Comment et pourquoi une défaillance de varistance se produit, y compris l'effet des surtensions multi-impulsions

Nous étions en 2011 et une expérience était en cours en Chine pour enregistrer les effets d’un éclair déclenché sur une ligne aérienne de transport. La ligne était instrumentée pour enregistrer les courants induits et les instruments étaient protégés par une varistance à oxyde métallique (MOV). Une varistance est souvent appelée MOV (Metal Oxide Varistor). L'éclair enregistré consistait en plusieurs coups de retour, dont aucun ne dépassait la valeur Imax du MOV. Mais, à la grande surprise des expérimentateurs, le MOV a été endommagé.

Comment cela pourrait-il arriver? Et plus important encore, pourquoi Imax ne pourrait-il pas constituer une bonne base pour sélectionner un MOV pour la protection contre la foudre, et existe-t-il des alternatives ? Pour aider à répondre à ces questions, nous verrons dans cet article ce qu'est un MOV et comment la façon dont il est créé influence son comportement en cas de surtension, comment les pannes se produisent et comment les surtensions multi-impulsions diffèrent des surtensions simples dans leur effet sur les propriétés du MOV.

Afin de comprendre la défaillance, il est utile d'expliquer comment sont fabriquées les varistances. À cet égard, trois choses sont à noter.

Premièrement, les varistances sont un matériau céramique composé principalement d'oxyde de zinc (ZnO). Dans des conditions ambiantes, le ZnO cristallise en une structure wurtzite hexagonale, comme le montre la figure 1, où les grosses boules représentent le Zn et les petites boules représentent l'oxygène (O). Il s’agit d’une structure complexe qui, si elle cristallisait parfaitement, serait un isolant. Mais comme le processus de cristallisation n'est pas parfait, les lacunes en oxygène ou les interstitiels en zinc qui en résultent font que cette structure devient un semi-conducteur à grand espace ayant une résistivité relativement faible de 1 à 100 Ω-cm à température ambiante.

Figure 1 : Structure wurtzite. Les grosses boules représentent le Zn et les plus petites boules représentent l'oxygène.

Deuxièmement, une varistance n’est pas un cristal de wurtzite uniforme, mais plusieurs cristaux qui fusionnent en grains. Pour transformer le ZnO en varistance, une petite quantité de Bi2O3 est ajoutée. Le Bi2O3 pénètre dans les joints de grains, comme le montre la figure 2. En plus du Bi2O3, du MnO peut être ajouté pour améliorer les propriétés non linéaires ; Sb2O3 pour contrôler la croissance des grains de ZnO et une petite quantité d'Al2O3 pour augmenter la conductivité des grains de ZnO.

Figure 2 : Micrographie typique de la structure de la varistance

Le Bi2O3 entre deux grains de ZnO entraîne la formation de diodes Schottky back-back. Donc, essentiellement, une varistance est un agencement série-parallèle de matériaux de type n séparés par des diodes Schottky arrière ayant une chute de tension d'environ 2 V-3 V par jonction limite de grain (indépendante de la taille des grains). Selon He [1], cette structure peut être caractérisée électriquement par l'équation (1).

(1)

Où V est la tension appliquée et I est le courant traversant la varistance. Ici, E, A1, A2, Vth et m sont des constantes liées aux caractéristiques électriques de la varistance, et α est le coefficient non linéaire habituel de la varistance. L'équation (1) est utile pour expliquer la forme de la courbe de la varistance VI. E est l'énergie d'excitation de la varistance, K la constante de Boltzmann, A1, A2 et m sont des constantes liées aux caractéristiques électriques de la varistance, Vth est la tension de seuil.

Le premier terme de l'équation (1) est rarement inclus dans la description VI d'une varistance. Il s'agit du courant d'émission Schottky dans la région à faible courant de la varistance. Le deuxième terme est le courant non linéaire habituel dans la région des courants élevés.

Les constantes de l'équation (1) sont contrôlées en faisant varier la composition du matériau de la varistance et le temps de frittage du processus de fabrication. La tension de seuil Vth dépend également de la composition et des conditions de frittage. Ceux-ci contrôlent le nombre de joints de grains entre les deux électrodes. Puisque Vth est proportionnel au nombre de joints de grains, plus de joints de grains entraînent un Vth plus élevé.

Troisièmement, cette variation dans le processus de fabrication des varistances et les fluctuations statistiques qui l'accompagnent dans les propriétés qui se produisent généralement dans les matériaux polycristallins font que les varistances résultantes ont des propriétés électriques inhomogènes. Cela suggère que :