阻會出現劣化現象，其閥值電壓會降低，低阻性則逐步加劇，進而導致持續漏電流的產生。隨著漏電流的惡性增加，并且集中注入壓敏電阻內部的薄弱部位，該部位的材料就會逐漸融化，最終形成1000歐左右的短路孔，一旦有較大的電流灌入短路點，就會導致壓敏電阻的熱崩潰擊穿，壓敏電阻劣化失效后變成永久導通狀態，無法切斷回路電流，此時壓敏電阻本體溫度將持續升高，甚至產生火災危險。研究表明，若壓敏電阻在制造時就存在缺陷的話，就很可能出現早期失效的情況，此時，即便電沖擊強度不大，但用不了多次也會很快老化，使老化失效提早出現。

2.2.2 暫態過電壓破壞

電路中有時會出現高于壓敏電阻最大連續運行電壓的暫態過電壓，這類過電壓雖然幅值不高，但持續時間較電涌（瞬態過電壓）長得多，可達幾秒甚至更長，而目前的MOV制造水平，是不能承受的。較強的暫態過電壓能夠加快壓敏電阻的劣化速度，一旦電阻體穿孔，就會導致更大電流的產生，最終引發高熱起火。該過程可以在較短時間內發生，出現此情況時，電阻體上設置的熱熔接點往往來不及熔斷。在三相電源保護中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火通常都屬于這種情況，且出現事故的概率是比較高的。

總的來說，短路失效模式造成的損失比較大。瞬間的高熱會將壓敏電阻的包封材料炭化，迅速的膨脹將炭化料噴濺至周邊器件與電路板上，造成拉弧現象。高熱引起的持續自燃，也將對整個應用系統造成不可恢復的破壞。

3 失效保護方法

為提高壓敏電阻在浪涌保護器中使用的安全性，在壓敏電阻的設計和使用過程中，需要采取一定的保護措施，確保失效的壓敏電阻及時脫離被保護電路，盡可能避免火災等事故的發生。目前比較成熟的保護方法有以下幾種。

3.1 壓敏電阻串聯溫度保險管

可以緊密連接的方式在壓敏電阻上串聯一個溫度保險管，但需要保證兩者兩者有良好的熱耦合。當壓敏電阻失效（短路）時，它所產生的熱量會傳遞給溫度保險管，溫度保險管隨之熔斷，從而使失效的壓敏電阻與電路分離，這樣就確保了設備的安全，如圖2（a）所示。現在已有壓敏電阻生產廠商制造出溫度保險管內置的壓敏電阻器件，如圖2（b）所示，這種器件由于熱熔保險與壓敏電阻封裝在一起，溫度感應更快，保護效果更好。

3.2 電源中串聯感抗元件

要想避免大電流對壓敏電阻的沖擊，可以將大的感抗元件串聯在電源回路中，這樣一來，電流突變的現象就不會發生了，可有效避免暫態過電流對壓敏電阻的沖擊，從而防止壓敏電阻的失效。

3.3 壓敏電阻串聯使用

在持續工作電壓較高的情況下，可將多個壓敏電阻串聯使用。比如將兩只直徑相同，且通流量相同的壓敏電阻串聯后，兩者的壓敏電壓、持續工作電壓和限制電壓會疊加在一起，但通流量是不變的。高壓電力避雷器往往要求持續工作電壓高達千伏，甚至數萬伏，這種情況，就是將多個壓敏電阻閥串聯使用以保證期安全使用。

3.4 壓敏電阻并聯使用

遇到一個壓敏電阻滿足不了標稱放電要求的情況，要想獲得更大的通流量，可將多個壓敏電阻并聯使用。如果為了降低限制電壓，減小電阻的電流密度，在標稱放電電流滿足要求的情況下，也采用多個壓敏電阻并聯。該方法可以較為有效地解決暫態過電壓破壞問題。

要特別注意的是，壓敏電阻并聯使用時，必須挑選參數一致的（例如：ΔU1mA≤3V，Δα≤3）電阻片進行配對，以保證電流在各電阻片之間均勻分配。

3.5 壓敏電阻與氣體放電器件串聯使用

壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯，要保證串聯組合的正常工作，需滿足兩個基本條件。

（1）系統電壓上限值應低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓；（2）G點火后在系統電壓上限值下，壓敏電阻MY中的電流應小于G的電弧維持電流，以保證G的熄弧。

在電路正常工作時，這種組合方式下，氣體放電管不導通，壓敏電阻沒有漏電流，其使用壽命會得到大大延長。當受浪涌沖擊時，氣體放電管首先擊穿，然后壓敏電阻會對浪涌電壓加以限制，總的殘壓為兩者之和；沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管會因而不能維持導通而熄弧，此時恢復為正常工作狀態；當壓敏電阻短路失效后，雖氣體放電管因流過很大的工頻電流也會很快失效，但它的失效模式絕大多數是開路，不易引起火災。因此，這種串聯組合方式安全性好，具有漏電流小等特點。

3.6 壓敏電阻失效報警

壓敏電阻失效后，浪涌保護器就失去了保護功能。如果不能及時更換新的壓敏電阻，電子設備就處于保護缺失狀態，還有可能造成系統損壞。高端的浪涌保護器配有壓敏電阻保護裝置，失效時進行失效保護和報警，使用戶及時知道并更換損壞的壓敏電阻模塊。

壓敏電阻的失效報警的實現，通常是在浪涌保護器上增設一個報警指示窗口，當壓敏電阻的漏電增大到預定值時，報警指示燈亮起，提醒值班人員壓敏電阻失效并及時更換。有些浪涌保護器還有專門的報警信號輸出端口，以便連接外部報警裝置。

4 結語

鑒于壓敏電阻使用壽命較短、容易失效的特點，在設計和使用過程中，需要盡可能地采取一定的失效保護措施，防止火災等意外的發生，以便更好地發揮浪涌保護器的各項保護功能。

參考文獻

[1] 孫丹峰，季幼章.氧化鋅壓敏電阻的老化機理[C]//中國電子學會敏感技術分會第十五屆電壓敏學術年會論文?？?2008.

[2] 葉蜚譽.電涌保護技術講座[J].低壓電器，2004（2）：54-57.