不同波形冲击电流的等效变换——电涌保护器应用中的几个问题的探讨
不同波形冲击电流的等效变换
SPD的冲击电流试验会碰到诸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么从对于SPD的破坏作用等效的角度看，如何进行不同波形冲击电流的峰值换算，有人主张按电荷量相等的原则进行换算。按照这一原则，只要将两种不同波形的电流波对时间积分，求得总的电荷量，令两个电荷量相等，就可得到两种波的电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法与泄放冲击电流的元件没有一点关系，显然是不切合实际的。还有人主张按能量相等的原则进行换算。按照这一原则，不仅要知道两个电流波形，还要知道当这两个电流波流入电压抑制元件时，该元件两端限制电压的波形，然后将各个时刻对应的电流值和电压值相乘而得出功率波，再将功率波对时间积分得出能量，令两个能量值相等，就可得到两个电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法考虑到了具体的非线性元件，但没有考虑冲击电流的热效应和电流值很大时的电动力效应。实际上就氧化锌压敏电阻而言，它能承受的8/20冲击电流的能量比承受2ms时的能量大，如图4所示[4]。该图表明了厚度为1.3mm的早期压敏电阻样品能承受的冲击电流能量随电极面积的变化。可见，能量相等的原则至少对压敏电阻是不适用的。
对氧化锌压敏电阻在大电流下破坏机理的研究得出了下述结果[4]；在大电流作用下，压敏电阻的破坏模式有两种（见图5），当大冲击电流的时间宽度不大于50μs时（例如4/10和8/20波），电阻体开裂；当电流值较小而时间宽度大于100μs时（例如10/350、10/1000和2ms波），电阻体穿孔。两种不同破坏模式可以这样解释：时间很短的大电流在电阻体内产生的热量来不及向周围传导，是个绝热过程，加上电阻体的不均匀使电流的分布不均匀，这样电阻体不同部位之间的温差很大，形成很大的热应力而使电阻体开裂。当冲击电流的作用时间较长时，电阻体不均匀造成的电流集中，使电阻体材料熔化而形成穿孔。
图5的实验曲线表明，使用压敏电阻体破坏的电流密度J(A·cm-2)与冲击电流波的时间宽度r（μs）之间的关系，在双对数坐标中大体为一条斜率为负值的直线，因而可用下面的方程式来表达：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是与具体器件相关的两个常数，可以根据实验资料推算出来，于是就可以计算出这种产品能够承受的不同波形冲击电流的峰值了。
综上所述，对于以压敏电阻作为非线性抑制元件的SPD，为进行不同波形冲击电流之间的等效变换，应以两种不同波形（例8/20、10/350）的冲击电流对所选定的压敏电阻进行试验，分别得出使试样失效的两个电流峰值，代入上式，求得常数C和K的具体数值，然后利用该公式进行计算。试验式不一定进行到样品开裂或穿孔，可将压敏电压变化达到-10%作为失效判据。
应当指出，就是不同企业、不同批次的压敏电阻器，尽管尺寸规格相同，但实际能承受的冲击电流（能量）的水平可能相差很大，因此必须对每批供货逐批抽样检验。
5SPD的残压与冲击电流峰值关系
IEC61643-1对SPD限制电压的测量方法作了这样的规定：若测试信号为8/20电流波，则要求在标称放电电流In的0.1、０.2、0.5、1.0和2.0倍下测出残压值，且正反向都必须测量，然后做出残压-电流风流值的拟合曲线，取曲线上的最高点作为SPD的限制电压值。若测试信号为组和波，则要求在开路电压U 0.1、0.2、0.5和1.0倍下测出残压值，且正反向都必须测量，以测得残压值中的最高值作为SPD的限制电压值。这意味着SPD的最高残压值不一定发生在最大冲击电流下的时候。当SPD中有电抗组件（例如L－C低通滤波器）的时候，可观测到小冲击电流下的残压高于大冲击电流下的残压的情况，证明了IEC61643-1的这种规定的合理性。若已经确切地知道了SPD中没有电抗，而仅由限压型或开关型非线性元件，以及两端口SPD中的隔离元件不是电感而时电阻的话，则因为这类SPD的最高残压总是发生在冲击电流峰值大的时候，因此，只要在最大电流峰值下测定即可。
还应指出，当以8/20电流波测量压敏电阻的残压时，电流波达到峰值Ip的时刻ti，与电压波达到峰值Up的时刻tu并不重合，tu先于ti(见图6（a）)。这是由压敏电阻本身的特性所决定的，前面讲到，当冲击过电压侵入时，压敏电阻从“绝缘”变成“导通”的响应时间不超过1ns，但导通电阻从大到小，达到稳态值则需要较长的时间。也就是说，在8/20电流波的作用时间内，压敏电阻的电阻值r还在不断减小，而电压波是每一时刻的电流值I与该时刻的电阻值r相乘所形成的，因而电压波的峰点与电流波的峰点不会在同一时刻出现。
压敏电阻的8/20冲击电流试验中，经常会看到如图6（b）所示的电压波，即一开始有一个尖峰，且波顶明显下倾。这不是压敏电阻的真实限制电压波，而是放电电流的辐射干扰电压L 迭加在正常限制电压上的结果。