CN114914042B - 一种高能高残压比的非线性电阻片以及并联电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种高能高残压比的非线性电阻片以及并联电路，其涉及过电压保护的技术领域，包括陶瓷非线性电阻片，所述陶瓷非线性电阻片的残压比为3‑4，当所述陶瓷非线性电阻片两端过流或者过压时，所述陶瓷非线性电阻片用于吸收过电流或者过电压。本申请具有实现各个支路均流及均能的效果。
Description
技术领域
本申请涉及过电压保护的技术领域，尤其是涉及一种高能高残压比非线性电阻片以及并联电路。
背景技术
非线性电阻两端的电压与流过的电流不成比例关系，相应地，非线性电阻的阻值会随电压、电流变动。
相关技术中，一种过电流保护电路，保护电路包括两个并联的金属氧化锌阀片，每一个金属氧化锌阀片串联小阻值线性电阻或者快速熔断器，每一个金属氧化锌阀片和小阻值线性电阻或者快速熔断器形成一条支路，利用电阻上的压降实现均流，同时依靠电阻或者快速熔断器实现支路的过电流保护。亦或者，常规的压敏电阻并联到电路中，压敏电阻两端电压升高，相应的，压敏电阻的阻值呈线性趋势上升，吸收电路中的过电流。
由于快速熔断器以及小阻值线性电阻过载能力较弱，因此在超过快速熔断器以及小阻值线性电阻的功率时，快速熔断器以及小阻值线性电阻会烧毁，导致某一条支路电流过大。
发明内容
为了改善快速熔断器以及小阻值线性电阻会烧毁导致支路电流过大的问题，本申请提供一种高能高残压比的非线性电阻片以及并联电路。
第一方面，本申请提供一种高能高残压比的非线性电阻片，采用如下的技术方案：
一种高能高残压比的非线性电阻片，包括陶瓷非线性电阻片，所述陶瓷非线性电阻片的残压比为3-4，当所述陶瓷非线性电阻片两端过流或者过压时，所述陶瓷非线性电阻片用于吸收过电流或者过电压。
通过采用上述技术方案，当某一支路过压时，由于陶瓷非线性电阻片的残压比为3-4，相较于常规的压敏电阻，相应的电压增大，陶瓷非线性电阻片阻值呈非线性增大，阻值增大后与之并联的电路电流减小，流至陶瓷非线性电阻片的电流增大且陶瓷非线性电阻片对电流进行消耗，进而可以有效减少快速熔断器以及小阻值线性电阻会烧毁导致支路电流过大的情况。
可选的，所述陶瓷非线性电阻片平均每毫米厚度电场强度为25-38V/mm，所述陶瓷非线性电阻片的最大通流为5000A。
通过采用上述技术方案，某一支路的电压升高时，陶瓷非线性电阻片的电压升高，而陶瓷非线性电阻片在两端电压上升时电阻变大，使得流至陶瓷非线性电阻片的电流增大，又因陶瓷非线性电阻片平均每毫米厚度电场强度25-38V/mm，使得陶瓷非线性电阻片具备高容量的特点，并且陶瓷非线性电阻片最大通流为5000A，不易过流损坏。
可选的，所述陶瓷非线性电阻片包括以下重量份物质：
ZnO 40～50份；
Bi2O3 0.3～0.5份；
Sb2O3 0.3～0.5份；
MnO2 0.3～0.5份；
Cr2O3 0.3～0.5份；
B2O3 0.1～0.2份；
SiO2 0.5～0.7份；
改性颗粒0.005～0.01份；所述改性颗粒包括改性元素，所述改性元素包括Cu或Ag中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，本申请优化了高能高残压比的陶瓷非线性电阻片组分，相较于传统的氧化锌非线性电阻片，通过在该陶瓷非线性电阻片中添加改性颗粒，提高了陶瓷非线性电阻片的残压比。由于ZnO压敏电阻的伏安特性曲线的大电流区主要是由ZnO晶粒电阻决定的，如果提高ZnO压敏电阻的残压，就必须提高大电流区的晶粒电阻。所以本申请通过改性元素的掺杂，有效提高晶粒电阻，从而进一步提高了陶瓷非线性电阻片的残压比。
可选的，包括以下重量份物质：
ZnO 45份；
Bi2O3 0.4份；
Sb2O3 0.4份；
MnO2 0.4份；
Cr2O3 0.4份；
B2O3 0.15份；
SiO2 0.6份；
改性颗粒0.0075份。
通过采用上述技术方案，本申请进一步优化了高能高残压比的非线性电阻片的配比，通过该优化后的高能高残压比的非线性电阻片的配方，制备的阀片材料具有更加稳定的高残压比，从而能作为稳定的材料对电流限制回路的技术进行利用。
可选的，所述改性元素的质量分数不小于3×10-5。
通过采用上述技术方案，本申请进一步优化了改性元素的添加比例，由于较少量的改性元素添加过程中，并不会引起阀片材料的残压比出现比较剧烈的变化，只有当改性元素的添加质量分数大于3×10-5时，通过增加改性元素的掺入量，引起氧化锌阀片材料的非线性系数的降低，晶界势垒的下降，晶界电阻减小，这样双重效果使得电压梯度上升，漏电流几乎不变，电阻片的残压比进一步提高，使其能作为稳定的材料对电流限制回路的技术进行利用。
可选的，所述Cu元素以单质铜的形式存在，所述Ag元素以单质银的形式存在。
通过采用上述技术方案，本申请采用单质形态的改性颗粒对非线性器件进行改性处理，由于金属单质材料在实际的烧结过程中，改性颗粒会扩散进入氧化锌非线性器件中，通过金属改性颗粒存在的界面元素扩散和迁移的现象，少量的金属改性单质进入非线性器件材料中并扩散至氧化锌的晶格中，当非线性器件中含有单质金属元素后，氧化锌的晶粒电阻增大，从而提高了该非线性器件的残压比，从而使其能作为稳定的材料来实现电流限制回路的技术方案。
第二方面，本申请提供一种高能高残压比的非线性电阻片的并联电路，采用如下的技术方案：
可选的，一种高能高残压比的非线性电阻片的并联电路，所述电路至少包括两个氧化锌阀片，所述陶瓷非线性电阻片为多个且与氧化锌阀片对应，每一个所述氧化锌阀片一端相互连接，每一个所述氧化锌阀片另一端均与陶瓷非线性电阻片一端连接，每一个所述陶瓷非线性电阻片另一端相互连接。
通过采用上述技术方案，氧化锌阀片与陶瓷非线性电阻片构成一条支路，当某一支路残压低，电流流过该支路，电流增大，电压升高，支路之间产生电势差，使得电流会从该支路流至其他的支路。同理，相应的支路电压升高且高于某一或者某一些支路，电压高的支路内电流会流至电压低的支路，以保持支路的电流动态平衡，进而实现自动均压均流，减少快速熔断器以及小阻值线性电阻会烧毁导致支路电流过大的情况。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.当某一支路残压低，电流流过该支路，电流增大，电压升高，电流流过其他的支路，同理，相对的其余的电压升高高于某一支路，两个支路来回，自动切换，进而实现了自动均压均流，减少快速熔断器以及小阻值线性电阻会烧毁导致支路电流过大的情况；
2.优化了高能高残压比非线性器件组成成分，通过在该非线性器件中添加改性颗粒，由于传统的氧化锌非线性器的残压比都比较低，需要通过掺杂改性元素提高其残压比。由于ZnO压敏电阻的伏安特性曲线的大电流区主要是由ZnO晶粒电阻决定的，如果提高ZnO压敏电阻的残压，就必须提高大电流区的晶粒电阻。所以本申请通过改性元素的掺杂，有效提高晶粒电阻，从而进一步提高了氧化锌压敏电阻阀片的残压比。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例的体现并联电路的示意图。
图2是本申请实施例的高能高残压比的非线性电阻片的伏安特性原理示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
实施例
实施例1
一种高能高残压比的非线性电阻片，包括以下物质：4kg ZnO、0.03kg Bi2O3、0.03kg Sb2O3、0.03kg MnO2、0.03kg Cr2O3、0.01kg B2O3、0.05kgSiO2和0.0005kg改性颗粒，本实施例的改性颗粒选用硝酸铜颗粒。
一种高能高残压比的非线性电阻片的制备方法：
S1、原料混合：按配方称取各原料混合并研磨过100目筛，120℃下真空干燥3h，收集得混合颗粒；
S2、浆液制备：将2kg混合颗粒与5kg 0.8mol/L聚乙烯醇水溶液搅拌混合，200W下超声分散收集得分散浆液；
S3、喷雾干燥：将分散浆液置于喷雾干燥装置中，干燥并收集得80～100μm干燥颗粒；
S4、压制成型：将混合颗粒置于400MPa液压装置中压制成型，收集得压制坯料；
S5、烧结成型：将压制坯料置于马弗炉中，升温加热至1110℃并烧结成型，保温2h后静置冷却至室温，即可制备得所述一种高能高残压比非线性器件；
S6、表面涂覆：然后将陶瓷阀片随炉温至650℃时取出，在陶瓷阀片的两端面喷铝电极，继续自然冷却降温，在陶瓷阀片的侧表面喷绝缘漆，得到高能高残压比的非线性电阻片。
实施例2
一种高能高残压比的非线性电阻片，包括以下物质：4.5kg ZnO、0.04kg Bi2O3、0.04kg Sb2O3、0.04kg MnO2、0.04kg Cr2O3、0.015kg B2O3、0.06kgSiO2和0.00075kg硝酸铜颗粒。
一种高能高残压比的非线性电阻片的制备方法：
S1、原料混合：按配方称取各原料并研磨过100目筛，120℃下真空干燥3h，收集得混合颗粒；
S2、浆液制备：将2kg混合颗粒与5kg 0.8mol/L聚乙烯醇水溶液搅拌混合，200W下超声分散收集得分散浆液；
S3、喷雾干燥：将分散浆液置于喷雾干燥装置中，干燥并收集得80～100μm干燥颗粒；
S4、压制成型：将混合颗粒置于400MPa液压装置中压制成型，收集得压制坯料；
S5、烧结成型：将压制坯料置于马弗炉中，升温加热至1110℃并烧结成型，保温2h后静置冷却至室温，即可制备得所述一种高能高残压比非线性器件；
S6、表面涂覆：然后将陶瓷阀片随炉温至650℃时取出，在陶瓷阀片的两端面喷铝电极，继续自然冷却降温，在陶瓷阀片的侧表面喷绝缘漆，得到高能高残压比的非线性电阻片。
实施例3
一种高能高残压比的非线性电阻片，包括以下物质：5kg ZnO、0.05kg Bi2O3、0.05kg Sb2O3、0.05kg MnO2、0.05kg Cr2O3、0.02kg B2O3、0.07kgSiO2和0.001kg硝酸铜颗粒。
一种高能高残压比的非线性电阻片的制备方法：
S1、原料混合：按配方称取各原料并研磨过100目筛，120℃下真空干燥3h，收集得混合颗粒；
S2、浆液制备：将2kg混合颗粒与5kg 0.8mol/L聚乙烯醇水溶液搅拌混合，200W下超声分散收集得分散浆液；
S3、喷雾干燥：将分散浆液置于喷雾干燥装置中，干燥并收集得80～100μm干燥颗粒；
S4、压制成型：将混合颗粒置于400MPa液压装置中压制成型，收集得压制坯料；
S5、烧结成型：将压制坯料置于马弗炉中，升温加热至1110℃并烧结成型，保温2h后静置冷却至室温，即可制备得所述一种高能高残压比的非线性电阻片；
S6、表面涂覆：然后将陶瓷阀片随炉温至650℃时取出，在陶瓷阀片的两端面喷铝电极，继续自然冷却降温，在陶瓷阀片的侧表面喷绝缘漆，得到高能高残压比的非线性电阻片。
实施例4
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例4中采用等质量的硝酸银代替实施例1中硝酸铜，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例5
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例5中采用等质量的硫酸银代替实施例1中硝酸铜，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例6
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例6中采用等质量的硫酸铜代替实施例1中硝酸铜，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例7
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例7中采用等质量的单质银代替实施例1中硝酸铜，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例8
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例8中采用等质量的单质铜代替实施例1中硝酸铜，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例9
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例8中采用按质量比1：1的单质铜和单质银混合后代替实施例1中硝酸铜，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例10
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例9中采用压制成型的压强为425MPa，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例11
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例9中采用压制成型的压强为450MPa，其余制备步骤和制备条件均与实施例1相同。
实施例12
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例12中未添加硝酸铜。
实施例13
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例13中硝酸铜添加量为0.0001kg。
实施例14
一种高能高残压比的非线性电阻片，与实施例1区别在于，实施例14中硝酸铜添加量为0.00005kg。
性能检测试验
（1）采用 CJ1002 压敏电阻限制电压仪测量实施例1～14的残压比；
（2）能量密度：采用方波测试仪，测试2ms方波耐受的能量密度。表1性能测试表
结合实施例1～11、对比例12～14和表1性能检测表，对比可以发现：
现将实施例1～3、实施例4～6、实施例7～8和实施例9～11分为四组，实施例12～13为对比组，进行对比，具体如下：
（1）首先，将实施例1～3结合实施例12～13进行性能对比，从表1中数据可以看出，实施例1～3的数据明显优于对比例1～3的数据，实施例1～3的非线性电阻片厚度均为400mm，且能量密度在400J/cm3左右，即在电网中一次侧电压下平均每毫米厚度电场强度均位于25-38V/mm，且陶瓷非线性电阻片的最大通流为5000A。
说明本申请技术方案优化了高能高残压比的非线性电阻片组成成分，通过在该非线性器件中添加改性颗粒，由于传统的氧化锌非线性器的残压比都比较低，需要通过掺杂改性元素提高其残压比。由于ZnO压敏电阻的伏安特性曲线的大电流区主要是由ZnO晶粒电阻决定的，如果提高ZnO压敏电阻的残压，就必须提高大电流区的晶粒电阻。所以本申请通过改性元素的掺杂，有效提高晶粒电阻，从而进一步提高了非线性电阻片的残压比。
（2）将实施例4～6和实施例1进行对比，实施例4～6和实施例1的不同之处在于选用的改性颗粒中，银盐或铜盐不同，由于实施例4～6的数据无明显变化，说明不同银盐或铜盐的选择对本申请的影响不大。
（3）将实施例7～9和实施例1进行对比，结合表1可以看出，由于实施例7～9中采用的是单质材料，说明本申请技术方案采用单质形态的改性颗粒对非线性器件进行改性处理，由于金属单质材料在实际的烧结过程中，改性颗粒会扩散进入氧化锌非线性器件中，通过金属改性颗粒存在的界面元素扩散和迁移的现象，少量的金属改性单质进入非线性器件材料中并扩散至氧化锌的晶格中，当非线性电阻片中含有单质金属元素后，氧化锌的晶粒电阻增大，从而提高了该非线性电阻片的残压比，从而使其能作为稳定的材料来实现电流限制回路的技术方案。
（4）将实施例10～11和实施例1进行对比，实施例10～11和实施例1的不同之处在于压制成型的压力不同，结合表1的数据可以看出，实施例9的非线性电阻片具有良好的结构稳定性，从而进一步提高了非线性电阻片能量密度，说明实施例9的压制成型的压力最佳。
本申请还提供了一种高能高残压比的非线性电阻片的并联电路，参照图1，电路至少包括两个氧化锌阀片，陶瓷非线性电阻片为多个且与氧化锌阀片对应，每一个氧化锌阀片一端相互连接，每一个氧化锌阀片另一端均与对应的陶瓷非线性电阻片一端连接，每一个陶瓷非线性电阻片另一端相互连接。本实施例中，电路中为两个氧化锌阀片以及两个陶瓷非线性电阻片，一个氧化锌阀片与对应的陶瓷非线性电阻片串联并构成支路，两条支路并联。通过上述多条支路并联组成的过电压保护装置，可以任意串、并联组合，容量可以无限增大。
工作时，某一支路残压低，电流流过该支路，对外等效U1（即支路的电压）=URN1（即氧化锌阀片的电压）+URX1（即陶瓷非线性电阻片的电压）,随着电流增大，URX1电压升高，U1升高＞U2（即另一支路的电压），电流流过另一支路，同理，U2升高＞U1，切换至U1对应的支路，那么，两个支路来回，自动切换，RX1以及RX2（即陶瓷非线性电阻片）对相应支路中的过电流以及过电压进行消耗，实现了自动均压均流。
参照图2，为实现非线性电阻片可以吸收尖波电压，非线性电阻片的残压比为3-4，相较于常规的压敏电阻残压比小于3，具有更好的吸能效果。通常的压敏电阻两端的电压为U1时，对应的电流为I2，而陶瓷非线性电阻片两端的电压也为U1时，对应的电流为I1，陶瓷非线性电阻片对应的伏安特性曲线相较于压敏电阻的更加陡峭，使得电路中电压升高时吸收电路中的能量效果更佳。陶瓷非线性电阻片平均每毫米厚度电场强度为25-38V/mm，陶瓷非线性电阻片的最大通流为5000A，使得陶瓷非线性电阻片可用吸收高能且可长时间通流发热。某一支路的电压升高时，陶瓷非线性电阻片的电压升高，而陶瓷非线性电阻片在两端电压上升时电阻变大，使得流至陶瓷非线性电阻片的电流增大，该支路中的能量增大，而陶瓷非线性电阻片最大通流为5000A，使得支路中的电流难以击穿陶瓷非线性电阻片，同时陶瓷非线性电阻片可以将支路中的能量进行消耗。
目前，为了保证氧化锌阀片所在的支路能均流均能，通常会采用在所在支路中串联小阻值的线性电阻或者在所在支路中串联快速熔断器，以利用电阻上的压降实现均流，而当支路中电流过大时，小阻值的线性电阻或者快速熔断器会烧毁。而本申请不同于上述传统的方式，是利用陶瓷非线性电阻片的材料优势特性，即陶瓷非线性电阻片在材料优势特性的基础上具备高能高残压比的特性，以使在某一支路中电流过大时，该支路中的陶瓷非线性电阻片可以快速吸能，进而达到各支路的均流均能的状态的目的，相较于串联小阻值的线性电阻或者快速熔断器，耐用性好且使用寿命长。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对申请的保护范围进行限制。显然，所描述的实施例仅仅是本申请部分实施例，而不是全部实施例。基于这些实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请所要保护的范围。
Claims (5)
1.一种高能高残压比的非线性电阻片，其特征在于，包括陶瓷非线性电阻片，所述陶瓷非线性电阻片的残压比Kr为3-4，当所述陶瓷非线性电阻片两端过流或者过压时，所述陶瓷非线性电阻片用于吸收过电流或者过电压；
所述陶瓷非线性电阻片平均每毫米厚度电场强度为25-38V/mm，所述陶瓷非线性电阻片的最大通流为5000A；
所述陶瓷非线性电阻片包括以下重量份物质：ZnO 40～50份；Bi2O3 0.3～0.5份；Sb2O3 0.3～0.5份；MnO2 0.3～0.5份；Cr2O3 0.3～0.5份；B2O3 0.1～0.2份；SiO2 0.5～0.7份；改性颗粒0.005～0.01份；所述改性颗粒包括改性元素，所述改性元素包括Cu或Ag中的一种或多种，所述Cu元素以单质铜的形式存在，所述Ag元素以单质银的形式存在。
2.根据权利要求1所述的一种高能高残压比的非线性电阻片，其特征在于，包括以下重量份物质：ZnO 45份；Bi2O3 0.4份；Sb2O3 0.4份；MnO2 0.4份；Cr2O3 0.4份；B2O3 0.15份；SiO20.6份；改性颗粒0.0075份。
3.根据权利要求2所述的一种高能高残压比的非线性电阻片，其特征在于，所述改性元素的质量分数不小于3×10-5。
4.根据权利要求1所述的一种高能高残压比的非线性电阻片，其特征在于，所述陶瓷非线性电阻片的制备工艺为：S1、原料混合：按配方称取各原料并研磨，真空干燥收集得混合颗粒；S2、浆液制备：将混合颗粒与聚乙烯醇水溶液搅拌混合，超声分散收集得分散浆液；S3、喷雾干燥：将分散浆液置于喷雾干燥装置中干燥并收集得干燥颗粒；S4、压制成型：将混合颗粒置于液压装置中压制成型，收集得压制坯料；S5、烧结成型：将压制坯料置于马弗炉中，升温加热并烧结成型，静置冷却至室温，即可制备得所述一种高能高残压比的非线性电阻片。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种高能高残压比的非线性电阻片的并联电路，其特征在于，所述电路至少包括两个氧化锌阀片，所述陶瓷非线性电阻片为多个且与氧化锌阀片对应，每一个所述氧化锌阀片一端相互连接，每一个所述氧化锌阀片另一端均与陶瓷非线性电阻片一端连接，每一个所述陶瓷非线性电阻片另一端相互连接。
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