一種防雷產品的壓敏電阻熱致?lián)p毀評估方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及防雷產品熱致?lián)p毀領域，特別是涉及一種防雷產品的壓敏電阻熱致?lián)p 毀評估方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 雷電具有高電壓，大電流和瞬間電磁沖擊特性。雷擊電涌(Surge)對各類微電子設 備和電子信息系統(tǒng)(包括計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)以及電力電子 裝置等）安全運行帶來極大的威脅。在現(xiàn)代防雷系統(tǒng)中，電涌保護器（Surge Protective Device，SPD)通過自身電子元器件的非線性伏安特性，有效地將瞬時過電壓限制在安全范 圍之內，將大電流快速地泄放到大地，保證設備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。
[0003] 電涌保護器自身安全性和耐沖擊性能受到關注，當受到多脈沖大電流重復沖擊 時，電涌保護器中的金屬氧化物壓敏電阻(Metal Oxide Varistors，M0V)熱吸收和熱釋放 失去平衡，MOV熱量迅速積聚，超過其極限耐受能量，導致電涌保護器熱致?lián)p毀，嚴重影響設 備或系統(tǒng)的安全，甚至引發(fā)火災。通常，雷電脈沖沖擊性試驗只針對單個電流脈沖(如8/20μ s)進行電涌保護器的耐沖擊性檢查，忽略重復電流脈沖及復合波形疊加電流脈沖的沖擊次 數及沖擊間隔的影響，導致試驗結果不夠精確。而針對電涌保護器后置保護裝置(如后置機 械脫扣裝置，熔斷器等），現(xiàn)有的檢測技術是基于破壞性試驗，極大地浪費了生產資源，嚴重 影響了生產效率。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種防雷產品的壓敏電阻熱致?lián)p毀 評估方法，以可以非破壞性地評估不同類型的雷電流脈沖沖擊電涌保護器的熱積聚量以及 電涌保護器后置保護裝置精準脫扣動作的可靠性。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0006] -種防雷產品的壓敏電阻熱致?lián)p毀評估方法，所述防雷產品具有電涌保護器與電 涌保護器后置保護裝置，所述方法包括：
[0007] S1、對雷電流脈沖進行簡化建模，獲得雷電流脈沖簡化模型；
[0008] S2、對電涌保護器中的壓敏電阻進行等效電路建模，獲得壓敏電阻等效電路模型；
[0009] S3、對所述壓敏電阻以及所述電涌保護器后置保護裝置進行三維實體建模與有限 元數值建模，獲得壓敏電阻及電涌保護器后置保護裝置的實體模型與有限元數值模型；
[0010] S4、將所述雷電流脈沖簡化模型、壓敏電阻等效電路模型中的物理場量與所述實 體模型進行耦合，以獲得壓敏電阻及電涌保護器后置保護裝置的感應電磁場和熱力場的多 場耦合模型；
[0011] S5、對所述多場耦合模型和所述有限元數值模型進行求解，在獲得特定時間后壓 敏電阻及電涌保護器后置保護裝置關鍵節(jié)點的溫度變化及其溫度峰值在時間和空間上的 規(guī)律的基礎上，對防雷產品避免熱致?lián)p毀的可靠性與安全性進行評估，和/或對電涌保護器 后置保護裝置的靈敏性進行評估。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟S1中，在對雷電流脈沖進行簡化建模時，通過選取可積的雙指數 函數作為雷電流函數脈沖表達式建立雷電流脈沖簡化模型，這是由于雷電流的電磁場表達 式中既有與通道電流有關的項(感應場項)和與電流導數有關的項(輻射場項），又有與電流 對時間積分有關的項（靜電場項），因此選取可積的雙指數函數作為雷電流函數脈沖表達 式，所述可積的雙指數函數為：
[0013]
UJ
[0014] 式中，ω為峰值修正因虧
ι，β為波形擬 合常數，1〇為短路電流峰值。
[0015] 具體地，對于10/35〇ys的電流脈沖，選取下列函數作為雷電流函數脈沖表達式，建 立雷電流脈沖簡化模型：
[0016] ?(?)=ΑιΙωι(θ^-θ^)；
[0017] 式中，Αι = 1.025，α = 2.05 Χ10-3(48)4 4 = 0.564(48^
[0018] 對于8/20ys的電流脈沖，則選取下列作為雷電流函數脈沖表達式，建立雷電流脈 沖簡化模型：
[0019]
[0020] 式中，A2 = 0.01243，T = 3.11ys。
[0021] 優(yōu)選地，所述步驟S2中，在對電涌保護器中的壓敏電阻進行等效電路建模時，根據 壓敏電阻的伏安特性曲線，建立分段等效電路模型;所述分段等效電路模型包括預擊穿區(qū) 等效電路模型，擊穿區(qū)等效電路模型，以及回升區(qū)等效電路模型。
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟S3中，利用CAD軟件對壓敏電阻以及所述電涌保護器后置保護裝 置進行三維實體建模，并通過CAE軟件賦予所述實體模型各個部分的材料特性及相關的性 能參數。
[0023] 為了簡化建模，便于分析外加雷電電流脈沖產生的熱效應對壓敏電阻及電涌保護 器后置保護裝置的影響，在利用CAD軟件對壓敏電阻進行三維實體建模過程中，忽略次要影 響因素對其進行建模，所述次要影響因素包括以下因素中的任意一個或任意多個:壓敏電 阻本身微觀晶粒的各向異性、致密度不均勻性、氣孔，以及壓敏電阻老化、劣化系數。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟S4中，利用CAE軟件導入所述雷電流脈沖簡化模型、壓敏電阻等 效電路模型，并在CAE軟件中添加電磁加熱和傳熱這兩個物理場，通過對電磁加熱和傳熱這 兩個物理過程進行分析，進一步簡化所述雷電流脈沖簡化模型與壓敏電阻等效電路模型。
[0025] 具體地，在進一步簡化雷電流脈沖簡化模型時，根據雷電流的類型作進一步的簡 化建模，對于單一波形重復電流脈沖，選用以下函數作為雷電流函數脈沖表達式，建立雷電 流單一波形重復多脈沖簡化模型：
[0026]
[0027]其中，k = 0, At，2At，· · ·，（η_1) Δ t;
[0028] 式中，Im2為短路電流峰值，△ t為脈沖沖擊時間間隔，η為脈沖沖擊次數；
[0029] 對于復合波形疊加電流脈沖，選用以下函數作為雷電流函數脈沖表達式建立雷電 流復合波形疊加多脈沖簡化模型：
[0030] 、…Δ 廠
[0031 ]其中，ki = 0, Δ ti，2 Δ ti，· · ·，（η-1) Δ ti，k2 = 0, A t2,2 Δ t2, · · ·，（η-1) Δ t2式中， Iml為其中一電流脈沖Ii的短路電流峰值，a為電流脈沖Ii所占百分比系數，△ ti為電流脈沖 II的脈沖沖擊時間間隔，Im2為另一電流脈沖12的短路電流峰值，A t2為電流脈沖12的脈沖沖 擊時間間隔，η為脈沖沖擊次數；
[0032] 在進一步簡化壓敏電阻等效電路模型過程中，通過計算出壓敏電阻的吸收能量， 并考慮壓敏電阻的熱弛豫現(xiàn)象來分析壓敏電阻的受熱情況來進行簡化建模。
[0033] 其中，在計算壓敏電阻的吸收能量時，利用公式
[0034]
[0035] 來進行計算，式中，W為吸收能量，C為波形相關常數，u(t)為施加于壓敏電阻上的 瞬時電壓，i(t)為施加于壓敏電阻上的瞬時電流;即可以從施加于壓敏電阻上的電流、電壓 的幅值和持續(xù)時間計算出壓敏電阻的吸收能量。
[0036] 由于壓敏電阻在受到電流脈沖的沖擊作用，產生熱效應，其存在著熱弛豫現(xiàn)象，即 壓敏電阻還未開始散熱，下一個電流脈沖已開始作用于壓敏電阻，因此，在對壓敏電阻進行 簡化模型過程中將壓敏電阻的熱弛豫現(xiàn)象這一因素考慮在內。其中，熱弛豫時間τ可表示 成：
[0037]
[0038]式中，X為壓敏電阻元件厚度，ath為熱擴散系數，其定義為：
[0039]
[0040] 式中，K為壓敏電阻的熱導率，P為壓敏電阻的密度，Cp為壓敏電阻的比熱。
[0041]優(yōu)選地，所述步驟S5中，利用CAE軟件對步驟S4中建立的多場耦合模型和有限元數 值模型進行求解，并對求解結果進行分析，借此來對防雷產品避免熱致?lián)p毀的可靠性、安全 性，以及對電涌保護器后置保護裝置的靈敏性進行評估；
[0042]在評估過程中，通過對所述實體模型施加特定的單一波形重復電流脈沖和/或復 合波形疊加電流脈沖，觀察分析壓敏電阻以及所述電涌保護器后置保護裝置關鍵點的溫度 隨時間的變化，并通過改變雷電流脈沖的參數，進一步分析在不同雷電流脈沖的作用下，分 析壓敏電阻的受熱情況和電涌保護器后置保護裝置關鍵點的溫度變化。此外，還可以通過 CAD改變所述實體模型的參數，觀察特定規(guī)格壓敏電阻在特定電流脈沖作用下所能耐受的 沖擊次數。
[0043] 基于上述方法的發(fā)明構思，本發(fā)明還提供了一種防雷產品的壓敏電阻熱致?lián)p毀評 估系統(tǒng)，其應用于具有電涌保護器與電涌保護器后置保護裝置的防雷產品，所述系統(tǒng)包