氧化鋅非線性電阻老化剖析

張 敬 王橋智 孫曉波 馬明葉

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發電廠）

0 引言

避雷廣泛使用的高場強的氧化鋅非線性電阻，只需承受短時（8～20μs）過電壓及大電流（5kA），只進行2ms方波能量測試，不能接受持續時間的能量沖擊，也就不適合發電機勵磁系統中的滅磁及過電壓保護。上世紀70年代，中科院等離子所開始研發低場強的高能氧化鋅電阻用于船舶等軍工行業。當時受碳化硅滅磁電阻國產化的技術限制，利用高能氧化鋅電阻具有能容大、殘壓比小、滅磁快等優點，遂將其應用于發電機勵磁系統的滅磁和過電壓保護，開始大范圍應用于中小型水輪發電機組。

氧化鋅滅磁電阻并聯于發電機轉子繞組兩端，勵磁系統正常運行時，轉子繞組兩端電壓較低，通過氧化鋅非線性電阻的漏電流小于100A，這樣小的電流不會導致氧化鋅非線性電阻損壞。當事故滅磁時，滅磁開關拉弧建壓，達到氧化鋅非線性電阻動作閾值后，電壓基本維持不變，隨著電流增大電阻值逐漸減小，殘壓比U100A/U10mA小于1.4，轉子電流快速轉移到氧化鋅非線性電阻中消耗，達到快速滅磁的目的。

國內中、小型水電站大多使用氧化鋅非線性電阻作為發電機勵磁滅磁電阻。隨著使用時間的增加，氧化鋅非線性電阻性能會漸變老化，吸收能量的能力降低。極端情況下，有的支路形成了熱崩潰，甚至擊穿燒毀。目前常采用每個支路串聯快速熔斷器的措施來防止氧化鋅非線性電阻擊穿后造成回路短路，卻又造成組件體積較大，使氧化鋅的應用受到了限制。為何氧化鋅非線性電阻在使用過程中會出現這種現象呢？本文從氧化鋅的機理來進行一些分析。

1 氧化鋅非線性電阻的機理特性

氧化鋅非線性電阻是基于氧化鋅材料為主，輔以氧化銅、氧化鉍、氧化鈷、氧化錳等少量其他金屬氧化物添加劑，通過研磨、噴霧造粒、成形、燒結等工藝制作而成。內部結構基本由高電導的氧化鋅結晶體組成，電阻率約為1Ω.cm。通過在邊緣覆蓋陶瓷釉層，增強了電阻片抗潮能力和側面絕緣強度，使其沿徑向的電位提督分布均勻，從而提高電阻片的大電流沖擊能力。在高電壓形成的高電場強度下，一方面金屬氧化物的粒界層中的價電子在強磁場的作用下溢出，另一方面由于碰撞電離產生電子崩而使載流子大量增加。當電場強度達到104～105v/cm時，電阻率降至約1Ω.cm；當降低電壓使內場強變小時，載流子隨之復合而變少，阻值又隨著變大，電流隨電壓呈指數倍關系減小，因此具有良好的非線性伏安特性，且正、反極性對稱。［1］。

當氧化鋅非線性電阻的工作電壓在閾值以下時，通過的阻性電流很小僅微安級，約為10～15μA，趨近絕緣。當作用于非線性電阻上端電壓升高開始達到閾值時，阻性電流開始陡升至1mA，此時的作用電壓叫做起始動作電壓，也叫閾值電壓。由于氧化鋅非線性電阻具有很好的非線性，其在沖擊電流100A時的殘壓與U10mA的比值一般小于1.4。殘壓比越小，說明其非線性越好。氧化鋅非線性電阻多組并聯滅磁時，如果均流不好，極易形成雪崩擊穿短路。造成均流不好的原因，經研究發現與氧化鋅非線性電阻不均衡老化有著必然的聯系。

2 氧化鋅非線性電阻老化原因分析

氧化鋅非線性電阻的老化形成原因分為直流老化和交流老化。

在作氧化鋅非線性電阻老化原因分析之前，首先必須要了解肖特基勢壘。所謂肖特基勢壘，就是當金屬與半導體或兩種不同半導體接觸時，接觸面上的同種電荷相互排斥形成勢壘，使得電子原本自由流動的空間被壓縮，從而限制了電子所能到達的最大范圍，只有當施加的能量高于勢壘時電子才能夠通過，實現電流的傳導。

直流老化的主因是由氧化鋅非線性電阻肖特基勢壘畸變而形成。肖特基勢壘之所以畸變，是因為晶界區域的填隙鋅離子遷移造成的。

由于氧化鋅非線性電阻表面在直流電壓的長期作用下，伏安特性曲線發生了不對稱的改變，即反向肖特基勢壘高度比正向肖特基勢壘高度低，也就是說肖特基勢壘出現了不對稱的畸變。比如在正向直流電壓的作用下，離子一直在晶界勢壘中作單向遷移，致使反向側肖特基勢壘不斷漸變降低。

從圖1可以看出，氧化鋅晶粒邊界區域能帶在直流電壓作用前與作用后發生了明顯的變化。隨著正偏壓側的反向肖特基勢壘漸變下降，泄露電流密度也隨之增加，也就形成了直流老化。

圖1 直流電壓作用前（a）、后（b）晶粒邊界區域能帶圖

交流老化和直流老化相似，交流電壓作用下阻性電流的增加也是由于勢壘高度的降低引起的。

當交流電處于正半波電壓時，晶界層及反向肖特基勢壘側的耗盡層發生離子遷移。反向偏壓側肖特基勢壘耗盡層中的填隙鋅離子向晶界層遷移，即離子往左側遷移，使右側界面上的負電荷鋅空位，生成了中性離子，導致右側反向肖特基勢壘高度降低。

同理，當交流電處于負半波電壓時，左側正偏壓下為反向肖特基勢壘，右側為正向肖特基勢壘。左側耗盡層中的填隙鋅離子向晶界層遷移，使左側界面上的負電荷鋅空位，生成了中性離子，導致左側反向肖特基勢壘高度降低。

正、負極性的循環交替，使得晶界層的離子忽左忽右。因左右運動的距離相等，晶界層離子遷移對勢壘尚不會形成漸變。然而在耗盡層中的離子遷移則不同，交替變化會使氧化鋅晶粒與晶界層之間、晶界層與氧化鋅晶粒之間的界面，所形成的兩個肖特基勢壘發生對稱畸變，兩側勢壘高度均會發生漸變而降低，也就形成了交流老化［2］。

在能量沖擊時，氧化鋅非線性電阻局部的溫升比較高。反復沖擊使得肖特基勢壘的晶界不斷遷移，會引起肖特基勢壘的更大畸變，最終產生較嚴重的單極性老化。實踐證明，氧化鋅非線性電阻在承受沖擊電流的作用時，會發生沖擊老化。沖擊老化相對復雜，究其根本也就是交流老化和直流老化共同作用而成。

除材料內部機理外，一些外部因素也會造成氧化鋅非線性電阻的性能老化。

（1）密封問題。氧化鋅非線性電阻在生產過程中采用的密封技術有欠缺，或采用的密封材料抗老化性能不夠好，埋藏了隱患。在溫度變化較大時，由于密封材料退化造成密封不嚴，使潮氣浸入，內部絕緣水平下降，加速了氧化鋅非線性電阻性能老化。

（2）粉塵污染。粉塵中金屬的比例較大，氧化鋅非線性電阻沾上金屬粉塵后，會引起污閃。由于氧化鋅非線性電阻表面受到污染程度不一，使分布在表面的電流也不均勻，導致電阻片中電流1MOA的不均勻分布，致使流過電阻片的電流較正常時大1～2個數量級，產生附加升溫，加速了電阻片老化。

（3）工藝控制問題。氧化鋅非線性電阻多在連續能量沖擊下發生擊穿，原因無外乎兩種：一種是生產廠在制造過程中，某些工藝環節控制不嚴，造成產品有瑕疵帶病出廠；另一種是廠家在配片的過程中只是單純按U10mA或某個電壓配片，而不是通過每片進行能量沖擊試驗后，按采集的伏安曲線多點配片，使得并聯支路在大電流下的均流不好，各支路溫升不一致，在頻繁吸收滅磁能量過程中加速了非線性電阻不均衡老化［3］。

氧化鋅非線性電阻性能老化最突出的表現就是泄漏電流上升，U10mA不同程度下降。在多組并聯滅磁時，氧化鋅非線性電阻性能老化直接導致均流不好，形成安全隱患。

3 氧化鋅滅磁電阻特征及雪崩擊穿形成機理

造成氧化鋅非線性電阻雪崩擊穿的原因不但與其不均衡老化相關，而且還與其固有特性有著必然的聯系。

（1）氧化鋅非線性電阻伏安硬特性。從圖2氧化鋅非線性電阻伏安特性可知，當電壓上升到拐點U10mA后，雖然電流有較大增長，但電壓基本保持不變。俗稱氧化鋅非線性電阻伏安硬特性。

圖2 氧化鋅非線性電阻伏安特性

（2）氧化鋅非線性電阻負阻特性。眾所周知，氧化鋅非線性電阻阻值具有隨溫度上升而下降的特性，叫做負阻特性。

（3）氧化鋅滅磁電阻雪崩擊穿形成機理。由于氧化鋅非線性電阻老化過程有較大的不確定性，在多支路并聯滅磁時，會使均流變差。假設某支路老化突出使其閾值或者說Rt偏小；在氧化鋅非線性電阻伏安硬特性下，該支路電流It相比其它較大，所吸收的能量也較大，Rt處局部溫度T相比其它點更高；在負阻特性的作用下，Rt變得更小；此時將以電的傳播速度循環往復形成了正反饋雪崩，最終導致氧化鋅非線性電阻擊穿短路。如圖3所示。

圖3 單片氧化鋅閥片或并聯氧化鋅閥片雪崩擊穿電氣原理圖

4 氧化鋅非線性電阻老化檢測

由于氧化鋅非線性電阻老化可能造成雪崩擊穿短路，構成安全隱患，將直接影響到發電機的安全運行，氧化鋅非線性電阻的定期老化檢測變得至關重要。

根據國家相關標準規定，使用氧化鋅非線性電阻的滅磁裝置，每年必須進行檢驗。檢測一般在機組的大、小修期間進行，檢驗的周期每年不少于一次［4］。

一般采用小電流法對氧化鋅閥片的電氣性能作檢定，由此而判定氧化鋅閥片性能優劣程度。小電流伏安特性目前均采用智能儀器檢驗。

智能儀器法采用了高電壓升壓技術，與微機技術相結合，對單片、多片（串）或成組（多串）進行高電壓、小電流的伏安特性作多方面檢測，通過檢測數據實現了對氧化鋅閥片電氣性能的智能綜合判定。檢測項目包括：①壓敏電壓U、0.75U、0.5U；②泄漏電流Ⅰ 0.5U、Ⅰ 0.75U數值；③繪制V—A特性曲線圖。

具體檢測方法是將儀器的直流輸出正、負極兩根線連接在待檢的氧化鋅閥片組上。啟動儀器就可以全自動的對氧化鋅閥片進行高電壓、小電流V-A特性的數據提取。通過將氧化鋅閥片的電流自動瑣定在1mA和10mA，不會因為長時間、大電流對氧化鋅閥片造成損傷。智能儀器最高輸出電壓可達直流5KV，輸出電流限定在1mA或10mA，電流分辨率可達0.5uA。

氧化鋅非線性電阻雖不可避免的會產生老化現象，但只要注重老化檢測，就可以把氧化鋅非線性電阻應用的風險降到最低。

5 結束語

由于氧化鋅非線性電阻具有很好的非線性伏安特性，為實現快速滅磁創造了條件，但其老化擊穿的問題一直困擾著廣大勵磁工作者。本文通過深入剖析氧化鋅非線性電阻老化形成機理，詳細論述老化可能造成的安全隱患，推薦老化檢測方法，力求讓大家深入了解氧化鋅非線性電阻性能，做到用而無憂。