氧化锌非线性电阻的工频特性

从图 5 和图 6 可以看出，在工频正弦电路中 MOV 有以下特性： 1) MOV 的电流峰与电压峰在时间上不重合，电流峰总是滞后于电压峰。 无论在工频恒流源还是恒压源条件下，MOV 电流峰点的时间位置，总是滞后于电压峰点的。在本文的恒 压源实验中大体滞后 1ms，而在恒流源的实验中大体滞后 1.5ms。大量实验结果表明，这个滞后时间的数值是 随着 MOV 的非线性程度，测试电流的波形和峰值，以及测试电源的内阻抗等因素而变化的。 在恒压源实验中， 电源电压峰点时刻在 5ms， 这时的阻性电流是 1.316A， 而阻性电流的峰值 （IVM） 是 2.079A。 这就直接证明了 “以电源电压峰点时刻的电流值作为电阻性电流的峰值 ”这个观点是不正确的。 目前，在部分工程师中，在下面两个技术观点上尚有争论，通过争论达成统一是有益的。 一个争论点是，MOV 的电流波和电压波的峰值，是否应出现在同一时刻？一种观点认为，“电流波与电 压波同相位是电阻性元件的特性，MOV 是电阻性的，所以应当在同一时刻”。但前面的实验否定了这一推论， 那么应当怎样来看待这一矛盾呢？笔者认为，电阻性元件的本质特征是把电能转变为热能，电流波与电压波同 相位是线性电阻的特性，不同相是非线性电阻器的特性。 另一个争论点是，MOV 的电流峰滞后于电压峰这个物理现象，是否是“电感”现象？一种观点认为“是”
引言
氧化锌非线性电阻器，或称为金属氧化物压敏电阻器(MOV)，已被大量用作电力避雷器阀片和低压浪涌保 护器(SPD)的主保护元件。在这些应用中，MOV 的工频特性，特别是电阻性电流 IR 或功耗 PR，是生产和应用中 都要经常检测的参数，因为它们与工作可靠性和寿命直接相关。但现行的一些测定方法并不正确，原因是没有 充分理解 MOV 的非线性特性。下面列举两个不正确测量方法的例子。 例一是测试电阻性电流峰值 IRP 的方法。 IEC 技术规范[1]规定， 测定工频电源电压峰值时刻的电流值作为 IRP。 这个方法是从下面的技术观点推论出来的：①依据 MOV 的经典定义[2]，它是电压敏感性元件，它的电导值随 着电压的增高而增大，因此电流峰值应是电压峰点时刻的电流值。②MOV 是电阻性元件，它的电流/电压波形 的峰点应出现在同一时刻。但是最近的研究[3]和本文的实验都表明，这两个观点本身是不正确的，以此为基础 得出的推论当然也不可能正确。 例二是测量 ZnO 避雷器阀片功耗的方法，笔者见到市场上销售的一种仪器，它所显示的功耗等于流过阀片 的阻性电流有效值，与阀片两端电压有效值的乘积。这也是用线性电阻的观点处理非线性电阻特性所导致的错 误。 然而，这两个例子所述的方法，对于线性电阻来说是完全正确的，但用于 MOV 这样的非线性电阻就不对
Electrical Engineering and Automation December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.38-43
Properties of a ZnO Non-linear Resistor Energized with Power Frequency Sources
图 3 MOV 样品(34S-625.1V) 在 50Hz 工频恒压源 下的稳态电流波（1）和电压波（2）
图 4 MOV 样品(34S-625.1V) 在 50Hz 工频恒流源 （1Arms）下的稳态电流波（1）和电压波（2）
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稳态电压波/电流波的定量分析
用数字存储示波器分别记录 MOV 样品在工频恒压源和恒流源条件下的电流/电压波形。示波器的采样周期
电流峰值第 1 个最大，然后大体按指数规律下降，并趋于稳态值。测得的指数下降的时间常数约为 28ms，这就 是说，第 4 个周期以后就可视作稳态值了。从电流波形图还可看出，正/反向电流峰值不相等，在本例中反向电 流峰值明显高于同一周期的正向电流的峰值，这说明了 MOV 正/反向特性的不对称。总的来说，随着电流密度 的增大，第一个电流峰值与稳态峰值的差别减小，正/反向电流峰值的差别也减小。 图 1 表示的是 MOV 接入恒压电源时的波形，接入恒流电源时，波形就变了，见图 2。图中（1）是电流波 形，（2）是样品两端的电压波形。恒压源与恒流源的主要差别在于源阻抗，这就是说，流过 MOV 的电流波形 将随电源阻抗的变化而变化，这也是非线性电阻不同于线性电阻的一个表现。这里用的恒流源，是由正弦电压 源供电的 T 型 L-C 恒流网络，和变压器所组成的恒流电源，它对负载阻抗突变的响应时间约 70ms，因此电流 波的第 1 个峰值最高，第 2 个周期以后基就稳定了。要注意，第 1 个电流峰值最高这个现象，主要是由恒流源 的响应特性所产生的，而不是 MOV 特性的表现。
Abstract
The waveshapes of voltage and current of a ZnO non-linear resistor (MOV) were recorded by means of a digital storage oscilloscope where the MOV were energized with two types of power frequency source of sine-wave, that is, a constant current source and a constant voltage source. The data sampled by the oscilloscope were studied, based on which some important properties of the MOV energized with power frequency source were discovered. The discoveries demonstrated that some currently used test methods for measuring power-frequency parameters of an MOV are not suitable to the MOV’s properties, and hence, the new measuring methods were developed in this paper. Keywords: ZnO Arrester; Metal Oxide Varistor; Surge Protective Device; Power Frequency Characteristic; Resistive Current; Power Loss
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工频稳态电流和电压波形
图 1 和图 2 说明了 MOV 接入测试电源后，它的电流需要一个稳定过程。图 3 和图 4 表示了 MOV 的稳态
电流和电压波形。图 3 表示的是在有一定源阻抗的工频电压源中，且样品电流有效值大体为 iA 时的波形。电压 波的“平顶”是 MOV 电压限制特性的表现。图 4 表示的是在工频恒流源中，且恒流源设定在有效值 iA 时的波 形。比较图 3 和图 4 可以看出，同一只 MOV，即使流过它的工频电流有效值相同，但在恒压源和恒流源下的
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电流/电压波形是不一样的。这就是说，MOV 的稳态电流波和电压波的形状，是随测试电源内阻抗的不同而不 同的。 然而，不同波形的峰值，有效值，平均值，以及相应的能量值之间的比例关系是不相同的，由此可以得出 这样一个推论：同一只 MOV, 若在两个源阻抗不同的工频电源中的电流有效值相同，但对应的功率和能量值是 不同的。这是 MOV 区别于线性电阻的又一个重要特点。 为了定量地说明这一特性，下面计算半个周期内的电压/电流瞬时值。
[4]
，但笔者认为，它也是非线性电阻特性的一种表现，而非电感特性的表现。电感的本质特征是实现电场能量
和磁场能量之间的转换。坚持用电感现象来解释 MOV 的电流峰滞后于电压峰的一个理由是，“有电流必有磁 场和电感”。笔者认为这只是个“定性”的分析，如果进一步做“定量”的分析，这个观点就站不住脚了：在 50Hz 电源中 MOV 电流峰与电压峰的时间差为“ms”级，如果它是电感引起的，则电感量为“mH”级，但众所 周知，带 25mm 长引线的普通 MOV 的寄生电感是小于 25nH 的，人们更没有看到 MOV 电阻体中发生对应于 mH 级电感量的电能与磁能之间的转换，因此它不是一种电感现象 2) MOV 的经典定义是“电压敏感性电阻器”，但实际特性更符合“电流敏感性电阻器”。 从图 5 和图 6 可以看出，无论在恒流源还是恒压源条件下，MOV 的最小电阻值（RVm）与流过它的最大电 流值(IVM)的时间位置，总是重合的。这个事实，对于 MOV 的“电压敏感性”[2]的定义提出了挑战，说“MOV 的电阻值是电流敏感性的”似乎更确切，支持这一观点的其他论据可参看论文[3]. 3) 在正弦电压下 MOV 的电流波是非正弦的，且电流的上升时间大于下降时间。在正弦电流下 MOV 的电 压波是非正弦的，且电压的上升时间少于下降时间。
图 1 MOV 接入工频恒压源时的电流波（1） ，恒压源开 图 2 MOV 接入工频恒流源（1Arms）时的电流波（1）和 路电压的波形（2） 。 限制电压波（2）
图 1 和图 2 表明，MOV 在工频恒压源和恒流源中的电流都是“脉冲”形的，这是因为只有当 MOV 两端电 压高于它的导通电压 （一般将 U1mA 视为 MOV 的导通电压） 时才有电流。 换句话说， 在一个正弦电压半波 （10ms) 时间内，当电压值从“0”上升到“U1mA”（设该时刻的相角为θ），和从“U1mA”下降到“0”这两个时间段 内是没有电流的，若把这两个时间段近似看作相等，并用 10ms 减去这两个时间段，就可以得出电流底部的时 间宽度τ了。因为 Sin U1mA / U SM ， arcsin(U1mA / U SM ) ，与θ对应的时间段为 10×θ/180(ms)。于是 有：
图 5 MOV 样品（34S，U1mA=637V）在恒压源 US 中的特 性[电流值为 Y 轴的标度值除以 500， （A）] [电流值为 Y 轴标度值除以 500（A）] - 40 www.ivypub.org/EEA
图 6 MOV 样品（34S，U1mA=444V）在恒流源 IV 中的电压 UV 和电阻值 RV[电流值为 Y 轴标度值除以 500（A）]
Nanfa Zhang, Zhen Sun #, Liuhua Ding
Changzhou TT Elec. Circuitry Protection Technology Co., Ltd, Changzhou Jiangsu Province 213164, P.R. China #E-mail: 13685205786@163.com
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了。可见，了解 MOV 不同于线性电阻器的诸多特性，是正确测定 MOV 工频特性和参数的基础。本文就这一 课题展开讨论。
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MOV 接入正弦波电源时的电流/电压波形
图 1 表示了一个峰值略大于 MOV 压敏电压的工频电压（2），刚加到 MOV 时，流过它的电流波形（1）。
氧化锌非线性电阻的工频特性
张南法，孙祯#，丁留华
常州市天泰电路保护技术有限公司，江苏 常州 213164 摘 要：用数字存储示波器记录了氧化锌非线性电阻器（MOV）在工频恒压源和恒流源条件下的电压和电流波形，通过分
析示波器的采样数据，揭示了氧化锌非线性电阻不同于线性电阻的多项特性，证明了现在普遍采用的几个测量 MOV 工频特 性的方法，与 MOV 的实际特性并不相符合，为此，本文提出了新的测试方法。 关键词：氧化锌避雷器；氧化锌压敏电阻器；电涌保护器；工频特性测量；电阻性电流；功率损耗
10 0.11arcsin(U1mA / U SM ) (ms)
式中 U SM 是加在 MOV 上的正弦电压的峰值。
(1)
依据 MOV 的上述特性，在测试 MOV 阻性电流峰值和功耗时，应取电源接通第 4 个周期以后的数值，并 将正反向峰值绝对值的平均值作为峰值，将正/反向的功耗之和作为一个周期的功耗。
设定为 0.02ms，这样，工频半个周期 10mS 内的总采样点数为 500 个，即 500 个电压值和 500 个电流值。为了 滤除噪声干扰，计算每 10 个采样点的平均值，这样 10ms 内就包含 50 对“电压值 UV 和电流值 IV”，将它们与 时间的关系作成坐标曲线，见图 5 和图 6。图中还表示了计算电阻值 RV(RV =UV÷IV）与时间的关系曲线。 图 5 表示了样品 34S，U1mA=637V 在开路电压峰值 USM=945V 的工频电压源中的特性。 图 6 表示了 MOV 样品 34S，U1mA=444V,在电流峰值为 1.9A 的工频电流源中的特性。