CN105468815A - 一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防雷产品热致损毁领域，具体公开了一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法及系统。所述方法包括：S1、建立雷电流脉冲简化模型；S2、建立压敏电阻等效电路模型；S3、建立压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；S4、将雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与实体模型进行耦合，以获得多场耦合模型；S5、对多场耦合模型和有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性、安全性，以及对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

Description

一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法及系统

技术领域

本发明涉及防雷产品热致损毁领域，特别是涉及一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法及系统。

背景技术

雷电具有高电压，大电流和瞬间电磁冲击特性。雷击电涌(Surge)对各类微电子设备和电子信息系统(包括计算机系统、通信系统、电子控制系统、无线电系统以及电力电子装置等)安全运行带来极大的威胁。在现代防雷系统中，电涌保护器(SurgeProtectiveDevice，SPD)通过自身电子元器件的非线性伏安特性，有效地将瞬时过电压限制在安全范围之内，将大电流快速地泄放到大地，保证设备或系统不受冲击而损坏。

电涌保护器自身安全性和耐冲击性能受到关注，当受到多脉冲大电流重复冲击时，电涌保护器中的金属氧化物压敏电阻(MetalOxideVaristors，MOV)热吸收和热释放失去平衡，MOV热量迅速积聚，超过其极限耐受能量，导致电涌保护器热致损毁，严重影响设备或系统的安全，甚至引发火灾。通常，雷电脉冲冲击性试验只针对单个电流脉冲(如8/20μs)进行电涌保护器的耐冲击性检查，忽略重复电流脉冲及复合波形叠加电流脉冲的冲击次数及冲击间隔的影响，导致试验结果不够精确。而针对电涌保护器后置保护装置(如后置机械脱扣装置，熔断器等)，现有的检测技术是基于破坏性试验，极大地浪费了生产资源，严重影响了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，以可以非破坏性地评估不同类型的雷电流脉冲冲击电涌保护器的热积聚量以及电涌保护器后置保护装置精准脱扣动作的可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，所述防雷产品具有电涌保护器与电涌保护器后置保护装置，所述方法包括：

S1、对雷电流脉冲进行简化建模，获得雷电流脉冲简化模型；

S2、对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模，获得压敏电阻等效电路模型；

S3、对所述压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模与有限元数值建模，获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；

S4、将所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与所述实体模型进行耦合，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的感应电磁场和热力场的多场耦合模型；

S5、对所述多场耦合模型和所述有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性与安全性进行评估，和/或对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

优选地，所述步骤S1中，在对雷电流脉冲进行简化建模时，通过选取可积的双指数函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流脉冲简化模型，这是由于雷电流的电磁场表达式中既有与通道电流有关的项(感应场项)和与电流导数有关的项(辐射场项)，又有与电流对时间积分有关的项(静电场项)，因此选取可积的双指数函数作为雷电流函数脉冲表达式，所述可积的双指数函数为：

$i\left(t\right)=\frac{I_0}{\mathrm{\ω}}(e^{-\mathrm{\α}t}-e^{-\mathrm{\β}t});$

式中，ω为峰值修正因子， $\mathrm{\ω}=e^{-{\mathrm{\αt}}_p}-e^{-{\mathrm{\βt}}_p};$ 其中， $t_p=\frac{ln\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\β}-\mathrm{\α}},$ α，β为波形拟合常数，I₀为短路电流峰值。

具体地，对于10/350μs的电流脉冲，选取下列函数作为雷电流函数脉冲表达式，建立雷电流脉冲简化模型：

i(t)＝A₁I_m1(e^-αt-e^-βt)；

式中，A₁＝1.025，α＝2.05×10^-3(μs)^-1，β＝0.564(μs)^-1。

对于8/20μs的电流脉冲，则选取下列作为雷电流函数脉冲表达式，建立雷电流脉冲简化模型：

$i\left(t\right)=A_2{I}_{m2}{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}$

式中，A₂＝0.01243，τ＝3.11μs。

优选地，所述步骤S2中，在对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模时，根据压敏电阻的伏安特性曲线，建立分段等效电路模型；所述分段等效电路模型包括预击穿区等效电路模型，击穿区等效电路模型，以及回升区等效电路模型。

优选地，所述步骤S3中，利用CAD软件对压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模，并通过CAE软件赋予所述实体模型各个部分的材料特性及相关的性能参数。

为了简化建模，便于分析外加雷电电流脉冲产生的热效应对压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的影响，在利用CAD软件对压敏电阻进行三维实体建模过程中，忽略次要影响因素对其进行建模，所述次要影响因素包括以下因素中的任意一个或任意多个：压敏电阻本身微观晶粒的各向异性、致密度不均匀性、气孔，以及压敏电阻老化、劣化系数。

优选地，所述步骤S4中，利用CAE软件导入所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型，并在CAE软件中添加电磁加热和传热这两个物理场，通过对电磁加热和传热这两个物理过程进行分析，进一步简化所述雷电流脉冲简化模型与压敏电阻等效电路模型。

具体地，在进一步简化雷电流脉冲简化模型时，根据雷电流的类型作进一步的简化建模，对于单一波形重复电流脉冲，选用以下函数作为雷电流函数脉冲表达式，建立雷电流单一波形重复多脉冲简化模型：

$i\left(t\right)=0.01243I_{m2}{e}^{-\frac{t}{3.11}}cos\left(\frac{2k\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ}t}\right);$

其中，k＝0，Δt，2Δt，...，(n-1)Δt；

式中，I_m2为短路电流峰值，Δt为脉冲冲击时间间隔，n为脉冲冲击次数；

对于复合波形叠加电流脉冲，选用以下函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流复合波形叠加多脉冲简化模型：

$\begin{array}{c}i\left(t\right)=1.025I_{m1}a\left(e^{-2.05\×{10}^{-3}t}-e^{-0.564t}\right)\cos \left(\frac{2k_1\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δt}}_1}\right)+0.01243I_{m2}(1-\\ a\left)e^{-\frac{t}{3.11}}\cos \right(\frac{2k_2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δt}}_2});\end{array}$

其中，k₁＝0，Δt₁，２Δt₁，...，(n-1)Δt₁，k₂＝0，Δt₂，2Δt₂，...，(n-1)Δt₂式中，I_m1为其中一电流脉冲I₁的短路电流峰值，a为电流脉冲I₁所占百分比系数，Δt₁为电流脉冲I₁的脉冲冲击时间间隔，I_m2为另一电流脉冲I₂的短路电流峰值，Δt₂为电流脉冲I₂的脉冲冲击时间间隔，n为脉冲冲击次数；

在进一步简化压敏电阻等效电路模型过程中，通过计算出压敏电阻的吸收能量，并考虑压敏电阻的热弛豫现象来分析压敏电阻的受热情况来进行简化建模。

其中，在计算压敏电阻的吸收能量时，利用公式

$W={\∫}_0^{t}Cu\left(t\right)i\left(t\right)dt$

来进行计算，式中，W为吸收能量，C为波形相关常数，u(t)为施加于压敏电阻上的瞬时电压，i(t)为施加于压敏电阻上的瞬时电流；即可以从施加于压敏电阻上的电流、电压的幅值和持续时间计算出压敏电阻的吸收能量。

由于压敏电阻在受到电流脉冲的冲击作用，产生热效应，其存在着热弛豫现象，即压敏电阻还未开始散热，下一个电流脉冲已开始作用于压敏电阻，因此，在对压敏电阻进行简化模型过程中将压敏电阻的热弛豫现象这一因素考虑在内。其中，热弛豫时间τ可表示成：

$T=\frac{x^2}{{\mathrm{\α}}_{th}},$

式中，x为压敏电阻元件厚度，αth为热扩散系数，其定义为：

${\mathrm{\α}}_{th}=\frac{K}{{\mathrm{\ρC}}_p},$

式中，K为压敏电阻的热导率，ρ为压敏电阻的密度，Cp为压敏电阻的比热。

优选地，所述步骤S5中，利用CAE软件对步骤S4中建立的多场耦合模型和有限元数值模型进行求解，并对求解结果进行分析，借此来对防雷产品避免热致损毁的可靠性、安全性，以及对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估；

在评估过程中，通过对所述实体模型施加特定的单一波形重复电流脉冲和/或复合波形叠加电流脉冲，观察分析压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置关键点的温度随时间的变化，并通过改变雷电流脉冲的参数，进一步分析在不同雷电流脉冲的作用下，分析压敏电阻的受热情况和电涌保护器后置保护装置关键点的温度变化。此外，还可以通过CAD改变所述实体模型的参数，观察特定规格压敏电阻在特定电流脉冲作用下所能耐受的冲击次数。

基于上述方法的发明构思，本发明还提供了一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估系统，其应用于具有电涌保护器与电涌保护器后置保护装置的防雷产品，所述系统包括：

雷电流脉冲简化模型建立模块，用于对雷电流脉冲进行简化建模，以获得雷电流脉冲简化模型；

压敏电阻等效电路模型建立模块，用于对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模，以获得压敏电阻等效电路模型；

实体模型与有限元数值模型建立模块，用于对所述压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模与有限元数值建模，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；

多场耦合模型建立模块，用于将所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与所述实体模型进行耦合，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的感应电磁场和热力场的多场耦合模型；

求解评估模块，用于对所述多场耦合模型和所述有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性与安全性进行评估，和/或对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果有：

(1)利用本发明提供的评估方法，可以在压敏电阻设计初期，进行粗略的压敏电阻雷电流脉冲模拟，来初步验证设计的合理性；

(2)本发明提供的评估方法，涉及参数可变的重复电流脉冲和复合电流脉冲冲击性实验的模拟，很好地弥补了传统单电流脉冲冲击性试验的局限性；

(3)本发明提供的评估方法，可以快速估计特定规格的压敏电阻所能耐受特定脉冲冲击的极限次数。

(4)本发明提供的评估方法，还可以验证电涌保护器后置保护装置(如熔断器、机械脱扣装置等)设计的合理性和灵敏性。

附图说明

图1为本发明实施例中所述防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中所述压敏电阻等效电路模型的示意图；

图3为本发明实施例中压敏电阻(氧化锌压敏电阻)与电涌保护器后置保护装置(低温焊锡机械脱扣装置)的实体模型的结构示意图；

图4为本发明实施例中对压敏电阻(氧化锌压敏电阻)及电涌保护器后置保护装置(低温焊锡机械脱扣装置)的有限元数值模型进行求解，得到在特定时间后的实体模型的温度分布云图；

图5为在传热过程中，低温焊锡机械脱扣装置中的低温焊锡的关键点的温度变化曲线图；

图6为本发明实施例中所述防雷产品的压敏电阻热致损毁评估系统的模块示意框图。

其中，图3中的附图标号为：1-脱扣簧片，2-低温焊锡，3-导电铜电极，4-氧化锌压敏电阻本体。

具体实施方式

下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。

一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，所述防雷产品具有电涌保护器与电涌保护器后置保护装置，如图1所示，所述方法包括：

S1、对雷电流脉冲进行简化建模，获得雷电流脉冲简化模型；

S2、对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模，获得压敏电阻等效电路模型；

S3、对所述压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模与有限元数值建模，获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；

S4、将所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与所述实体模型进行耦合，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的感应电磁场和热力场的多场耦合模型；

S5、对所述多场耦合模型和所述有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性与安全性进行评估，和/或对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

在步骤S1中，考虑到雷电流脉冲的多样性和复杂性，因此对其进行简化建模。在对雷电流脉冲进行简化建模时，通过选取可积的双指数函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流脉冲简化模型，所述可积的双指数函数为：

$i\left(t\right)=\frac{I_0}{\mathrm{\ω}}(e^{-\mathrm{\α}t}-e^{-\mathrm{\β}t})---\left(1\right);$

(1)式中，ω为峰值修正因子， $\mathrm{\ω}=e^{-{\mathrm{\αt}}_p}-e^{-{\mathrm{\βt}}_p};$ 其中， $t_p=\frac{ln\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\β}-\mathrm{\α}},$ α，β为波形拟合常数，I₀为短路电流峰值。

具体地，对于10/350μs的电流脉冲，(1)式可简化为:

$i\left(t\right)=1.025I_{m1}(e^{-2.05\×{10}^{-3}t}-e^{-0.564t})---\left(2\right);$

(2)式中，I_m1为10/350μs电流脉冲的短路电流峰值，本实施例选取I_m1＝10kA。

对于8/20μs的电流脉冲，(1)式可简化为：

$i\left(t\right)=0.01243I_{m2}{e}^{-\frac{t}{3.11}}---\left(3\right);$

(3)式中I_m2为8/20μs电流脉冲的短路电流峰值，本实施例选取I_m2＝10kA。

本发明实施例中，选取氧化锌(ZnO)压敏陶瓷电阻(以下简称为氧化锌压敏电阻)作为电涌保护器中的压敏电阻(即将氧化锌压敏电阻作为限压泄放电流元件)，选取低温焊锡机械脱扣装置作为电涌保护器后置保护装置，来对本发明作具体的描述。

在步骤S2中，在对压敏电阻进行等效电路建模时，根据压敏电阻的伏安特性曲线，并分析氧化锌压敏电阻中的氧化锌的非线性伏安特性进行建模，建立如附图2中(a)所示的简化的压敏电阻等效电路模型(其中，L为接线电感)。

其中，根据压敏电阻工作时处于预击穿区(小电流区)、击穿区(中电流区)、回升区(大电流区)的工作状态，可对建立分段等效电路模型：所述分段等效电路模型包括预击穿区等效电路模型，击穿区等效电路模型，以及回升区等效电路模型。

当压敏电阻处于预击穿区时，压敏电阻的非线性很低，可以忽略附图2(a)中的非线性电阻R2和串联电阻R3，得到如附图2(b)所示的简化电路模型(即预击穿区等效电路模型)，在本实施例中，并联电阻R1＝8MΩ，电极电容C＝430pF；

当压敏电阻处于击穿区时，其击穿区等效电路模型如附图2(c)所示，其中非线性电阻R2随温度可变，高温条件下相当于短路；

当压敏电阻处于回升区时，非线性电阻R2相当于短路，得到如附图2(d)所示的简化电路模型(即预击穿区等效电路模型)，本实施例中，串联电阻R3＝5Ω。

在步骤S3中，利用CAD(ComputerAidedDesign，计算机辅助设计)软件对压敏电阻(本实施例优选为取氧化锌压敏电阻)以及所述电涌保护器后置保护装置(本实施例优选为低温焊锡机械脱扣装置)进行三维实体建模，建立压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型，所述实体模型如附图3所示；同时，通过CAE(ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程)软件赋予所述实体模型各个部分的材料特性及相关的性能参数。

本实施例中，主要通过分析对实体模型中的压敏电阻施加雷电流脉冲而产生的热效应对氧化锌压敏电阻的影响及低温焊锡机械脱扣装置的灵敏程度；因此，在建模过程中忽略氧化锌压敏电阻本身微观晶粒的各向异性、致密度不均匀性、气孔以及压敏电阻老化，劣化系数等次要影响因素中的一个或任意多个。

在所述步骤S4中，优选利用CAE软件导入所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型，并在CAE软件中添加电磁加热和传热这两个物理场，通过对电磁加热和传热这两个物理过程进行分析，进一步简化所述雷电流脉冲简化模型与压敏电阻等效电路模型。

具体到本实施例中，在通过分析对实体模型中的压敏电阻施加雷电流脉冲而产生的热效应而对氧化锌压敏电阻的影响及低温焊锡机械脱扣装置的灵敏程度时，分别通过对氧化锌压敏电阻施加8/20μs单电流脉冲，8/20μs单一波形重复电流脉冲，8/20μs与10/350μs复合波形叠加电流脉冲而产生的热效应。

因此，在进一步简化雷电流脉冲简化模型时，可根据雷电流的类型作进一步的简化建模。具体地，对于单一波形重复电流脉冲，以8/20μs的电流脉冲为例，选用以下函数作为雷电流函数脉冲表达式，建立雷电流单一波形重复多脉冲简化模型：

$i\left(t\right)=0.01243I_{m2}{e}^{-\frac{t}{3.11}}cos\left(\frac{2k\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ}t}\right)---\left(4\right);$

其中，k＝0，Δt，2Δt，...，(n-1)Δt；

(4)式中，I_m2为短路电流峰值，Δt为脉冲冲击时间间隔，n为脉冲冲击次数。

对于复合波形叠加电流脉冲，以8/20μs和10/350μs的复合波形叠加电流脉冲为例，选用以下函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流复合波形叠加多脉冲简化模型：

$\begin{array}{c}i\left(t\right)=1.025I_{m1}a\left(e^{-2.05\×{10}^{-3}t}-e^{-0.564t}\right)\cos \left(\frac{2k_1\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δt}}_1}\right)+0.01243I_{m2}(1-\\ a\left)e^{-\frac{t}{3.11}}\cos \right(\frac{2k_2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δt}}_2})---(5);\end{array}$

其中，k₁＝0，Δt₁，2Δt₁，...，(n-1)Δt₁，k₂＝0，Δt₂，2Δt₂，...，(n-1)Δt₂(2)式中，I_m1为其中一电流脉冲I₁(本实施例中电流脉冲I₁为10/350μs电流脉冲)的短路电流峰值，a为电流脉冲I₁所占百分比系数，Δt₁为电流脉冲I₁的脉冲冲击时间间隔，I_m2为另一电流脉冲I₂(本实施例中电流脉冲I₂为8/20μs电流脉冲)的短路电流峰值，Δt₂为电流脉冲I₂的脉冲冲击时间间隔，n为脉冲冲击次数；

而在进一步简化压敏电阻等效电路模型过程中，通过计算出压敏电阻的吸收能量，并考虑压敏电阻的热弛豫现象来分析压敏电阻的受热情况来进行简化建模。

其中，在计算压敏电阻的吸收能量时，利用公式

$W={\∫}_0^{t}Cu\left(t\right)i\left(t\right)dt=CUIt---\left(6\right)$

来进行计算压敏电阻的吸收能量。(6)式中，W为吸收能量，C为波形相关常数，u(t)为施加于压敏电阻上的瞬时电压，i(t)为施加于压敏电阻上的瞬时电流；即可以从施加于压敏电阻上的电流、电压的幅值和持续时间计算出压敏电阻的吸收能量。

而结合上述步骤S2的分析，在小电流区(预击穿区)，压敏电阻接近于绝缘体，根据公式(6)，此阶段产生的热量可以忽略不计。

在中电流区(击穿区)，压敏电阻呈现良好的导通性能，当电流不断增大时，压敏电阻两端的电压几乎不发生变化，从而很好地达到了限压的效果，因此，计算此阶段产生的热量时，公式(6)中的U可以设为定值。

大电流区(回升区)压敏电阻的伏安特性曲线又呈线性分布，利用欧姆定律，公式(6)可转化成：

$W={\∫}_0^{t}Cu\left(t\right)i\left(t\right)dt={\∫}_0^{t}i{\left(t\right)}^{2}Rdt---\left(7\right);$ 其中，R可以近似为固定值。

对氧化锌压敏电阻在不同电流脉冲区域的热量积累进行简化，将小电流区、中电流区、大电流区所积累的热量分别记作W1、W2、W3，则压敏电阻所产生的总热量W总＝W1+W2+W3。

而在考虑压敏电阻的热弛豫现象时，热弛豫时间τ可表示成：

$\mathrm{\τ}=\frac{x^2}{{\mathrm{\α}}_{th}}---\left(8\right),$

(8)式中，x为压敏电阻元件厚度，αth为热扩散系数，其定义为：

${\mathrm{\α}}_{th}=\frac{K}{{\mathrm{\ρC}}_p}---\left(9\right),$

(9)式中，K为压敏电阻的热导率，ρ为压敏电阻的密度，Cp为压敏电阻的比热。

具体到本实施例，氧化锌压敏电阻的热导率K＝0.057J/(s·cm·K)，密度ρ＝5.4g/cm³，比热Cp＝0.89J/(g·K)；本实施例中，氧化锌压敏电阻的元件横截面积A＝34²＝1156mm²，其元件厚度x＝0.5cm；因此，可求得热扩散系数αth＝0.0119cm²/s，氧化锌压敏陶瓷电阻热弛豫时间τ＝21s。

在所述步骤S5中，优选利用CAE软件对步骤S4中建立的多场耦合模型和有限元数值模型进行求解，并对求解结果进行分析，借此来对防雷产品避免热致损毁的可靠性、安全性，以及对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。当然，对多场耦合模型和有限元数值模型的求解，在实际求解过程中其不仅仅限于CAE软件进行模拟求解，还可以用其他可计算出求解结果的软件进行求解。

在评估过程中，通过对所述实体模型(主要为实体模型中的压敏电阻)施加特定的单一波形重复电流脉冲和/或复合波形叠加电流脉冲，观察分析压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置关键点的温度随时间的变化，并通过改变雷电流脉冲的参数，进一步分析在不同雷电流脉冲的作用下，分析压敏电阻的受热情况和电涌保护器后置保护装置关键点的温度变化。此外，还可以通过CAD改变所述实体模型的参数，观察特定规格压敏电阻在特定电流脉冲作用下所能耐受的冲击次数。

具体到本实施例，在对氧化锌压敏电阻施加8/20μs单电流脉冲，其短路电流峰值为I_m2＝10kA，则氧化锌压敏电阻吸收能量为：W1≈0，W2＝260J，W3＝0(Im＝10kA的脉冲几乎到达不了大电流区)，因此W总1＝260J；而单脉冲不考虑热弛豫现象，因此氧化锌压敏电阻的温升ΔT1＝W总1/(Cp·ρ·V)＝9.37K。

对于短路电流峰值I_m1为10kA，冲击时间间隔为10s，冲击次数为10的8/20μs重复电流脉冲，由上述可知，热弛豫时间τ(τ＝21s)约为冲击时间间隔Δt的两倍，即当电流脉冲开始第三次冲击时，电流脉冲第一次冲击产生的热量开始散失，W总2＝2600J；而W散1＝K·A·ΔT·Δt/x＝1317J(其中K为热导率，A为元件横截面积(这里取A＝1156mm²)，ΔT为温差，x为元件厚度(这里取x＝0.5cm))，ΔW总2＝W总2-W散1＝1283J。因此氧化锌压敏电阻的温升ΔT2＝46.24K。

对于短路电流峰值为10kA，冲击时间间隔为10s，冲击次数为10的8/20μs、10/350μs复合波形叠加电流脉冲，其分析方法与重复电流脉冲类似，得到W总3＝4000J，W散2＝1317J，ΔW总3＝W总3-W散2＝2683J。因此氧化锌压敏电阻的温升ΔT3＝96.70K。

考虑到本实施例选用的氧化锌压敏电阻的工作极限温度为403K，工作初始温度为25℃(298K)，因此本实施例压敏电阻的极限温升为ΔT＝105K；由此可知，本实施例中，氧化锌压敏电阻的三组温升均未超过其极限温升，因此三组雷电电流脉冲均在安全范围之内，即在此三种雷电流脉冲的作用下，防雷产品符合安全性的相关要求，防雷产品的安全性与可靠性好。而观察8/20μs、10/350μs复合波形电流脉冲模拟结果(ΔT3＝96.70K)与极限温升(ΔT＝105K)较接近，若再增加脉冲次数或者增大短路电流峰值，其温升很可能超过极限温升，因此氧化锌压敏电阻安全性不可控。

对于本实施例选取的低温焊锡机械脱扣装置，考虑到氧化锌压敏电阻的工作极限温度为403K，定义氧化锌压敏电阻和周围环境的温差，对步骤S3中所述的有限元模型进行求解，可分别得到压敏电阻开始散热特定时间后的实体模型的温度分布云图，如附图4所示；其中，图4中的(a)、(b)(c)分别为压敏电阻开始散热0s，0.5s，1s后，所述实体模型的温度分布云图。对实体模型中低温焊锡关键点(本实施例选取三个关键点)进行温度的信息收集，可得到如附图5所示的温度变化曲线图。从图5中可以看出，温度可以快速地传递到低温焊锡上，而所述防雷产品的脱扣基本温度设置在345K，因此，所述低温焊锡机械脱扣装置可以快速地，灵敏地完成压敏电阻的机械脱扣，即说明此低温焊锡机械脱扣装置的设计合理，其机械脱扣的灵敏性可符合防雷产品的安全性的相关要求。

本发明实施例提供的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估系统，如附图6所示，所述系统包括：

雷电流脉冲简化模型建立模块，用于对雷电流脉冲进行简化建模，以获得雷电流脉冲简化模型；

压敏电阻等效电路模型建立模块，用于对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模，以获得压敏电阻等效电路模型；

实体模型与有限元数值模型建立模块，用于对所述压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模与有限元数值建模，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；

多场耦合模型建立模块，用于将所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与所述实体模型进行耦合，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的感应电磁场和热力场的多场耦合模型；

求解评估模块，用于对所述多场耦合模型和所述有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性与安全性进行评估，和/或对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

优选地，所述雷电流脉冲简化模型建立模块在对雷电流脉冲进行简化建模时，通过选取可积的双指数函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流脉冲简化模型；

所述可积的双指数函数为：

式中，ω为峰值修正因子， $\mathrm{\ω}=e^{-{\mathrm{\αt}}_p}-e^{-{\mathrm{\βt}}_p};$ 其中， $t_p=\frac{ln\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\β}-\mathrm{\α}},$ α，β为波形拟合常数，I₀为短路电流峰值。

本发明实施例提供的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估系统，其工作方法/过程或应用原理如上一实施例所述的评估方法的工作方法/过程或应用原理相同，在此不再一一赘述。

上述实施例中提到的内容为本发明较佳的实施方式，并非是对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，其均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，所述防雷产品具有电涌保护器与电涌保护器后置保护装置，其特征在于，所述方法包括：

S1、对雷电流脉冲进行简化建模，获得雷电流脉冲简化模型；

S2、对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模，获得压敏电阻等效电路模型；

S3、对所述压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模与有限元数值建模，获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；

S4、将所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与所述实体模型进行耦合，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的感应电磁场和热力场的多场耦合模型；

S5、对所述多场耦合模型和所述有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性与安全性进行评估，和/或对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

2.根据权利要求1所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，其特征在于：

所述步骤S1中，在对雷电流脉冲进行简化建模时，通过选取可积的双指数函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流脉冲简化模型；

所述可积的双指数函数为：

式中，ω为峰值修正因子，其中，α，β为波形拟合常数，I₀为短路电流峰值。

3.根据权利要求1或2所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用CAD软件对压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模，并通过CAE软件赋予所述实体模型各个部分的材料特性及相关的性能参数。

4.根据权利要求3所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，其特征在于：在利用CAD软件对压敏电阻进行三维实体建模过程中，忽略次要影响因素对其进行建模，所述次要影响因素包括以下因素中的任意一个或任意多个：压敏电阻本身微观晶粒的各向异性、致密度不均匀性、气孔，以及压敏电阻老化、劣化系数。

5.根据权利要求3所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，其特征在于：所述步骤S4中，利用CAE软件导入所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型，并在CAE软件中添加电磁加热和传热这两个物理场，通过对电磁加热和传热这两个物理过程进行分析，进一步简化所述雷电流脉冲简化模型与压敏电阻等效电路模型。

6.根据权利要求5所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，其特征在于：

所述步骤S4中，在进一步简化雷电流脉冲简化模型时，根据雷电流的类型作进一步的简化建模，对于单一波形重复电流脉冲，选用以下函数作为雷电流函数脉冲表达式，建立雷电流单一波形重复多脉冲简化模型：

$i\left(t\right)=0.01243I_{m2}{e}^{-\frac{t}{3.11}}cos\left(\frac{2k\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ}t}\right),$ 其中，k＝0，Δt，2Δt，...，(n-1)Δt；

式中，I_m2为短路电流峰值，Δt为脉冲冲击时间间隔，n为脉冲冲击次数；

对于复合波形叠加电流脉冲，选用以下函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流复合波形叠加多脉冲简化模型：

$\begin{array}{c}i\left(t\right)=1.025I_{m1}a\left(e^{-2.05\×{10}^{-3}t}-e^{-0.564t}\right)\cos \left(\frac{2k_1\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δt}}_1}\right)+0.01243I_{m2}(1-\\ a)e^{-\frac{t}{3.11}}cos\left(\frac{2k_2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δt}}_2}\right);\end{array}$

其中，k₁＝0，Δt₁，2Δt₁，...，(n-1)Δt₁，k₂＝0，Δt₂，2Δt₂，...，(n-1)Δt₂式中，I_m1为其中一电流脉冲I₁的短路电流峰值，a为电流脉冲I₁所占百分比系数，Δt₁为电流脉冲I₁的脉冲冲击时间间隔，I_m2为另一电流脉冲I₂的短路电流峰值，Δt₂为电流脉冲I₂的脉冲冲击时间间隔，n为脉冲冲击次数；

在进一步简化压敏电阻等效电路模型过程中，通过计算出压敏电阻的吸收能量，并考虑压敏电阻的热弛豫现象来分析压敏电阻的受热情况来进行简化建模；

其中，在计算压敏电阻的吸收能量时，利用公式来进行计算，式中，W为吸收能量，C为波形相关常数，u(t)为施加于压敏电阻上的瞬时电压，i(t)为施加于压敏电阻上的瞬时电流。

7.根据权利要求6所述的防雷产品MOV热致损毁评估模型，其特征在于：所述步骤S5中，利用CAE软件对步骤S4中建立的多场耦合模型和有限元数值模型进行求解，并对求解结果进行分析，借此来对防雷产品避免热致损毁的可靠性、安全性，以及对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估；

在评估过程中，通过对所述模型施加特定的单一波形重复电流脉冲和/或复合波形叠加电流脉冲，观察分析压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置关键点的温度随时间的变化，并通过改变电流脉冲的参数，进一步分析在不同电流脉冲的作用下，分析压敏电阻的受热情况和电涌保护器后置保护装置关键点的温度变化。

8.根据权利要求1所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估方法，其特征在于：

所述步骤S2中，在对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模时，根据压敏电阻的伏安特性曲线，建立分段等效电路模型；所述分段等效电路模型包括预击穿区等效电路模型，击穿区等效电路模型，以及回升区等效电路模型。

9.一种防雷产品的压敏电阻热致损毁评估系统，应用于具有电涌保护器与电涌保护器后置保护装置的防雷产品，其特征在于，所述系统包括：

雷电流脉冲简化模型建立模块，用于对雷电流脉冲进行简化建模，以获得雷电流脉冲简化模型；

压敏电阻等效电路模型建立模块，用于对电涌保护器中的压敏电阻进行等效电路建模，以获得压敏电阻等效电路模型；

实体模型与有限元数值模型建立模块，用于对所述压敏电阻以及所述电涌保护器后置保护装置进行三维实体建模与有限元数值建模，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的实体模型与有限元数值模型；

多场耦合模型建立模块，用于将所述雷电流脉冲简化模型、压敏电阻等效电路模型中的物理场量与所述实体模型进行耦合，以获得压敏电阻及电涌保护器后置保护装置的感应电磁场和热力场的多场耦合模型；

求解评估模块，用于对所述多场耦合模型和所述有限元数值模型进行求解，在获得特定时间后压敏电阻及电涌保护器后置保护装置关键节点的温度变化及其温度峰值在时间和空间上的规律的基础上，对防雷产品避免热致损毁的可靠性与安全性进行评估，和/或对电涌保护器后置保护装置的灵敏性进行评估。

10.根据权利要求9所述的防雷产品的压敏电阻热致损毁评估系统，其特征在于：

所述雷电流脉冲简化模型建立模块在对雷电流脉冲进行简化建模时，通过选取可积的双指数函数作为雷电流函数脉冲表达式建立雷电流脉冲简化模型；

所述可积的双指数函数为：

式中，ω为峰值修正因子，其中，α，β为波形拟合常数，I₀为短路电流峰值。