Как и почему происходит выход из строя варисторов, включая влияние многоимпульсных скачков напряжения

Это был 2011 год, и в Китае проводился эксперимент по регистрации воздействия срабатывающей вспышки молнии на воздушной линии электропередачи. Линия была оборудована для регистрации наведенных токов, а приборы были защищены металлооксидным варистором (MOV). Варистор часто называют MOV (металлооксидный варистор). Зарегистрированная вспышка молнии состояла из нескольких обратных ударов, ни один из которых не превышал номинал Imax MOV. Но, к большому удивлению экспериментаторов, MOV был поврежден.

Как такое могло произойти? И что еще более важно, почему Imax не может быть хорошей основой для выбора MOV для молниезащиты и существуют ли альтернативы? Чтобы помочь ответить на эти вопросы, в этой статье мы обсудим, что такое MOV и как способ его изготовления влияет на его поведение при скачках напряжения, как происходят сбои и чем многоимпульсные выбросы отличаются от одиночных по своему влиянию на свойства MOV.

Чтобы понять, что такое отказ, полезно обсудить, как изготавливаются варисторы. В этом отношении следует отметить три вещи.

Во-первых, варисторы представляют собой керамический материал, состоящий в основном из оксида цинка (ZnO). В условиях окружающей среды ZnO кристаллизуется в гексагональную структуру вюрцита, как показано на рисунке 1, где большие шарики представляют собой Zn, а маленькие шарики представляют собой кислород (O). Это сложная структура, которая, если бы она идеально кристаллизовалась, стала бы изолятором. Но поскольку процесс кристаллизации несовершенен, возникающие в результате кислородные вакансии или междоузельные элементы цинка приводят к тому, что эта структура становится широкозонным полупроводником с относительно низким удельным сопротивлением 1–100 Ом-см при комнатной температуре.

Рисунок 1: Структура вюрцита. Большие шарики представляют собой Zn, а шарики поменьше — кислород.

Во-вторых, варистор – это не один однородный кристалл вюрцита, а множество, слившихся в зерна. Чтобы превратить ZnO в варистор, добавляют небольшое количество Bi2O3. Bi2O3 проникает в границы зерен, как показано на рисунке 2. Помимо Bi2O3, для усиления нелинейных свойств можно добавлять MnO; Sb2O3 для контроля роста зерен ZnO и небольшое количество Al2O3 для увеличения проводимости зерен ZnO.

Рисунок 2: Типичная микрофотография структуры варистора.

Bi2O3 между двумя зернами ZnO приводит к образованию обратных диодов Шоттки. По сути, варистор представляет собой последовательно-параллельную компоновку материала n-типа, разделенную обратными диодами Шоттки, имеющими падение напряжения около 2–3 В на зернограничный переход (независимо от размера зерна). Согласно He [1], эту структуру можно электрически охарактеризовать уравнением (1).

(1)

Где V — приложенное напряжение, а I — ток через варистор. Здесь E, A1, A2, Vth и m — константы, связанные с электрическими характеристиками варистора, а α — обычный нелинейный коэффициент варистора. Уравнение (1) полезно для объяснения формы кривой VI варистора. E — энергия возбуждения варистора, K — постоянная Больцмана, A1, A2 и m — константы, связанные с электрическими характеристиками варистора, Vth — пороговое напряжение.

Первый член в уравнении (1) редко включается в VI-описание варистора. Это ток эмиссии Шоттки в слаботочной области варистора. Второй член представляет собой обычный нелинейный ток в области больших токов.

Константы в уравнении (1) контролируются путем изменения состава материала варистора и времени спекания в процессе производства. Пороговое напряжение Vth также зависит от состава и условий спекания. Они контролируют количество границ зерен между двумя электродами. Поскольку Vth пропорционален количеству границ зерен, большее количество границ зерен приводит к более высокому Vth.

В-третьих, эти различия в процессе изготовления варисторов и сопутствующие статистические флуктуации свойств, которые обычно возникают в поликристаллических материалах, приводят к тому, что полученные варисторы имеют неоднородные электрические свойства. Это говорит о том, что: