基于极性反转测试的氧化锌压敏电阻长期稳定性评估方法

1.本发明属于电力设备电气绝缘检测领域，具体涉及基于极性反转测试的氧化锌压敏电阻长期稳定性评估方法。


背景技术：

2.氧化锌压敏陶瓷(zno varistor ceramic)具有优异的非线性电压-电流特性，常被用于电力系统与电气设备的过电压保护，是金属氧化物避雷器(metal oxide arrest，moa)的核心材料。氧化锌压敏电阻的非线性起源于其晶界处的双肖特基势垒，一般而言，当双肖特基势垒长时间承受电压时，会发生势垒高度的退化，进而使其非线性劣化，过电压保护能力下降，对电力系统的稳定运行带来很大隐患。因此，氧化锌压敏电阻的长期稳定性一直是其最受关注的性质之一。
3.通常对氧化锌压敏电阻进行长期稳定性测试时，老化功耗(直流老化条件下即泄漏电流)是对老化状态最直观的评价标准。当老化功耗随老化测试进行而持续上升时，认为该产品是不稳定的；当老化功耗随老化测试进行而持续下降时，认为该产品是稳定的；此外还存在有老化功耗在老化初期先下降一段时间后转为持续上升的测试结果，一般认为该产品处于上述两者的中间状态，称为介稳。
4.然而，老化功耗是一个十分表面的特征量，受老化温度、老化电压影响很大。在对一些稳定的氧化锌压敏电阻的老化测试中，发现在更低的直流老化电压下表现出一个上升的功耗；在对一些不稳定的氧化锌压敏电阻的老化测试中，发现在一些复杂波形的老化条件下反而出现了功耗的下降。这些矛盾的老化现象代表着仅仅使用老化功耗作为氧化锌压敏电阻稳定性的判据是不足的，迫切需要一个更精准快速的评估方法。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于极性反转测试的氧化锌压敏电阻长期稳定性评估方法，以解决目前仅使用老化功耗作为氧化锌压敏电阻稳定性的判据时不准确的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
7.本发明提供一种基于极性反转测试的氧化锌压敏电阻长期稳定性评估方法，其特征在于，包括：
8.步骤1：量取试样的试样厚度与电极面积；
9.步骤2：将试样加热到老化温度；保持温度不变，设定试样一端为高压端，根据步骤1中测得的试样厚度及试样电极面积，设置阶梯电压及阈值电流，分别测试试样的正向伏安特性曲线和反向伏安特性曲线，获得试样未老化状态的伏安特性曲线；
10.步骤3：从试样的高压端，施加持续的0.1～0.9倍的压敏电压为老化电压进行老化测试；
11.步骤4：在老化测试的不同时间点，停止施加老化电压，1min内从高压端施加步骤2
设置的阶梯电压，测试试样正向伏安特性曲线；随后进行极性反转，从原地电极施加阶梯电压，测试极性反转后的反向伏安特性曲线；
12.步骤5：从步骤4获得的不同时间点极性反转前后的伏安特性曲线中读取0.1～0.9倍压敏电压下的泄漏电流i
l
，比较老化完成后与未老化状态的泄漏电流i
lend
与i
l0
，评估试样的长期稳定性。
13.进一步的，步骤1中所述的试样为氧化锌压敏电阻。
14.进一步的，步骤2中所述的老化温度为范围为80～150℃。
15.进一步的，根据步骤1中测得的试样厚度，以0.5v/mm设置步骤2中的阶梯电压，根据步骤1测得的试样电极面积，以电流密度达到1ma/cm2设置步骤2中的阈值电流。
16.进一步的，步骤3中所述的压敏电压为未老化状态下电流密度为1ma/cm2时的电压。
17.进一步的，步骤4中所述的老化的不同时间点的选取测试时间点为每隔24h～72h测试一次。
18.进一步的，步骤4中所述的正向指测试电压极性与老化电压相同，反向指测试电压极性与老化电压相反。
19.进一步的，步骤5中所述的老化完成后是指老化350h～500h后。
20.进一步的，步骤5中所述的i
l0
是指未老化状态下，从测试所得伏安特性曲线中获得的0.1～0.9倍压敏电压下泄漏电流；i
lend
是指老化完成后，从测试所得伏安特性曲线中获得的0.1～0.9倍压敏电压下泄漏电流。
21.进一步的，步骤5中所述的评估试样的长期稳定性方法为：若正向i
lend
大于2倍i
l0
以上，认为该试样不稳定，否则用反向泄漏电流判断；利用反向泄漏电流评估的条件有两种：
22.第一种：若反向i
lend
大于10倍的i
l0
，认为该试样长期稳定性很差；i
lend
大于5倍i
l0
但小于10倍i
l0
，认为该试样长期稳定性较好；i
lend
小于5倍i
l0
，认为该试样长期稳定性很好；
23.第二种：根据不同老化时间t所得的反向i
l
与的线性关系，做线性拟合，若拟合直线斜率大于1，认为该试样长期稳定性很差；若拟合直线斜率大于0.1但小于1，认为该试样长期稳定性较好；若拟合直线斜率小于0.1，认为该试样长期稳定性很好。
24.本发明至少具有以下有益效果：
25.1、本发明通过比较直流老化实验中不同时间点测试极性反转后的伏安特性，利用直流老化测试中，氧化锌压敏电阻反向伏安特性的劣化更显著且变化趋势在不同试样种类中高度一致性的特点，通过比较老化完成后与未老化状态泄漏电流的变化，有效避免了直接通过老化功耗评估氧化锌压敏陶瓷长期稳定性受到的诸多限制，更为精准且不失方便快捷地获得氧化锌压敏电阻产品长期稳定性的评估结果。
26.2、本发明利用在直流老化测试过程中，氧化锌压敏电阻极性反转后的伏安特性劣化相比正向变化更为显著的特点，发现对于稳定性不同的试样，老化过程中反向泄漏电流均持续增大，但不稳定试样的增大幅度要远远高于稳定试样。该方法首次创新地使用极性反转后的泄漏电流作为评估氧化锌压敏电阻长期稳定性的参数，避免了老化功耗评估方法的诸多局限，可以精准评估氧化锌压敏电阻的长期稳定性。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为稳定的氧化锌压敏电阻在不同电压下的老化功耗变化曲线；
29.图2为不稳定的氧化锌压敏电阻在12脉动电压波形下的老化功耗变化曲线；
30.图3为不稳定的氧化锌压敏电阻在12脉动电压波形下的j-e变化曲线；
31.图4为本发明实施例中稳定与不稳定的氧化锌压敏电阻在老化测试过程中反向泄漏电流的变化曲线。
具体实施方式
32.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
34.本发明提供一种基于极性反转测试的氧化锌压敏电阻长期稳定性评估方法，包括：
35.步骤1：量取氧化锌压敏电阻试样的试样厚度与电极面积；
36.步骤2：将氧化锌压敏电阻加热到老化温度，老化温度范围为80～150℃；保持温度不变，设定氧化锌压敏电阻一端为高压端，根据步骤1中测得的试样厚度，以0.5v/mm设置阶梯电压，根据步骤1测得的试样电极面积，以电流密度达到1ma/cm2设置阈值电流，分别测试试样的正向伏安特性曲线和反向伏安特性曲线，获得试样未老化状态的伏安特性曲线；
37.步骤3：从试样的高压端，施加持续的0.1～0.9倍的压敏电压为老化电压进行老化测试，压敏电压为未老化状态下电流密度为1ma/cm2时的电压，老化测试过程中保证施加电压稳定不变；
38.步骤4：在老化测试的不同时间点，停止施加老化电压，1min内从高压端施加测试阶梯电压，测试试样正向伏安特性曲线；随后进行极性反转，从原地电极施加阶梯电压，测试极性反转后的反向伏安特性曲线；老化的不同时间点的选取测试时间点为每隔24h～72h测试一次；正向指测试电压极性与老化电压相同，反向指测试电压极性与老化电压相反；
39.步骤5：从步骤4获得的不同时间点极性反转前后的伏安特性曲线中读取0.1～0.9倍压敏电压下的泄漏电流i
l
，比较老化完成后与未老化状态的泄漏电流i
lend
与i
l0
，评估氧化锌压敏电阻的长期稳定性。
40.老化完成后是指老化350h～500h后。
41.i
l0
是指未老化状态下，从测试所得伏安特性曲线中获得的0.1～0.9倍压敏电压下泄漏电流；i
lend
是指老化完成后，从测试所得伏安特性曲线中获得的0.1～0.9倍压敏电压下泄漏电流。
42.评估氧化锌压敏电阻的长期稳定性方法为：若正向i
lend
大于2倍i
l0
以上，认为该氧化锌压敏电阻不稳定，否则用反向泄漏电流判断。利用反向泄漏电流评估的条件有两种，可
视情况决定：第一种：若反向i
lend
大于10倍的i
l0
，认为该氧化锌压敏电阻长期稳定性很差；i
lend
大于5倍i
l0
但小于10倍i
l0
，认为该氧化锌压敏电阻长期稳定性较好；i
lend
小于5倍i
l0
，认为该氧化锌压敏电阻长期稳定性很好；第二种：根据不同老化时间t所得的反向i
l
与的线性关系，做线性拟合，若拟合直线斜率大于1，认为该氧化锌压敏电阻长期稳定性很差；若拟合直线斜率大于0.1但小于1，认为该氧化锌压敏电阻长期稳定性较好；若拟合直线斜率小于0.1，认为该氧化锌压敏电阻长期稳定性很好。
43.对于稳定与不稳定的氧化锌压敏电阻，极性反转后伏安特性变化差异极大，表现为不稳定的压敏电阻在老化过程中，反向泄漏电流持续快速增大，而稳定试样的反向泄漏电流变化不大。
44.实施例1
45.对稳定的氧化锌压敏电阻片进行不同老化电压下的直流老化实验。将三个试样置于120℃环境中，测试其初始伏安特性并读取压敏电压。分别施加恒定的0.3倍压敏电压、0.8倍压敏电压与0.9倍压敏电压为老化电压，持续记录老化功耗，结果如图1所示。0.8倍压敏电压与0.9倍压敏电压在老化的几百小时内稳定下降，而0.3倍压敏电压下的老化功耗在老化1100h后依然稳定上升。显然更低的老化电压不会破坏氧化锌压敏电阻片的稳定性，说明直接使用老化功耗作为判据可能会使得稳定的氧化锌压敏电阻片被误判为不稳定。
46.实施例2
47.对不稳定的氧化锌压敏电阻片进行12脉动波形下的老化实验。将试样置于135℃环境中，测试其初始伏安特性并读取压敏电压。施加持续的直流分量为0.82倍压敏电压的12脉动电压波形为老化电压，老化过程中持续监测其功耗变化，结果如图2所示。当老化311h后停止，测试其极性反转前后的伏安特性，随后将试样保持在老化温度下进行高温恢复，恢复309h后测试其极性反转前后的伏安特性，结果如图3所示。
48.由图2可知，对该氧化锌压敏电阻片进行12脉动波形老化时，老化功耗是稳定下降的，但通过图3可以发现，该试样的非线性特性劣化严重且不可恢复，并不属于稳定的氧化锌压敏电阻片。因此直接使用老化功耗作为判据也可能会使得不稳定的氧化锌压敏电阻片被误判为稳定，给电力系统与电力设备的稳定运行带来安全隐患。
49.实施例3
50.分别对一种稳定的与不稳定的氧化锌压敏电阻片进行直流老化实验，将试样置于120℃环境中，测试其初始伏安特性并读取压敏电压。施加持续的0.8倍压敏电压为老化电压，对氧化锌压敏电阻试样进行加速老化测试。在老化过程中，每隔一定时间暂停老化电压，测试其极性反转前后的伏安特性，老化达到一定时间后，结束老化。从极性反转后的伏安特性中读取0.8倍压敏电压下的反向泄漏电流变化，比较其随老化时间变化规律。
51.从图4中可以看出，对于稳定与不稳定的氧化锌压敏电阻，极性反转后的泄漏电流变化差异及其明显，不稳定的氧化锌压敏电阻在整个测试电压范围内，反向泄漏电流持续增大，大幅超过初始值，而稳定的氧化锌压敏陶瓷即使极性反转后，伏安特性变化幅度依然很小，泄漏电流虽然有所增大，但不超过未老化时初始值的2倍。故使用本方法，可以避免直接通过老化功耗评估氧化锌压敏陶瓷长期稳定性的多种限制，可更为精准且不失方便快捷的获得氧化锌压敏电阻产品长期稳定性的评估结果。
52.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。