摘要：雷电具有随机性、局部性、分散性和突发性等特点，大量观测统计数据表明，正地闪明显少于负地闪，地闪持续时间的变化范围在0.01 ~ 2 s，包含3次闪击雷击过程的持续时间中值约为200 ms，包含5次闪击雷击过程的持续时间中值约为260 ms。GB / T 217
引用格式：
张利华，李涵，赵军.多脉冲雷电流下氧化锌压敏电阻损伤机理试验分析[J].建筑电气,2025,44(2):18-23.
研究方法
雷电具有随机性、局部性、分散性和突发性等特点，大量观测统计数据表明，正地闪明显少于负地闪，地闪持续时间的变化范围在0.01 ~ 2 s，包含3次闪击雷击过程的持续时间中值约为200 ms，包含5次闪击雷击过程的持续时间中值约为260 ms。GB / T 21714.1 - 2015 / IEC 62305 - 1:2010《雷电防护 第1部分：总则》给出了雷电流参数，中国建筑学会和中国气象服务协会联合发布的首个一标双号团标T / ASC 6004 - 2022、T / CMSA 0032 - 2022《低压配电系统多脉冲电涌保护器 性能要求和试验方法》给出了典型的多脉冲冲击电流参数，如表1所示。
GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》、GJB 1389A - 2005《系统电磁兼容性要求》、SAE - ARP - 5412B - 2013(R)《Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms》等标准给出了雷击定义和闪电的3种典型雷击波形，雷击是对地闪击中的一次放电，闪电中包含的3种雷击：短时首次雷击、首次之后的短时后续雷击和长时间雷击。地闪电流主要包括先导电流、回击电流、连续电流和后续电流，而地闪电流中脉冲回击电流最强、危害最大。回击电流一般而言是单峰值脉冲电流，回击电流将先导通道中的电荷输送到地面并形成高温、高压和强电磁辐射的闪电通道，连续电流是过程中所形成的持续电流。
现有对建筑物、供电系统、多种类型的不同应用场景的防雷，都是基于单脉冲雷击电流和过电压的防护。相较于单脉冲，多脉冲下雷电放电时的电效应，以及击中物体后的热效应、雷电通道形成后的雷电波注入能量和能量的转移，以及在周围产生的静电感应和电磁感应效应、电动力效应、防雷元器件的使用寿命等方面，存在很大差异。
试验结果与机理分析
限压型电涌保护器以氧化锌压敏电阻为核心元件，广泛应用于雷电防护产品和过电压防护。当电路中出现过电压时，限压型电涌保护器ZnO阀片呈现低阻状态，将过电压限制在一定的电压水平，以保护后端的电气设备免受雷电过电压、操作过电压等电涌电压的损害。ZnO阀片具有良好的伏安特性曲线、能够承受和泄放大量的电涌电流，将雷电流或其他电涌电流快速引入大地，避免电涌电流对设备造成损害。
图1为典型多脉冲冲击电流波形，展开后由10个8 / 20 μs标准雷电流波组成。
图2给出了多脉冲冲击电流下限压型电涌保护器的全波波形图和展开后对应的某一个冲击电流、电涌保护器两端的残压。下面通过3个试验分析多脉冲冲击电流的脉冲数量变化、与冲击电流幅值变化、与氧化锌压敏电阻阀片表面最高温度变化的关系。
试验1
相同脉冲间隔下，在同一组限压型电涌保护器ZnO阀片上施加不同的脉冲数量变化，测量并记录ZnO阀片表面最高温度变化：
a. 测量ZnO阀片的初始静态参数，筛选压敏电压和漏电流相近的试品。
b. 对氧化锌压敏电阻施加多脉冲冲击电流，冲击电流包含的脉冲数量不等，依次施加包含3 ~ 9个脉冲的冲击电流，直至加载到包含了10个脉冲的冲击电流（如图3 ~ 图5所示）。每个脉冲为8 / 20 µs标准电流波，设定相邻两个脉冲之间的时间间隔为典型值60 ms，最后一个击间间隔时间为200 ms。
c. 记录每个脉冲冲击电流幅值、试品两端的残压、试品表面的最高温度和试验波形，试验后30 s内使用红外成像仪获取氧化锌压敏电阻最高温度和表面温度分布的热成像图，对比单脉冲冲击电流下试品的参数,统计（如表2所示）和绘制变化曲线（如图6 ~ 图8所示）。
通过上述试验，可以得出如下结论：① 氧化锌压敏电阻在相同击间间隔下，随着脉冲数量的增加氧化锌压敏电阻表面温度变化显著、温升变化显著。② 在相同冲击电流下，脉冲数量的递增对ZnO阀片的影响显著。GB / T 18802.11 - 2020 / IEC 61643 - 11：2011《低压电涌保护器(SPD) 第11部分：低压电源系统的电涌保护器 性能要求和试验方法》标准中载明没有其他特殊规定下，推荐的试验环境温度是20 ± 15 ℃，热稳定试验的合格判据是不应超过120 K。以10 kA为例，10 kA + 10脉冲，ZnO阀片表面最高温度为95.9 ℃；40 kA + 1脉冲，ZnO阀片表面最高温度为93.5 ℃。相同电流等级下脉冲数量的增加，等效于提高了同一规格ZnO阀片对单脉冲的冲击耐受能力需求。
能量吸收和热效应：由于氧化锌压敏电阻在冲击电流作用下吸收电能并将其转化为热能。ZnO阀片长时间持续受到高能量输入，温度快速升高，内部晶粒结构发生变化、晶界熔融，累积的热能来不及释放，从而影响其电性能。
基于热量平衡的老化机理，压敏电阻在泄放雷电流和抑制瞬态过电压时，其自身要吸收能量，如果注入的能量大于压敏电阻的吸收能力，则会导致热崩溃。
试验2
电涌保护器在多脉冲下的电压保护水平UP（M）不应超过后端被保护设备所能承受的电压耐受水平。试验压敏电阻在不同数量多脉冲、不同冲击电流幅值下电压保护水平UP（M）随着冲击电流幅值不同的变化曲线关系：a. 设定首脉冲冲击电流幅值为10 kA，后续脉冲电流幅值为5 kA，末次脉冲的冲击电流幅值为10 kA，重复试验1，施加不同数量的多脉冲。
b. 类似地，分别设定首脉冲和末次脉冲的冲击电流幅值为20 kA、30 kA、40 kA，继后脉冲冲击电流幅值为10 kA、15 kA、20 kA，重复试验1施加不同数量的多脉冲。
c. 试验过程中观察ZnO阀片的损伤情况，对试验数据汇总分析，得出相同的脉冲间隔、不同的脉冲数量、不同的电流幅值下的关系曲线如图9、图10所示。
通过上述试验，可以得出如下结论：① 氧化锌压敏电阻在冲击电流不大于20 kA下，随着脉冲数量的增加，表面温度变化平缓；在高幅值的冲击电流下，随着脉冲数量的增加，表面温度呈上升趋势且变化显著。随着冲击电流等级的增加，ZnO阀片晶界损伤严重，冲击损坏和热崩溃显著。② 在脉冲数量相同条件下，随着冲击电流的增加，其表面温度变化趋势一致，且表面温度变化显著。分别在1个脉冲和3个脉冲下，氧化锌压敏电阻的耐受冲击性能稳定，冲击损坏概率低，主要受冲击电流的大小影响。从5个脉冲开始，氧化锌压敏电阻表面温度陡升，其冲击电流的损伤呈显性陡升。随着脉冲数量和电流幅值的不断累加，其表面温度陡升的拐点呈现前移。③ 在试验中还可以观测到，在一次完整的多脉冲冲击过程中，示波器上显示的每个脉冲的冲击电流幅值和残压值都是不同的。也就是说，单脉冲和多脉冲下，压敏电阻承受的能量不是绝对的线性关系。
击穿和永久性损坏：ZnO阀片在短时内连续承受多次冲击电流，其损伤多为阀片边缘爆裂和永久性击穿损坏。在工频负载下ZnO阀片在边缘处出现穿孔损坏、进而剧烈燃烧。
在一次冲击过程中，首次脉冲冲击过后，注入的能量要远大于吸收的能量，部分晶粒击穿、局部晶界层发生破坏，压敏电阻吸收能量、温度升高，压敏电阻处于近似绝热状态，毫秒时间内其内部产生的热量来不及扩散，继后脉冲的能量依次注入，在热应力下，结构的非均匀特性最终导致在温度最高点处熔穿炸裂损坏。试验中观察到，损坏最多发生在边缘处。试验结果验证了多脉冲冲击电流加速了压敏电阻的劣化老化进程，击间间隔时间越短，劣化进程越快。试验3
......
结论
a. 雷电、电网电压的波动、操作过电压等因素都会对SPD产生影响，自然界中雷击多脉冲现象更为普遍。在连续的多脉冲冲击电流下，ZnO阀片耐受首次雷电冲击后在尚未完全恢复到常态的工作区间内，继后脉冲短时连续加载到阀片上，阀片性能下降、劣化进程加快、使用寿命降低。
b. 压敏电阻的表面最高温度与脉冲数量是非线性关系，脉冲数量越多，ZnO阀片内部结构的非均匀特性对温度分布变化的影响越大。
c. 多个连续的雷电流冲击下ZnO阀片频繁导通，阀片功率损耗急剧增加，阀片微观晶界结构发生不可逆的劣化和损坏，在一系列物理和化学变化下，出现爆裂、穿孔熔洞。
d. 在多脉冲冲击电流下，压敏电阻本体温度随着多脉冲雷击电流的幅值上升而升高，本体温度随着脉冲数量的增加而急剧升高；击间间隔时间越短，ZnO阀片表面温度升高越迅速，温升变化越快；阀片达到热崩溃后性能急剧下降，直至压敏电阻出现雪崩式爆裂、穿孔损坏。在工频下熔洞起火，进而引发SPD持续性剧烈燃烧。
安装电涌保护器是降低雷击损害的有效防护措施，在多脉冲雷击情况下，做好防护需要从电涌保护器（SPD）的选型、安装以及后续维护等多个方面综合考虑，提高通流容量，优化内部结构，增加过热保护机制，改进提高电涌保护器性能，增加实时状态监测等有效防护措施，对设备提供有效的保护。作者：张利华，女，北京市气象局北京雷电防护装置测试中心，高级工程师。
李 涵，男，武汉大学电气与自动化学院，副教授。
赵 军，男，北京市气象局北京雷电防护装置测试中心，高级工程师。
来源：建筑电气
