氧化锌压敏电阻器的工频过电压（TOV）特性

1 引言
由于低压供电系统中频繁出现工频过电压，用于低压供电系统中的氧化锌压敏电阻器，因不能耐受而发生失效甚至起火[4]。所以，对于采用氧化锌压敏电阻器的SPD以及单独使用的氧化锌压敏电阻器的工频过电压特性提出了明确的要求[4][6][8]。
关于如何表征和试验SPD的工频过电压特性是有明确规定的[6][8]，而关于如何表征和试验氧化锌压敏电阻器的方法还没有明确[9][10]。但在SPD选用氧化锌压敏电阻器时和应用氧化锌压敏电阻器时却提出了TOV特性的要求。针对这一情况，行业中提出了很多方法来描述氧化锌压敏电阻器的TOV特性，如TOV安秒值、最大热平衡电压、TOV热脱扣特性等，还不能全面科学地说明氧化锌压敏电阻器的TOV特性，没能达成共识。
本文针对氧化锌压敏电阻器的TOV特性展开讨论，提出表征氧化锌压敏电阻器的TOV特性的方法，论述影响氧化锌压敏电阻器TOV特性的影响因素。

2 氧化锌压敏电阻器TOV特性的表征
氧化锌压敏电阻器的TOV特性，就是在施加TOV的过程中氧化锌压敏电阻器表现出来的特性。在施加TOV的过程中，氧化锌压敏电阻器表现出的特性和可度量的参数有很多，如TOV的幅值、耐受TOV的时间、耐受的最高温升、温升曲线和电流变化等，那么究竞用什么参数来表征产品的TOV特性呢？
2.1 TOV耐受时间特性是氧化锌压敏电阻器TOV特性最恰当的表征
氧化锌压敏电阻器的TOV特性，其实质就是氧化锌压敏电阻器耐受工频过电压的能力。氧化锌压敏电阻器能否在低压系统中耐受工频过电压，关乎到用电系统的安全，所以TOV特性是一个重要的安全特性。如果氧化锌压敏电阻器不能耐受工频过电压，一定会发生短路和击穿失效，从而导致氧化锌压敏电阻器周边过热而着火，甚者引起火灾[4]。只有氧化锌压敏电阻器能够耐受系统中出现的过电压时，氧化锌压敏电阻器才不发生短路失效，用电系统才是安全的。
既然TOV特性是耐受工频过电压的能力，要正确衡量和表征这一特性，就得从工频过电压说起。常见的工频过电压有单相接地过电压、高低压共地耦合转移过电压和失零过电压。工频过电压有两个很重要的参数，就是幅值和持续时间，其幅值要高出正常工作电压，持续时间大于瞬态过电压的μS级，在数百ms至数s之间，甚至更长。
氧化锌压敏电阻器的工频过电压耐受能力，直接针对的是TOV本身，也就是耐受什么样的TOV。这种能力当然是与TOV的幅值与持续时间直接相关，最恰当的度量就是TOV本身的特性。所以，TOV特性的表征应是耐受的TOV幅值与耐受时间，也就是用TOV的幅值与耐受时间相对应的关系来表征和度量。其实，同样作为过电压保护的避雷器，对TOV特性就作出了这样的表征， GB/T 11032-2000 《交流无间隙氧化物避雷器》[5]中所规定，“2.38 工频电压耐受时间特性：在规定条件下，给避雷器施加不同的工频电压，避雷器不损坏，不发生热崩溃时所对应的最大持续时间的关系。”
基于以上叙述， 借助SPD的相关规范[6][8]中对SPD的TOV特性的表征，“TOV耐受时间特性”是最恰当表征和度量氧化锌压敏电阻器的TOV特性的量。具体定义和度量方法如下：
TOV耐受时间特性的定义：在规定条件下，给氧化锌压敏电阻器施加不同的工频过电压，氧化锌压敏电阻器不发生功能丧失时，或发生热击穿前所对应的最大持续时间和工频过电压幅值之间的关系。
在定义中，有两种过电压耐受模式，一种是“不发生功能丧失”的非破坏“耐受模式”，另一种是“发生热击穿”的破坏性“故障模式”。其中“耐受模式”是指经受过电压后，氧化锌压敏电阻器仍然能够维持满足产品设计的功能和性能，或其性能的降低在规定范围内的情况；“故障模式”是指经受过电压后，氧化锌压敏电阻器最终会发生热击穿的情况。两种模式可以由制造商声明。
TOV耐受时间特性的提供，可以是TOV幅值和对应的耐受时间的一组数据，也可以是TOV幅值和耐受时间数据组构成的伏秒曲线。当然，其中的TOV幅值可以用绝对的或相对的表述。
2.2 TOV耐受安秒值不足以表示TOV特性
TOV耐受安秒值是一个基于描述在TOV施加过程中，氧化锌压敏电阻器耐受能量能力的量。肯定地说，提高在TOV其间产品能够耐受的能量，产品的TOV耐受能力就可以提高，但用TOV耐受安秒值表示TOV特性，有它的不足。
首先，氧化锌压敏电阻器在TOV的作用下，实际情况是直接耐受的确定幅值的TOV电压，其过程中不变的是TOV电压，而流过氧化锌压敏电阻器的电流不是TOV的直接特性，对应于同一幅值的TOV电压的电流，因氧化锌压敏电阻器性能的不同而有很大差异，就是相同压敏电压时也不例外。这样，对于TOV电流大的产品来说，耐受同样的时间就需要更大的能量，也就是TOV耐受安秒值，TOV电流小的产品则只需小的TOV耐受安秒值。这种情况下，对于同一幅值的TOV来说，TOV耐受安秒值大却不一定能耐受更长的时间，TOV耐受特性有可能还差。
另外，在同一幅值的TOV电压作用下，即使两个相同规格的甚至是相同压敏电压的氧化锌压敏电阻器，具有相同的TOV耐受安秒值，也就是有同样的TOV耐受能量，但TOV电压施加期间因产品性能差异、电平衡和自热半导体效应，引起流过氧化锌压敏电阻器的电流发生变化，同样的能量消耗会分配出不同的耐受时间。这样，同一TOV幅值下，相同的TOV耐受安秒值，却获得了不同的TOV耐受时间，出现TOV耐受特性的差异。
所以，在给定的TOV电压幅值时，氧化锌压敏电阻器的TOV耐受安秒值，不能完全比较出产品的TOV耐受特性的好坏。
2.3 最大热稳定工频电压表示TOV特性是一个具体的表述
最大热稳定工频电压，是氧化锌压敏电阻器能够在45min之内达到热稳定（10min之内温升小于2K）所容许施加的最大工频电压。这一特性基于氧化锌压敏电阻器在施加TOV电压时热失控的失效机制，提出用不发生热崩溃的前提下可以施加的最大工频电压，来表征产品的TOV耐受特性，是一个很好的作法。它直接给出了可耐受45min而不发生热崩溃时所能耐受的最高TOV幅值，故障模式、TOV幅值和对应的耐受时间都有，给出了TOV耐受特性的一个数据点，是一个直接的表达。提供的是一个故障模式的能力。
当然，这不是氧化锌压敏电阻器TOV耐受特性的全部。
最大热稳定工频电压，作为一个氧化锌压敏电阻器TOV耐受特性的有效表征，操作简单，是研究中很实用的方法。
2.4 氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性支持SPD的TOV特性
氧化锌压敏电阻器是一个简单的元件，而SPD是一个含有或不含有氧化锌压敏电阻器的一个器件，含有氧化锌压敏电阻器的SPD的TOV耐受特性，除了受氧化锌压敏电阻器的影响外，还有其它部件的影响。不含有氧化锌压敏电阻器的SPD的TOV耐受特性，不受氧化锌压敏电阻器的影响。所以在TOV电压施加过程中，氧化锌压敏电阻器和SPD的表现是不一样的，氧化锌压敏电阻器和SPD的TOV耐受特性不能等同，但只要SPD使用氧化锌压敏电阻器，氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性就必须支持SPD的TOV耐受特性。
在IEC 61643-1[8]中，对低压配电系统中使用的SPD的TOV特性的规定，见“7.4高中压系统中的故障过电压试验”和“7.6低压系统中的故障过电压试验”中，均规定了试验中的试验TOV电压幅值和施加时间。这种规定对SPD的TOV耐受特性的描述，也可以说就是“TOV耐受时间特性”，与本文提出的关于表征氧化锌压敏电阻器的TOV耐受特性采用了一样的方法，这就为氧化锌压敏电阻器的TOV特性满足SPD的TOV特性提供了统一的方法。
为了便于SPD设计，除了提供氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性以外，还需要哪些相关数据呢？
对于“耐受模式”[8]，试验期间不是允许产品失效的，只要氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性能满足SPD的要求，则不再需要其它数据支撑SPD的设计。
对于SPD的“故障模式”[8]，涉及到SPD的脱扣动作，除了氧化锌压敏电阻器的TOV耐受时间特性（可以是耐受模式或故障模式）满足SPD的TOV耐受特性要求，如果还需要利用TOV电压施加期间，氧化锌压敏电阻器的温度升高来脱扣，就还需氧化锌压敏电阻器在TOV电压施加过程中温度随时间的升高曲线。