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在我的上一期INMR专栏中, 我论述了压敏电阻伏安特性曲线 (VI曲线) 的不同方面以及它们是如何影响避雷器性能的。在本文中, 我想把VI曲线和压敏电阻的微观结构联系起来。早在1979年我开始研究过电压保护时, 我是一个开发氧化锌 (ZnO) 材料高压避雷器项目团队的成员。当时, 尽管低压过电压保护器已经有将近十年的运行经验, 但是对于高压过电压保护则是另一番差别巨大的情景。当时, 只有通用电气公司 (GE) 和几个日本供货商开发出了足够稳定和有效的氧化锌配方。

在项目开发早期, 测试数据表明：正在开发中的ZnO压敏电阻片一个批次的试制品, 其实际动作电压仅是本应该具有的动作电压的一半 (也即, 额定4kV等级电阻片的性能相当于额定2kV等级的效果)。这一批ZnO电阻片的唯一不同是氧化镍, 因为我们的陶瓷专家决定用新的NiO2代替据推测其特性与之前所使用的特性相同的NiO2。然而, 经过调查发现：即便这些新的NiO2的粒径没有变, 但它们的表面积增大。我们也发现在制造ZnO电阻片的烧结过程中, NiO2粒子的表面积对压敏电阻晶粒的生长有显著的影响。熟知电阻片的微观结构从而预测其性能的重要性顷刻间变得显而易见。

在5000倍的放大倍率下, 用扫描电子显微镜观察ZnO电阻片的截面, 能够观察到构成典型压敏电阻主体的微观结构。为更好描述这一微观结构的尺寸, 这一图像只有50µm宽, 即为人类头发横截面的约1/4。一个典型的尺寸为60mm×25mm的电站级压敏电阻片包含约1000亿个这样的微观结构。

大多数压敏电阻科学家赞同：压敏电阻VI曲线有三个特征区域与其微观结构的独特物理性能直接相关。VI曲线的预击穿区与由微观结构尖晶石相组成的迂回路径 (淡蓝色线) 有关。物理上, 这是沿着ZnO晶粒的外围和晶粒之间、随后沿着片与片之间杂乱无章路线的路径。这一粒间层主要由锑、铋和其他微量掺杂物质组成。电阻片的击穿区由微观结构上为ZnO晶界 (绿色线圈) 的非线性电阻特性区域控制。晶界的阻抗能力由穿透它的电压应力决定。

在氧化锌压敏电阻上, 穿过晶界3V的电压应力将导致晶界的阻抗显著降低。只要电压稍微增加, 阻抗就显著降低, 这是压敏电阻电子开关的基本原理。电阻片的物理结构在确定击穿电压中起着举足轻重的作用。如果电阻片上下两端之间有1000个这样的晶界, 那么击穿电压大约是3000V。假设如果厚度相同的电阻片上下两端之间只有500个晶界, 那么它们的动作电压就有1500V (记住上面提到的氧化镍问题)。

VI曲线与电阻片物理特性有关的第三个区域是大电流区域, 它由低阻抗的氧化锌颗粒核芯控制。电阻片的这一部分相对来说对温度不敏感。它几乎也是线性的, 并且不会像电阻片晶界那样随两端所加电压的变化而改变。

以上仅仅是解释电阻片在工作寿命期间其内部工作原理的一个模型。当然, 久而久之, 我们会更好地理解并且精益求精, 使描述更加接近真实。然而, 对于未来避雷器的应用, 仍然有两个区域可以加以改进。

在预击穿区域, 尽管在过去十年里已经有了相当大的进步, 仍需要进一步改善对温度的敏感性, 这就是为什么一些10kA的电阻片直径只有35-38mm, 而另一些的直径却有43mm的原因。对过电压保护产生显著影响的另一个需要改善的方面是降低晶核阻抗, 从而也降低避雷器的钳位电压。同时, 经过冲击后, 电阻片的温度也会更低。继续研发下一代过电压保护还需要避雷器和电阻片的设计人员做很多关于该参数的工作。
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