压敏电阻在线监控技术研究
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法，可在 MOV 失效前发出告警信号，及时处理，从而避免严重事故发生。通过实践证明监控方法有效并 且规模应用。监控技术在 MOV 器件上实现技术和应用突破，供其他类型浪涌保护器件参考，以期带动整 体保护器件的失效预防。 关键词
压敏电阻 ；监控 ；浪涌保护器件 Abstract
In view of the failure and combustion accidents of metal oxide varistors (MOV) during work, this article gives several methods for online monitoring of MOV, and sends out warning signals before MOV fail, and handles them in time, so as to avoid serious accidents. Practice has proved that the monitoring method is effective and applied on a large scale. Monitoring technology has achieved technological and application breakthroughs in MOV devices, which can be used as a reference for other types of surge protection devices, so as to promote the failure prevention of overall protection devices.
Keywords
MOV; monitor; surge protection device
引言
金属氧化物压敏电阻（MOV）是一种半导体元件、 具有独特的晶界结构，其电阻值随着电压的增大而急剧 减小，具有优异的非线性伏安特性、高通流容量、低残 压、无续流且成本较低等优点，已被首选使用在电源和 信号口作为过电压保护元件。
续推动一个较大的电流灌
入 短 路 点， 形 成 高 热 而 起 火，如图 1 所示 [1]。
图 1 MOV 老化失效表象
（2）暂态过电压或工频电压破坏，这是指较强的暂
态过电压使电阻体穿孔，导致更大的电流，超过 MOV 本身所能承受的功率，导致高温起火，如图 2 所示 [1]。
1.2 MOV 失效指标
压破坏两种类型 ：
（1）老化失效，长时间工作状态中，漏电流超过规
定限值，并呈非线性增加，压敏电压显著下降，直至为零。
MOV 体由于存在超过常规的漏电流，使得内部低阻线性
化逐步加剧，漏电流恶性增
加 且 集 中 流 入 薄 弱 点， 薄
弱点材料融化，形成 1 kΩ
左 右 的 短 路 孔 后， 电 源 继
2021 年第 3 期 安全与电磁兼容 93
PROFESSIONAL RESEARCH
5 结语
压敏电阻状态能够实时监控和在线检测，并对异 常状态实时进行上报告警信息，在失效和进一步发生燃 烧前，及时进行解决，杜绝严重问题的发生，已经成 为压敏电阻应用的趋势。本文结合目前保护器件行业 发展情况和相关文献资料，给出一些在线监控设计方 法，同时供其他类型浪涌保护器件设计参考。下一步将 针对气体放电管（GDT）和瞬态抑制二极管（TVS）的 自身特性、MOV 的异同，给出具体防护方法。随着未 来科技发展和产品自身更高要求，也一定会有更新技术 产生。
MOV 有两个重要参数：
压敏电压和漏电流。
压敏电压指通过规定
电 流（ 一 般 为 1 mA） 时，
MOV 两 端 产 生 的 端 电 压，
又称为标称电压，即击穿电
压或阈值电压。压敏电压直
接作为衡量 MOV 好坏的一 个标准。压敏电压误差范围
图 2 MOV 连续过电压 失效表象
ห้องสมุดไป่ตู้
2021 年第 3 期 安全与电磁兼容 91
MOV 本身通流容量虽大，但能量容量却不大，即 它的额定连续功率很小，常用的 MOV 额定功率一般都 是 mW 级别，在通过恒流时就无法承受了。比如 MOV 运行在 U=53 V 电路中，由于老化产生漏电流 100 μA， 根据 P=UI，将 U= 53 V 及 I=100 μA 代入，计算得出 发热功耗为 5.3 mW，和 MOV 本身功率是一个级别的了。 当 MOV 漏电流达到毫安级时，足够超过本身所能承受 的连续功率，引起燃烧问题。
针对 MOV 失效引起的燃烧问题，目前业界主流都 是采用堵的方法，存在很多缺点，无法达到真正解决 MOV 燃烧问题的目的。最新的研究技术通过疏的方法， 提前预防告警和处理，从而真正杜绝 MOV 发生燃烧问 题。目前这方面技术，主要从温度异常和漏电流异常两 方面去考虑。
1 MOV 失效机理和指标
1.1 失效机理 从原因上分析，MOV 可分为老化失效和暂态过电
（5）在图 6 基础上，给 TCO1 加个告警二极管灯， 保证现场也能观察到 MOV 状态，这样利用 TCO 监控 MOV 状态的设计方法就很完善，如图 7 所示。 3.2 低熔点焊接 + 微动开关技术
低熔点焊接 + 微动开关技术也是目前很多 SPD 厂
92 SAFETY & EMC No.3 2021
不影响 MOV 性能，并且器件状态能够实时监控、 检测和处理，避免燃烧，是器件厂家和设备厂家共同的 愿望。目前这方面技术，主要从温度异常和漏电流异常 两方面去考虑。
才能知道 MOV 状态。于是可把 TCO 状态转换为告警信 号输出，通过板上信号处理器把 TCO 熔断信号作为告 警信号上报。如图 4 所示。
热熔接点应与电阻体有良好的热耦合，当最大冲 击电流流过时不会断开，但当温度超过 MOV 体上限工 作温度时即断开。内含 TCO 的 MOV 又称 TMOV[2]。
（2）上述方法有个弊端，必须在现场观察灯的状态
图 5 MOV 并排 TCO+ 告警信号输出方案
（4）上述方案也存在隐患，如果告警信号没有及 时被发现，或者发现没有处理，则 MOV 持续积累热量， 最终会造成燃烧。在图 5 基础上，MOV 回路再串联一 个熔断点（温度系数）比 TCO2 高的 TCO1。这样就能 保证如果告警信号没有及时处理时，TCO1 会随着温度 继续升高而熔断，避免 MOV 燃烧。如图 6 所示。
2 MOV 防燃设计方法
针对 MOV 失效引起的燃烧问题，有外加防爆盒设 计，或在 MOV 外面涂覆防燃烧物质，或给 MOV 套上 防燃烧套管，保证 MOV 不会燃烧或在意外燃烧时，不 影响到环境和周围器件。但这些方法存在很大缺点，影 响 MOV 散热，降低性能，以牺牲 MOV 本身性能为代价； 另外，都不带在线监控功能，无法输出告警信号，无法 大规模商用。
图 10 MOV 可监控告警具体设计方案
图 10 在图 7 基础上增加告警信号处理电路，电路 中增加一个防反二极管，防止电源反接时对电路造成破 坏。利用光耦将 TCO2 断开的高电平信号转换为低电平 逻辑信号，起到隔离和转换作用。转换后的逻辑信号 （即告警信号）输入给后级 CPLD，CPLD 逻辑负责产生 中断，针对过来的中断信号 , 软件人员编写告警代码在 CPU 中运行，通过网络发送告警信息给网管平台，网 管平台 24 小时监控告警信息。由于光耦本身通流能力 很小，需要增加电阻 R1 和 R2 进行限流，同时增加电容 对信号进行滤波。MOV 参数可根据防护电路电源性质、 后级别被保护电路的性质和防护的瞬态冲击幅值，来确 定合适的压敏电压、嵌位电压和最大通流能力。
成本高。
体积过大，成 电路复杂和成
本高。
本上升。
适用 场合
通用于设备电源 板和单板。
用于防雷单元 或电源分配单
元（PDU）。
用于精密仪器 和高端设备。
图 7 MOV 串联 TCO1+ 并排 TCO2+ 告警信号输出 + 指示灯 方案
如图 8 所示，正常状态时，微动开关的控制杆是 被遮弧滑块压下的，微动开关处于短路状态，输出短信 信号。当电源模块内部的 MOV 失效过热后，低温脱扣 焊台熔化，脱离弹片弹起，遮弧滑块会在弹簧的作用下， 向前移动，不再压制微动开关控制杆，使得微动开关的 控制杆向上弹起，这时微动开关的状态会由短路状态变 更为开路状态，输出开路干接点信号。
专题研究
压敏电阻在线监控技术研究
Research on Online Monitoring Technology of Metal Oxide Varistors
中兴通讯南京研发中心 张本军 徐加征
摘要 针对金属氧化物压敏电阻（MOV）在工作中出现的失效和燃烧事故，给出了几种在线监控 MOV 的方
4 告警信号处理设计
以使用 TCO 技术作为在线监控和输出告警信号为 例，图 10 给出告警信号处理的原理框图，其他监控方 法告警信号处理方法可类似参考。
图 8 低温焊点 + 微动开关 + 告警信号输出方案
3.3 电流监控技术 利用电流互感器（CT）监测通过 MOV 的漏电流，
并将漏电流信号传送到前级放大电路，由前级放大电路 对 μA 级电流进行放大。放大后的信号，供给单板上 处理单元进行采样及数据处理，完成对 MOV 漏电流的 实时监控 [3]。当 MOV 漏电流超过预警门限值时，处理 单元将告警信息实时发送至后台监控管理单元，框图如 图 9 所示。
专题研究
家采用的技术，主要通过温度和机械装置来完成。在 MOV 引脚处增加一个低熔点焊接点。在 MOV 漏电流过 大，温度升高到一定程度时，焊接点熔断，在机械外力 作用下焊接点迅速分离，从而将 MOV 从电路中切除， 同时联动告警触发，利用微动开关的灵敏性，发出告警 信号。
图 6 MOV 串联 TCO1+ 并排 TCO2+ 告警信号输出方案
3 MOV 在线监控设计方法
3.1 温度保险丝（TCO）技术 （1）该技术将 MOV 和 TCO 串联封装在一起，利用
热传导将漏电流在 MOV 上产生的热量传导到 TCO 上， 在温度升高至 TCO 的设定温度时（此温度也是 MOV 本 身所能承受的最大温度），TCO 熔断，将 MOV 从电路 中断开，不再有电流通过 MOV，主电路不受影响，工 作正常。同时并联二极管信号灯在 TCO 熔断时，信号 灯熄灭，给外界发出异常信号，如图 3 所示。
PROFESSIONAL RESEARCH
为 ±10%，如果超出此范围，则作为失效的判据。这也 是厂家测试、生产检验的参考依据。
漏电流是指 MOV 在规定的温度和最大直流工作电压 下，流过 MOV 的电流。一般要求小于 20 μA 或 10 μA。 在实际使用中，需注意的不是静态漏电流值本身的大小， 而是稳定性（即稳定变化率），μA 级别，没有发生突变， 即认为是稳定的。
漏电流 20 μA 只是作为元器件厂家接受检查的一 个参考依据，不作为实际应用中失效的判据。在实际应 用中，此数值过于严格。针对浪涌保护器件（SPD）具 体应用 GB/T 18802. 11《低压浪涌保护器件 第 11 部分： 性能要求和试验方法》，合格判据规定了在经过测试之 后漏电流不能超过 1 mA。这与 MOV 本身特性符合，在 漏电流为 μA 级别时，变化率固定，MOV 通过和环境 的热交换，本身并不积累热量，属于正常工作状态 ；但 漏电流一旦突破 μA 级到 mA 级别时，就呈非线性突变， 热量开始积累，加剧漏电流进一步增大，直到产生燃烧 现象。目前在线监控技术主要是基于这个特性设计。
图 3 MOV 串联 TCO+ 指示灯方案
图 4 MOV 串联 TCO+ 告警信号输出方案 （3）由于 TCO 串联在 MOV 回路上，对 TCO 的温 度敏感性要求特别高，以免在浪涌时误动作，存在 TCO 选型上放宽温度要求，结果可能造成压敏超温时，TCO 不能及时熔断。为避免这个问题，在 MOV 旁边紧密并 排一个温度系数相对小些，对温度更敏感的 TCO，能 够保证 MOV 超温时及时熔断，并把断路信号作为告警 信号上报，如图 5 所示。
图 9 监控漏电流进行告警输出方案
3.4 方案分析 上述对防护器件在线监控方案，针对不同产品和
应用场合，各有自己的优缺点，具体见表 1。
表 1 各种在线监控方案比较
方案
TCO 技术
微动开关技术 电流监控技术
电路简单，节省 电路简单，性 优点
空间，成本低。 能可靠。
检测监控精 准，量化。
缺点
不适合波峰焊生 产，大规模加工
压敏电阻 ；监控 ；浪涌保护器件 Abstract
In view of the failure and combustion accidents of metal oxide varistors (MOV) during work, this article gives several methods for online monitoring of MOV, and sends out warning signals before MOV fail, and handles them in time, so as to avoid serious accidents. Practice has proved that the monitoring method is effective and applied on a large scale. Monitoring technology has achieved technological and application breakthroughs in MOV devices, which can be used as a reference for other types of surge protection devices, so as to promote the failure prevention of overall protection devices.
Keywords
MOV; monitor; surge protection device
引言
金属氧化物压敏电阻（MOV）是一种半导体元件、 具有独特的晶界结构，其电阻值随着电压的增大而急剧 减小，具有优异的非线性伏安特性、高通流容量、低残 压、无续流且成本较低等优点，已被首选使用在电源和 信号口作为过电压保护元件。
续推动一个较大的电流灌
入 短 路 点， 形 成 高 热 而 起 火，如图 1 所示 [1]。
图 1 MOV 老化失效表象
（2）暂态过电压或工频电压破坏，这是指较强的暂
态过电压使电阻体穿孔，导致更大的电流，超过 MOV 本身所能承受的功率，导致高温起火，如图 2 所示 [1]。
1.2 MOV 失效指标
压破坏两种类型 ：
（1）老化失效，长时间工作状态中，漏电流超过规
定限值，并呈非线性增加，压敏电压显著下降，直至为零。
MOV 体由于存在超过常规的漏电流，使得内部低阻线性
化逐步加剧，漏电流恶性增
加 且 集 中 流 入 薄 弱 点， 薄
弱点材料融化，形成 1 kΩ
左 右 的 短 路 孔 后， 电 源 继
2021 年第 3 期 安全与电磁兼容 93
PROFESSIONAL RESEARCH
5 结语
压敏电阻状态能够实时监控和在线检测，并对异 常状态实时进行上报告警信息，在失效和进一步发生燃 烧前，及时进行解决，杜绝严重问题的发生，已经成 为压敏电阻应用的趋势。本文结合目前保护器件行业 发展情况和相关文献资料，给出一些在线监控设计方 法，同时供其他类型浪涌保护器件设计参考。下一步将 针对气体放电管（GDT）和瞬态抑制二极管（TVS）的 自身特性、MOV 的异同，给出具体防护方法。随着未 来科技发展和产品自身更高要求，也一定会有更新技术 产生。
MOV 有两个重要参数：
压敏电压和漏电流。
压敏电压指通过规定
电 流（ 一 般 为 1 mA） 时，
MOV 两 端 产 生 的 端 电 压，
又称为标称电压，即击穿电
压或阈值电压。压敏电压直
接作为衡量 MOV 好坏的一 个标准。压敏电压误差范围
图 2 MOV 连续过电压 失效表象
ห้องสมุดไป่ตู้
2021 年第 3 期 安全与电磁兼容 91
MOV 本身通流容量虽大，但能量容量却不大，即 它的额定连续功率很小，常用的 MOV 额定功率一般都 是 mW 级别，在通过恒流时就无法承受了。比如 MOV 运行在 U=53 V 电路中，由于老化产生漏电流 100 μA， 根据 P=UI，将 U= 53 V 及 I=100 μA 代入，计算得出 发热功耗为 5.3 mW，和 MOV 本身功率是一个级别的了。 当 MOV 漏电流达到毫安级时，足够超过本身所能承受 的连续功率，引起燃烧问题。
针对 MOV 失效引起的燃烧问题，目前业界主流都 是采用堵的方法，存在很多缺点，无法达到真正解决 MOV 燃烧问题的目的。最新的研究技术通过疏的方法， 提前预防告警和处理，从而真正杜绝 MOV 发生燃烧问 题。目前这方面技术，主要从温度异常和漏电流异常两 方面去考虑。
1 MOV 失效机理和指标
1.1 失效机理 从原因上分析，MOV 可分为老化失效和暂态过电
（5）在图 6 基础上，给 TCO1 加个告警二极管灯， 保证现场也能观察到 MOV 状态，这样利用 TCO 监控 MOV 状态的设计方法就很完善，如图 7 所示。 3.2 低熔点焊接 + 微动开关技术
低熔点焊接 + 微动开关技术也是目前很多 SPD 厂
92 SAFETY & EMC No.3 2021
不影响 MOV 性能，并且器件状态能够实时监控、 检测和处理，避免燃烧，是器件厂家和设备厂家共同的 愿望。目前这方面技术，主要从温度异常和漏电流异常 两方面去考虑。
才能知道 MOV 状态。于是可把 TCO 状态转换为告警信 号输出，通过板上信号处理器把 TCO 熔断信号作为告 警信号上报。如图 4 所示。
热熔接点应与电阻体有良好的热耦合，当最大冲 击电流流过时不会断开，但当温度超过 MOV 体上限工 作温度时即断开。内含 TCO 的 MOV 又称 TMOV[2]。
（2）上述方法有个弊端，必须在现场观察灯的状态
图 5 MOV 并排 TCO+ 告警信号输出方案
（4）上述方案也存在隐患，如果告警信号没有及 时被发现，或者发现没有处理，则 MOV 持续积累热量， 最终会造成燃烧。在图 5 基础上，MOV 回路再串联一 个熔断点（温度系数）比 TCO2 高的 TCO1。这样就能 保证如果告警信号没有及时处理时，TCO1 会随着温度 继续升高而熔断，避免 MOV 燃烧。如图 6 所示。
2 MOV 防燃设计方法
针对 MOV 失效引起的燃烧问题，有外加防爆盒设 计，或在 MOV 外面涂覆防燃烧物质，或给 MOV 套上 防燃烧套管，保证 MOV 不会燃烧或在意外燃烧时，不 影响到环境和周围器件。但这些方法存在很大缺点，影 响 MOV 散热，降低性能，以牺牲 MOV 本身性能为代价； 另外，都不带在线监控功能，无法输出告警信号，无法 大规模商用。
图 10 MOV 可监控告警具体设计方案
图 10 在图 7 基础上增加告警信号处理电路，电路 中增加一个防反二极管，防止电源反接时对电路造成破 坏。利用光耦将 TCO2 断开的高电平信号转换为低电平 逻辑信号，起到隔离和转换作用。转换后的逻辑信号 （即告警信号）输入给后级 CPLD，CPLD 逻辑负责产生 中断，针对过来的中断信号 , 软件人员编写告警代码在 CPU 中运行，通过网络发送告警信息给网管平台，网 管平台 24 小时监控告警信息。由于光耦本身通流能力 很小，需要增加电阻 R1 和 R2 进行限流，同时增加电容 对信号进行滤波。MOV 参数可根据防护电路电源性质、 后级别被保护电路的性质和防护的瞬态冲击幅值，来确 定合适的压敏电压、嵌位电压和最大通流能力。
成本高。
体积过大，成 电路复杂和成
本高。
本上升。
适用 场合
通用于设备电源 板和单板。
用于防雷单元 或电源分配单
元（PDU）。
用于精密仪器 和高端设备。
图 7 MOV 串联 TCO1+ 并排 TCO2+ 告警信号输出 + 指示灯 方案
如图 8 所示，正常状态时，微动开关的控制杆是 被遮弧滑块压下的，微动开关处于短路状态，输出短信 信号。当电源模块内部的 MOV 失效过热后，低温脱扣 焊台熔化，脱离弹片弹起，遮弧滑块会在弹簧的作用下， 向前移动，不再压制微动开关控制杆，使得微动开关的 控制杆向上弹起，这时微动开关的状态会由短路状态变 更为开路状态，输出开路干接点信号。
专题研究
压敏电阻在线监控技术研究
Research on Online Monitoring Technology of Metal Oxide Varistors
中兴通讯南京研发中心 张本军 徐加征
摘要 针对金属氧化物压敏电阻（MOV）在工作中出现的失效和燃烧事故，给出了几种在线监控 MOV 的方
4 告警信号处理设计
以使用 TCO 技术作为在线监控和输出告警信号为 例，图 10 给出告警信号处理的原理框图，其他监控方 法告警信号处理方法可类似参考。
图 8 低温焊点 + 微动开关 + 告警信号输出方案
3.3 电流监控技术 利用电流互感器（CT）监测通过 MOV 的漏电流，
并将漏电流信号传送到前级放大电路，由前级放大电路 对 μA 级电流进行放大。放大后的信号，供给单板上 处理单元进行采样及数据处理，完成对 MOV 漏电流的 实时监控 [3]。当 MOV 漏电流超过预警门限值时，处理 单元将告警信息实时发送至后台监控管理单元，框图如 图 9 所示。
专题研究
家采用的技术，主要通过温度和机械装置来完成。在 MOV 引脚处增加一个低熔点焊接点。在 MOV 漏电流过 大，温度升高到一定程度时，焊接点熔断，在机械外力 作用下焊接点迅速分离，从而将 MOV 从电路中切除， 同时联动告警触发，利用微动开关的灵敏性，发出告警 信号。
图 6 MOV 串联 TCO1+ 并排 TCO2+ 告警信号输出方案
3 MOV 在线监控设计方法
3.1 温度保险丝（TCO）技术 （1）该技术将 MOV 和 TCO 串联封装在一起，利用
热传导将漏电流在 MOV 上产生的热量传导到 TCO 上， 在温度升高至 TCO 的设定温度时（此温度也是 MOV 本 身所能承受的最大温度），TCO 熔断，将 MOV 从电路 中断开，不再有电流通过 MOV，主电路不受影响，工 作正常。同时并联二极管信号灯在 TCO 熔断时，信号 灯熄灭，给外界发出异常信号，如图 3 所示。
PROFESSIONAL RESEARCH
为 ±10%，如果超出此范围，则作为失效的判据。这也 是厂家测试、生产检验的参考依据。
漏电流是指 MOV 在规定的温度和最大直流工作电压 下，流过 MOV 的电流。一般要求小于 20 μA 或 10 μA。 在实际使用中，需注意的不是静态漏电流值本身的大小， 而是稳定性（即稳定变化率），μA 级别，没有发生突变， 即认为是稳定的。
漏电流 20 μA 只是作为元器件厂家接受检查的一 个参考依据，不作为实际应用中失效的判据。在实际应 用中，此数值过于严格。针对浪涌保护器件（SPD）具 体应用 GB/T 18802. 11《低压浪涌保护器件 第 11 部分： 性能要求和试验方法》，合格判据规定了在经过测试之 后漏电流不能超过 1 mA。这与 MOV 本身特性符合，在 漏电流为 μA 级别时，变化率固定，MOV 通过和环境 的热交换，本身并不积累热量，属于正常工作状态 ；但 漏电流一旦突破 μA 级到 mA 级别时，就呈非线性突变， 热量开始积累，加剧漏电流进一步增大，直到产生燃烧 现象。目前在线监控技术主要是基于这个特性设计。
图 3 MOV 串联 TCO+ 指示灯方案
图 4 MOV 串联 TCO+ 告警信号输出方案 （3）由于 TCO 串联在 MOV 回路上，对 TCO 的温 度敏感性要求特别高，以免在浪涌时误动作，存在 TCO 选型上放宽温度要求，结果可能造成压敏超温时，TCO 不能及时熔断。为避免这个问题，在 MOV 旁边紧密并 排一个温度系数相对小些，对温度更敏感的 TCO，能 够保证 MOV 超温时及时熔断，并把断路信号作为告警 信号上报，如图 5 所示。
图 9 监控漏电流进行告警输出方案
3.4 方案分析 上述对防护器件在线监控方案，针对不同产品和
应用场合，各有自己的优缺点，具体见表 1。
表 1 各种在线监控方案比较
方案
TCO 技术
微动开关技术 电流监控技术
电路简单，节省 电路简单，性 优点
空间，成本低。 能可靠。
检测监控精 准，量化。
缺点
不适合波峰焊生 产，大规模加工