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[摘 要] 本文介绍了ZnO电涌避雷器的各种故障机理的基本看法，概要介绍了新型电涌避雷器的基本情况。
[关键词] ZnO电涌保护器 电阻阀片 阈电场 漏泄电流 电极边缘熔融击穿 吸收电能量
1、概 述
氧化锌材料广泛用低压电涌保护器。因为它在低电场情况下具有较高的非线性电压的导通（电）和特别低的漏泄电流的性能，所以，氧化锌材料很适用于电涌保护器。
避雷器电阻阀片（arrester element）主要是导通各个ZnO颗粒之间的毫微米（μm）厚的边界层的非线性特性，这种特性形成了半导体结。
有几种故障机理导致易脆坏的ZnO避雷器电阻阀片劣化失效，该故障机理还包括有：电热的不稳定性以及热应力的感应机械脆裂。在电极边缘处形成的击穿导电通路是在有大电流时的一个最普通的故障机理。这个故障形式具有从电极边缘熔融和击穿到逆电极（counter electrode）或者到圆盘（clisk）边缘上。这个故障机理限制了ZnO避雷器电阻阀片的吸收电能的能力。
2、对ZnO材料的理解
当设计一个ZnO电涌保护器时，就考虑以下几个关键性ZnO参数：
（1）能导通电流的阈（临界）电场（通常是能通过避雷器电阻阀片的1mA电流所需要的电场强度）。
（2）能吸收电能的能力。
（3）低电场（或电压）的漏泄电流随温度而变化（即，呈一个函数的变化关系）。
上述三个性质都是重要的，对设计ZnO电涌保护器从这三方面来考虑。
能导通电流的阈电场决定该阈电压（用于开始使避雷器电阻阀片导通电流）所需要的ZnO材料的厚度，因此，决定为某个应用的ZnO材料的厚度。如果能提高阈电压，就能降低电涌保护器的尺寸大小和ZnO的体积，因此，能降低电涌保护器的成本费用。然而，每单位量ZnO材料的厚度所增加的阈电压降的含意是该单位体积的ZnO材料所增加的电能耗散量。因此，如果一个ZnO电涌保护器设计中增加了电场的阈电压值，同时也必须增加电能的吸收量。另外，ZnO电阻阀片的半径必须增加到某个值才能保证电阻阀片的体积为一个恒定值。
当ZnO电阻阀片导通有电流时，该电阻阀片上产生一个电压降，该电压降是电能损耗量。ZnO材料的热导率是足够低的，因此，在发生一次典型的电涌电流时，可能就会忽视热耗散这个问题。所以，在发生有电涌电流期间（或者在发生有电涌电流这后，仍是正常工作电压期间，但电阻阀处温度升高期间），电阻阀片必须能吸收该电压降所消耗的电能量。
到达某个温度之后，ZnO材料的热导率的变化与温度的变化无关。但是，温度高于550℃之后，如果温度再升高，这时，ZnO的导热率也会再增加。如果圆盘上任一点的温度高于550℃时，这可能导致热量会散失掉。因为，该电涌电流会从电极的边缘处向其周围扩散掉，这个电极的边缘区，在任何一次发生电涌电流时，势必是最热的区域了，在这个区域内通常能观察到熔融击穿的现象。
漏泄电流（它是温度的函数）也是一个重要参数，因为，在发生一次电涌电流之后，ZnO电阻阀片就具有非常高的温度。在发生一次电涌电流之后，ZnO圆盘也是非常热的，已增加的漏泄电流在通过ZnO圆盘时（在正常工作电压下）可能使圆盘是非常热的，而不是更冷，这就使圆盘的热量散失掉。
因此，对于某个给定应用的电涌保护器所需要的ZnO材料的容积量是由在发生电涌电流期间ZnO吸收电能的能力以及在电涌电流发生后该电阻阀片的最大容许温度所决定的。
日本××公司是改进它们的ZnO电涌保护器的工艺技术来增加电阻阀片吸收电能的能力，就能有效使用它们的具有高电压梯度的电阻阀片。这就需要认识和理解该电阻阀片在电流电涌条件下的电能—热量的工况特性。
作者本人通过因特网与日本××大学的研究人员共同工作之后，日本、加拿大和美国的研究人员已具有很多的改进和理解，对电阻阀片的性能已改进了很多。
3、 阻阀片的失效问题
如果一个ZnO电阻阀片不能吸收在发生电涌电流期间产生的热量，通常就有下列任一项失效情况：
（1）大多数ZnO电阻阀片是由于有过量的热感应机械应力产生的断裂。
（2）在电极边缘处的熔融击穿。
在圆盘体中的过量的热感应机械应力能导致在ZnO电阻阀片内的半径范围内产生断裂，在电极的附近点也产生断裂。在阀片中心点的附近一个距离处的断裂说明整个电阻阀片的ZnO材料的电气性能在其径向方向是不均匀的。ZnO电阻阀片的ZnO材料中每个良好的颗粒边界层的电压降为3.5V。因此，使电阻阀片导通电流的阀电场是具有良好颗粒边界层的数量的函数，通过每个良好颗粒边界层的电流必须在各个电极之间流过，该电流随着良好颗粒边界层的分数值和ZnO颗粒粒径大小而不一样。
由于在点火（起始放电）期间，有不相同热条件以及在生产制造电涌保护器期间，点火前有各种不同的ZnO材料的压实度，在一个电阻阀片内的这些参数呈径向变化。如果使电阻阀片导通电流的电场阈值在这个较高的非线性ZnO材料中只有很小的变化，圆盘中的某个区内比另一个区内可能有比较高的电流密度（在发生电涌电流期间），该电流密度对ZnO材料有一个非均匀性的温度和机械应力的影响。
4、电极边缘的熔融击穿
当一个ZnO电阻阀片通过过量的吸收电能，在电极边缘上的熔融击穿都是最普通的电阻阀片的失效模式。当高于550℃时，ZnO电阻阀片上有更多的导热量。因此，在电阻阀片中的任何位置的温度升高到550℃以上时，在该位置的电流密度也要增加，可能导致ZnO材料的热量散失。这个发生的电涌电流导致沿电极边缘的熔融击穿。在生产制造电涌保护器期间，一个边限处于电极的边缘与ZnO非线性材料的边缘之间，该边限容许电涌电流从电极的边缘扩散流出后再流入ZnO非线性材料中，使得在电极边缘上的电流密度大于在电阻阀片上其他位置的电流密度。
所以，为了将电极边缘的熔融击穿减少到最小程度：
（1）电极边缘的边限（电极与圆盘边缘的距离）应是最小程度，还要考虑其他限制。
（2）电极边缘的机械加工尽可能呈平滑边缘。
（3）ZnO非线性材料中的空隙率应是最少的。
某些边缘边限需要防止金属喷溅不要溅到电阻阀片的边缘上，从闪络跳火电压来看，需要保持一个合适的边缘表面。
5、最佳设计
许多研究人员利用上述信息资料，设计和制造了新型ZnO电涌保护器。他们改进了圆盘的ZnO颗粒的均匀度是要减少应力—感应故障，还要使电极的拓朴布置的最佳化，使得电极边缘发生熔融击穿时要增加电极的吸收电能量。
当用18个（shot）矩形电流脉冲进行试验时，新型电涌保护器的性能是很好的。图中数据表明，新型圆盘带有可控边缘的边限，就改进了圆盘边缘的平滑度，改进了ZnO材料中的颗粒均匀度，比原有的圆盘提高了50％的吸收电能量。
通过在单个ZnO电阻阀片设计中采用的上述改进，一个金属密闭式高压电涌保护器中设计有单层（stack）的ZnO电阻阀片（不是三层）。
一般通用的电涌保护器，电阻阀片连接成一个综合模式（complex pattern）。这类设计将许多惯用的（比较低的电压梯度）电阻阀片组装在一个合理的空间中，但要保持一个比较低的电感量，该电阻阀片能在保护器外面进行分极复联接（grading）。
然而，电涌保护器的惯用结构是复杂的，采用了许多部件，包括了外部分极复联结构，为了实现在外面进行的外部纵向分级复联。
具有高电压梯度和高电能吸收的电阻阀片的新型电涌保护器是比较短的，简单的，为一个单柱式（single column），在单柱（column）顶部有一个非常简单的电场分级复联结构。这个新型电涌保护器的部件数量减少了50％，其体积和重量也减少了40％。有明显的经济含义。图1 ZnO电阻阀片的故障率（18个矩形电流脉冲中每个脉冲的吸收电能量）。新型高电压梯度电阻阀片有边缘边限控制，增加50％吸收电能能力
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