压敏电阻器：中国的新贡献和产品创新项目

沉痛悼念我国压敏电阻器行业泰斗张南法先生

本文根据张南法先生在第二届中国防雷行业发展与创新高峰论坛（LPIC-2017-10-24～25。深圳）会议发言PPT整理。

张南法：CIE、IEEE高级会员；IEC-SC37B 中国专家组成员；国务院特殊津贴专家。

1、压敏电阻器的“三性”

在讨论中国对压敏电阻技术的两项新贡献，和七个产品创新项目以前，有必要先看一下压敏电阻器的“三性”。

1）应用的广泛性

2）功能的基础性

1. 压敏电阻两大功能-保证在安全范围内。

b.压敏电阻是核心功能件

c.压敏电阻是同类五器件之首

3）技术的综合性

•制造技术

•应用技术

2、中国对压敏电阻技术的两项新贡献

•深化了对ZnO压敏电阻器物理本质的认识

•提出了ZnO压敏电阻器工作寿命的评定技术

流行了五十年的压敏电阻器经典定义：

压敏电阻器是在规定温度和规定电流范围内，电阻值随电压增高而迅速下降的元件（电导值随电压增高而迅速增大的元件）。这一特性可用下面两个公式中的一个来表达:

新提出的定义：

压敏电阻器是在一定温度下，其电阻值(R)随着流过它的电流（I）的增大而迅速减小，且随着电流变化速度（dI/dt）的增大而略有增大。这个特性，在电流的正/反两个方向上是基本对称的，可表示为式（1）或式（1a）。

式中：-方程式常数项；

-方程式一次项系数；

-方程式二次项系数。

从MOV测量得到一对数组[I1,I2,…,In]和[U1,U2,…，Un],然后计算[U1/I1,U2/I2,…,Un/In]对于[I1,I2,…,In]的二次多项式拟合方程，该方程的三个参数就是A0,A1,A2。

在新定义基础上提出的方程组：

用新方程组解决的工程问题的实例：

• 问题1：

企业220V配电柜中SPD安装的是34×34mm,U1mA=620V压敏电阻。实验室一台仪器中安装的是φ10mm,U1mA=560V。若8/20-40KA进入配电柜，仪器中的压敏电阻会坏吗？

• 问题2：

两只34x34mm-621压敏电阻相并联，要求在8/20限制电压1500V～1700V范围内，两者的电流差别不大于2%，应怎样配对？

• 问题3

下图的电路，压敏电阻VR是14D-471,在进行6KV/3KA组合波试验时，电容器C损坏，VR完好，怎样解决？

3、压敏电阻器七个产品创新项目

1）有寿命指标的压敏电阻器

2）免起火热保护压敏电阻器（TPV）

目前广泛使用的有内置脱离机构的SPD,仍然有很小的使用中起火的概率，成为全球SPD和压敏电阻行业关注的主要课题之一，究其原因主要有两个：

•可靠性筛选不充分，或未进行。

•未实施压敏电阻过电流耐受特性和脱离机构脱离特性的配合

“耐受特性”和“脱离特性”的定义：

“耐受特性”和“脱离特性”的配合：

在规定的电流范围内，任一电流（Ix）下的脱离时间tdisx都应小于其中所用压敏电阻的耐受时间tBRx（图4），满足了这个配合要求，就能保证“免起火”。这是保证TPV安全性的基本措施。要说明的一点是，在几十安大电流的情况下，会发生压敏电阻器先击穿短路，然后脱离器动作的情况（图中“P”点以左），但由于两者之间的时间差已经很小，来不及“点燃”，因此仍可实现免起火。

3）多脉冲压敏电阻器

所谓“多脉冲”，是指在一个规定的短时间内，有几个规定波形和峰值的脉冲电流，它们的出现次序和间隔时间也应符合规定。提出多脉冲压敏电阻器的背景：

1. 中国海事安全局和中国联通海南分公司的SPD现场使用报告证实了北京防雷试验中心的试验结果。
2. 2011年，在北京防雷试验中心,对全球11家知名企业的SPD产品，用8/20脉冲进行多次冲击，比较的结果是;按冗余原则设计的压敏电阻型SPD的承受能力，优于间隙型。
3. 国际大电网会议技术报告TB-549:2013《工程应用中的雷电流参数》指出自然界实际的雷电放电，一次放电中大多包含多重脉冲，工程应用中的模拟雷电流参数应当体现这一点。
4. IEC61305-1,D.6.1 节说对于间隙型SPD“雷电流的所有适用参数都可以通过施加单次电应力来体现”
5. 依据上述指导原则，IEC61643-11定义了I类脉冲试验，典型波形是10/350，用于试验安装在雷电流未受严重衰减部位的SPD.

在上述原则和标准的引导下，以前，我国防雷行业流行着这样的论点：多级SPD保护系统的第1级，采用按一次I类脉冲试验标定的放电间隙型，实际上排除了压敏电阻型SPD在防护雷电直接效应场合的应用。

依据上述背景信息，目前的认识是：

1. 防护雷电直接效应的SPD是一个很重要的品种，现在全球还没有比较成熟的产品，开发这个品种是SPD行业面临的紧迫课题。
2. 防护雷电直接效应的SPD的测试脉冲，不应是单次高峰值脉冲电流，而应当用多重脉冲。ITU/T和IEC-SC/37B专家Mick,Maytum提出的方案是：

• 首次冲击-波形5.5/75,峰值30KA,电荷量5.2C
• 后续冲击-波形1.1/32,峰值12KA,电荷量1.4C,次数5次，间隔时间60ms.
• 连续电流：200A,15ms,0.3C,6次。
• 压敏电阻型和间隙型两种器件相比，前者比后者相应速度快10倍以上，尖峰小，多只并联配对可得到极大的通流量，更适合于防护雷电直接效应。

4）低残压压敏电阻器

1、低残压的意义

•提高工作稳定性和可靠性，延长工作寿命。

•降低被保护电路和元器件的耐电压等级，从而降低成本，减小体积，进一步小型化。

•提高压敏电阻器的电压梯度。例如某企业的34-621方片，电压梯度从150V/mm提高到220V/mm,5KA的残压比约降6%，20KA约降12%，但30KA也是12%。但要注意，提高电压梯度能降残压，但脉冲电流耐受能力也下降。

•压敏电阻与GDT，TSS组成的组合件。

5)“压敏电阻+”复合组件

“压敏电阻+”复合组件，是指压敏电阻器与其他浪涌抑制元器件（GDT、ABD、TSS、SIT）,或不同特性的另一种压敏电阻器构成的组合件，它们具有单只器件所没有的有用特性。图6是几个例子

•图6a) 压敏电阻+气体放电管的并联组件

•图6b) 压敏电阻+气体放电管的串联组件

•图6c) 压敏电阻控制晶闸管触发电压的复合组件

•图6d) 低α压敏电阻VR1与高α压敏电阻VR2串联，提高TOV耐受能力，在脉冲大电流时，气体放电管将VR1旁路，避免了VR1的残压。

6)高温压敏电阻器

电子信息技术设备的小型化和微型化，使得单位体积空间的功率密度，因而工作温度，越来越高，现行的最高工作温度85℃的压敏电阻器已不能满足使用要求，开发更高工作温度产品的任务日趋紧迫。

7)特种应用压敏电阻器

不是用于浪涌抑制目的，而是用于其他目的的压敏电阻器，例如：

•图7a）用于均压的压敏电阻器，保证串联二极管反向电压的一致。

•图7b) 用作直流电平移位的压敏电阻器

•图7C) 用于检测电源PS电压波动的压敏电阻器VR

•图7d) 输电线（L-N）的操作过电压和雷电过电压检测电路,VR-压敏电阻器，CW-电流测量线圈，T_0-环境温度传感器，T_V-压敏电阻表面温度传感器，测量流过压敏电阻器的电流，依据压敏电阻器的伏安特性方程和压敏电阻体的温升，便可推算出压敏电阻两端的电压。

4、结束语

四十年前，铁道部、华中工学院、795厂三方ZnO压敏电阻器会战的成果—我国首批工业生产的ZnO压敏电阻器，成功地解决了南京长江大桥铁路移频自动闭塞行车系统的防雷安全问题，这个项目，795厂荣获1978年全国科学大会奖，也开创了中国ZnO压敏电阻工业的历史。

2000年,我国压敏电阻器行业提出了成为全球压敏生产大国的目标,次年又吹响了向全球压敏电阻技术强国的进军号。2013年以来，经过4年的努力，我们已经在三个压敏电阻国际标准机构中，实际上起到了技术主导作用。

但是，我们必须清醒地看到，我国浪涌抑制元器件行业“散、小、弱”的状况，并未得到根本改变。现在，中国军力快速增强，大量军用装备送到解放军的手中，里面都有防雷保护元器件啊！我们能保证我们的子弟兵，不会因为防雷保护元器件失效而流血吗？现在的中国是世界最大的装备制造国家，这些装备里面都有浪涌抑制元器件，我们行业，能跟上国家的步伐，不拖后腿吗？

国家最近出台了一系列政策措施，如：造就一流企业家，军民融合发展，质量强国，鼓励创新，等等。我们行业的精英们要珍惜机遇，站位高远，苦心谋划，踏实做事，一步一步走向辉煌。

来源 | 【CN防雷】