[发明专利]压敏非线性电阻体、压敏非线性电阻体制造方法及避雷器

说明书

本发明涉及压敏非线性电阻体与装配有这种电阻体的避雷器，以及压敏非线性电阻体的制造方法和装配有由此种制造方法所制压敏非线性电阻体的避雷器。具体地说，本发明涉及以氧化锌为主要成分且特别适于制造例如避雷器、电涌吸收器等的压敏非线性电阻体，同时涉及到压敏非线性电阻体的制法以及装配有由此种制法所制压敏非线性电阻体的避雷器。

传统上，用于避雷器等的以氧化锌为主要成分的压敏非线性电阻体，是在主要成分为氧化锌的组成中，添加为显现压敏非线性所必须的氧化铋。混合以能有效改善电性质的添加剂，将所混合成的组成物经粒化、成形与烧结等工序形成烧结体，再于此烧结体中设置高电阻的侧面层与金属铝等组成的电极而最终制成(参看图6)。

图7概示了一般的压敏非线性电阻体中晶体结构一部分的微结构，其中的标号1指以锌与锑为主要成分的尖晶石晶粒，2为氧化锌晶粒，3为硅酸锌Zn₂SiO₄，4为氧化铋，6为氧化锌晶粒内的孪晶界面。具体地说，以锌与锑为主要成分的尖晶石晶粒在结构上可以有两种存在状态，即为氧化锌晶粒2所包围的状态或是存在于三态点(多态点)附近的状态，但有时，氧化铋4的一部分不仅存在于多重点处还出现于氧化锌2的界面上。

仅仅以氧化锌为主要成分的晶粒本身用作电阻体时在氧化锌晶粒2与氧化锌晶粒2界面部分所显示的压敏非线性，已通过采用点电极的实验弄清〔G.D.Makan，L.M.Levinson & H.R.Philipp，“压敏电阻的导电理论”，J.Appl.Phys，50[4]，2799(1979)(以后简作文献1)〕。此外，如后所述，这种氧化锌晶粒与氧化锌晶粒间的界面部分(晶界)数确定压敏电阻电压的事实，也已由实验确定〔T.K.Gupta，“氧化锌电阻体的应用”，J.Am.Ceram.Soc.，73[7]1817-1840(1990)(以下简作文献2)〕。

图8概示具有上述微结构的一般压敏非线性电阻体的电压-电流特性(非线性特性)。

具备优越保护性能的氧化锌压敏非线性电阻体有着小的V_H/V_L比(极限电压比或扁平度比)，其中V_H/V_L分别是图8中大电流压域与小电流区域中的电压值。在讨论改进极限电压比时，由于决定上述两区域之一的极限电压比的因素不同于决定另一区域的极限电压比的因素，因而应该分开讨论它们。为此今后应该用图8中S处的电压V_S，分别讨论大电流区域的扁平度比V_H/V_S和小电流区域的扁平度比V_S/V_L。

对于大电流区域的扁平度比V_H/V_S，据信V_H是由氧化锌晶粒内的电阻率决定的(文献1、2)，V_H随氧化锌晶粒内的电阻率的下降而变小，从而V_H/V_S也较小。另一方面，小电流区域中Vs/V_L的扁平度比据认为是由看作是形成在氧化锌晶粒界面处的肖特基势垒所决定(文献1、2)，于是氧化锌晶粒界面处的视在电阻率增大而Vs/V_L则减小。从而为了改进极限电压比V_H/V_L，应该减小氧化锌晶粒内的电阻率和提高氧化锌晶粒界面处的视在电阻率。

图8中所示的Vs是压敏非线性电阻体的非线性阈值电压。此Vs的值是对应于适用于避雷器的输电系统设定。Vs多用V_3mA(V_3mA是给元件通以3mA电流时元件两端电极间的电压(V))为代表值。考虑到元件的大小，3mA的电流值约相当于50μA/cm²的电流密度。氧化锌的Vs与元件的厚度成正比。

在采用高的系统电压的设备例如用于UHV/MV输电中的避雷器等之中，当把具有同一形状的传统元件与具有相同Vs值的元件叠层时，串联叠层的元件数便增加，结果，避雷器就变大，同时串联连接的方式将复杂化，就会出现许多与电、热和机械设计方面有关的问题。因此，若采用以元件厚度除以Vs值所得到的每单位长度的Vs值(例如V_3mA/mm：压敏电阻)大的元件时，由于每个元件上所分配的电压增高，串联叠层的元件数就能减少，就有可能解决上述问题。