基于多物理场耦合有限元法对SPD用阀片温度场分布及热损毁的研究

郭方方，曾绪辉，吴 辉，王成勇，戴 程

（1．合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2．广东明家科技股份有限公司，广东 东莞523000）

基于多物理场耦合有限元法对SPD用阀片温度场分布及热损毁的研究

郭方方1，曾绪辉2，吴 辉2，王成勇1，戴 程1

（1．合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2．广东明家科技股份有限公司，广东 东莞523000）

基于传热学理论，运用多物理场耦合有限元分析方法研究了防雷浪涌保护器工作时的温度场分布特点。重点分析了防雷核心器件金属氧化物压敏电阻阀片正常工作时的温升及与环境之间的热平衡，探讨了压敏电阻在使用过程中劣化后的温升和漏电流的变化，获得了防雷浪涌保护器脱扣机构未动作时压敏电阻阀片的温升情况，并通过热稳定实验对浪涌保护器的温度进行测定，对防雷核心器件热损毁进行了观察分析，研究结果对于压敏电阻阀片温升保护策略制定提供了参考。

金属氧化物压敏电阻；电流热效应；热传导；有限元法；温度分布

0 引言

金属氧化物压敏电阻（metal oxide varistors，MOV）是浪涌保护器（surge protective device，SPD）的核心元件，在电路中与被保护电器设备或元器件并联，将过电压限制在较低的水平以达到保护目的[1]。由于在电路的过电压防护中，MOV在稳态工作电压下，要长期承受雷电过电压、操作过电压等的不断冲击，会导致MOV性能随时间劣化[2]。劣化后的MOV漏电流逐渐增大，产生的热量逐渐累积，严重时引起SPD闪弧起火[3－4]，成为火灾的火源。因此，MOV的劣化问题在SPD的应用中需引起重视。目前，常采用电学静态参数（压敏电压U1mA和漏电流IL）来判定MOV的劣化程度，但对MOV劣化过程中的热特性，包括其温度场分布和温升情况关注不多[5]，研究不充分。

相关文献中对MOV的热特性研究大多是基于特定型号的单项性能检测分析，利用多场耦合有限元法研究MOV相关性能的文献并不常见。

荆久长等人提出MOV阀片的漏电流与其化工材料的电导率大小有关，电导率高的阀片漏电流也相应增加，但未涉及漏电流和温度与电导率的变化关系[6]。吴维韩等人用传热学理论并采用有限元方法来求解氧化锌限压器的温度场，分析其整体热性能[7]，但是未涉及长久服役MOV劣化问题。唐宗华等人利用有限元方法对暂态过程中MOV的能量吸收能力和热特性进行研究，得出了MOV阀片的温度分布特性，为MOV温升保护策略提供了工程参考[8]，但是该研究未讨论MOV热损毁和热失效问题。Daniel Qi Tan等人开发出高击穿电压下具有低漏电流的氧化物压敏电阻阀片的新配方和新工艺，为高电压浪涌保护开拓了新的应用领域[9]。C De Salles等人分析了长期浪涌作用下MOV的老化问题，研究不同压敏电阻温度时MOV的老化过程，获得了温度和电流幅值等与MOV老化过程的关系[10]。

笔者采用多物理场耦合有限元分析技术，基于传热学理论分析SPD服役过程中的温度特性，重点关注MOV阀片的温度分布，并获得了MOV热损毁时的温升情况，且结合热稳定实验验证了有限元分析的可靠性。

1 MOV阀片有限元模型分析

图1所示为本研究设计的MOV阀片在SPD中的装配示意图，其中MOV单元阀片为方片形氧化锌（ZnO）压敏阀片，主体尺寸为 34 mm×34 mm×4 mm，铜导电环厚度为1 mm。

图1 MOV阀片在SPD结构中的装配示意图Fig.1 Assembly diagramof MOV valve in the structure of SPD

在MOV的热特性研究中，温升计算和温度场分布特性涉及电与热的耦合分析，笔者采用多物理场有限元系统中的电流模块与传热模块耦合分析MOV的温度特性。为简化MOV温度场的求解，本研究作如下基本假设[11]：

1）MOV氧化锌阀片和金属导电环的热物性参数受温度的影响很小，设为常数；

2）只考虑MOV与外界环境之间的对流换热，忽略辐射换热过程，综合考虑MOV工作时的换热条件，对流换热系数设为 5W/（m2·K）；

3）MOV氧化锌阀片和铜导电环之间接触良好，接触热阻设为0；

4）正常服役过程中，MOV氧化锌阀片的电导率很小，一般为 10－6～10－4S/m（20℃），其电阻损耗远远高于金属导电环的电阻损耗，因此，求解中仅将MOV阀片作为等效热源处理。

根据传热学理论，MOV阀片在三维直角坐标系下瞬态温度场的热传导方程可表示为[6－7]

式中：λx、λy、λz为 x、y、z方向的导热系数；T 为物体的瞬时温度；qv为内热源密度，此处为MOV阀片电功率损耗密度；c为材料的定压比热；ρ为材料密度；t为热传导过程的时间；λw为物体表面导热系数；n为边界面法向量；h为对流换热系数；Tf为外界环境温度。

MOV热、电耦合模型基本参数见表1[12]。

表1 MOV模型相关技术参数Table 1 Correlational technology parameters of MOV model

研究设计的SPD用MOV阀片有限元模型建立过程如下：首先在有限元软件中建立MOV在SPD中的装配模型（图1），然后按照表1中的数据为SPD各部分结构定义材料参数，并将MOV的工作条件作为载荷输入有限元模型中，对模型进行网格划分后即可进入模型的计算分析。

2 计算结果及分析

2.1 MOV正常工作时的温度场分析

该SPD的稳态工作电压为385V，MOV未劣化时，流经MOV阀片的漏电流（包括容性电流和阻性电流）很小，因此由阻性电流产生的热量也很小，正常情况下，MOV本身的生热量和散热量基本保持平衡，MOV本体相对于环境温升不大。但由于其在SPD中的装配并不完全对称，MOV阀片本身具有一定的温度差，正常工作时SPD整体温度分布如图2所示。

图2 SPD正常工作时温度场Fig.2 Temperature field when SPD works normally

由图2可以看出，SPD正常工作时，其整体相对于环境温度（293.15 K）仅升高了2 K，此时阻性漏电流约为30μA，SPD可持续稳定工作，不会发生热损坏。此外，MOV阀片中间部分的温度稍高于侧面温度，这是由于侧面的热量较易散失到外界环境。在MOV引脚处，因MOV产生的热量传递到铜引脚上，MOV引脚附近的温度较其他区域温度稍低，因此，在SPD设计时，需结合MOV阀片的温度场分布情况合理设计MOV引脚位置。

2.2 MOV劣化时的温度变化

MOV在雷电过电压、暂态过电压的不断冲击下会逐渐发生劣化，漏电流增大，MOV阀片温升增大，且其本身温度场均匀性降低。本节利用有限元方法，仿真在MOV老化过程中，最高温度及漏电流与ZnO阀片电导率的变化曲线，结果如图3所示。

由图3可以看出，在 10－6～10－5S/m 的电导率范围内，MOV阀片的漏电流与最高温度均随电导率的增加近似呈线性增加趋势。MOV在稳态工作电压下，长期承受各种类型过电压的不断冲击，MOV频繁动作以抑制过电压幅值，泄放浪涌能量来保护电气设备及元件，这势必导致MOV性能的劣化，MOV功耗产热增加，阀片的升温发热大于阀片对环境之间的散热，使MOV阀片温度逐渐升高。

图3 漏电流及温度与ZnO阀片电导率的变化曲线Fig.3 Curve ofleakage current and temperature withthe conductivity change of ZnO valve slice

陶瓷材料的电阻率随温度的升高而下降，即其电导率随温度的升高而增大，这使得流经MOV阀片的漏电流进一步增大，MOV产热增加，进而加速MOV阀片的劣化，严重时发生MOV热崩溃而永久破坏[13]。

由图3可得，MOV的温度相对于环境温度升高10K时，漏电流超过100 μA，MOV发热严重，这将使MOV劣化的速度加快。因此，MOV工作时，可通过测量MOV温升来初步判断MOV的劣化情况，并及时进行维保更换，避免发生事故。

2.3 MOV热损毁温度分布

当电路中出现过电压时，MOV瞬间吸收大量能量，自身温度迅速升高，热量通过MOV引脚传递到低温焊锡上，使低温焊锡软化，在脱扣机构的作用下弹片与MOV引脚脱离，从而使SPD在电路中断开，以达到保护目的[14]。然而在SPD工作过程中，流过MOV的故障电流使其发热，若热量未能传递到低温焊锡处，脱扣机构则不能及时动作将SPD从电路中断开，MOV温升达到一定程度后便会燃烧，造成MOV热损毁。利用有限元软件，模拟出氧化锌阀片性能均匀的情况下，SPD在过电压作用下脱扣机构未动作时MOV的温度场，图4为MOV热损毁时阀片顶面的温度分布。

图4 热损毁时MOV顶面温度分布（单位：K）Fig.4 Temperature distribution at the top of MOV when occurs thermal damage(unit：K)

由图4可以看出，阀片的温度已超过1000 K，远远高于MOV绝缘表层和SPD塑料外壳的熔点，造成其熔化（实验中出现爆燃明火），SPD整体结构解体，成为火灾隐患。因此，设计合理可靠的脱扣机构尤其重要，以保证在MOV剧烈温升之前实现脱扣。

3 热稳定实验

以10 mA电流为初始值，对SPD进行热稳定实验，分别在MOV上下表面和铜弹片上粘贴热电偶，以记录实验过程中各部分的温度[4]。图5为热稳定实验结果，由图中数据可知，SPD在工作状态下，MOV阀片本身温度分布较均匀，且与铜弹片温度差异不大，验证了上述有限元分析的准确性。当MOV过热而脱扣机构未动作以致发生热损毁时，MOV表面温度瞬间升高到1 370℃，此时电路中的电流为4.5A，MOV绝缘表层和SPD外壳熔化，SPD被烧毁。图6为SPD烧毁后的情况，从图中可以看出，MOV整体已经发黑，SPD塑料外壳部分熔化，低温焊锡完全熔化，氧化锌阀片与铜导电环分离，SPD完全损坏。

图5 热稳定实验数据Fig.5 Thermal stability experimentdata

图6 热脱扣失效时SPD热损毁Fig.6 Thermal damage of SPD when occursheat tripping failure

4 结论

1）SPD在正常稳态工作电压下工作时，温度场分布均匀，各部分温度差异不大，MOV引脚处的温度稍低于其他区域温度。

2）SPD在使用过程中不断发生劣化，温升和漏电流均逐渐增大，并随电导率（一定范围内）的增加近似呈线性增加趋势。

3）MOV吸收大量能量而SPD脱扣机构未及时动作时，MOV阀片温度急剧升高，最高温度超过1000 K，造成MOV绝缘表层和SPD塑料外壳熔化，严重时引起火灾。

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Research on Temperature Field Distribution and Thermal Failure of MOV Used in SPD Based on the Multi-Physics Coupling Finite Element Method

GUO Fangfang1，ZENG Xuhui2，WU Hui2，WANG Chengyong1，DAI Cheng1
（1.School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Guangdong MIG Technology Inc，Dongguan 523000，China）

The multi－physics coupling finite element analysis method was used for studying the operating temperature field distribution characteristics of surge protective device（SPD）based on the theory of heat conduction theory.The normal operating temperature rise and the thermal equilibrium with the environment of lightning protection core component metal oxide varistor（MOV）are selective analyzed.The changes of temperature rise and leakage current of MOV after degradation during operation are discussed.And temperature rise of MOV when tripping device is invalid is also obtained.In addition，the temperature of SPD is experimentally determined by thermal stability experiment，the thermal damage of the lightning protection core components are observed and analyzed.The research results provide the reference for designing the protection strategy of MOV temperature rise.

metal oxide varistor，heating effect of current，heat conduction；finite element method；temperature distribution

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.006

2016－03－01

郭方方（1991—），女，硕士，研究方向：材料加工工程专业。

东莞市产学研合作项目（编号：2014509133213）连续闪击多脉冲防雷产品热致损毁控制及性能优化。