UPS中MOV（压敏电阻）的选用分析

UPS（ Uninterruptible Power System ）是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时, UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。压敏电阻器与被保护的UPS或元器件并联使用，在雷电过电压或瞬态操作过电压保护中扮演着重要角色。

压敏电阻器在电路的过电压防护中，如果正常工作在预击穿区和击穿区，理论上是不会损坏的。但由于压敏电阻器要长期承受电源电压，电路中暂态过电压、超能量过电压随机的不断冲击及吸收电路储能元件释放能量，因此，压敏电阻器也是会损坏的，它的寿命根据所在电路经受的过电压幅值和能量的不同而不同。

本文将通过几种常用的UPS产品，结合我国电网的 具体特点，分析不同型号的压敏电阻的特性以及对UPS的影响，并给出了UPS中选择合适的压敏电阻的一些考虑，对UPS设计工程师有一定的借鉴意义。

我国电网特点
1 电网中可能出现瞬态高电压
针对中国大陆电网中存在的异常电压问题，IBM、APC和EXIDE公司均进行过相关的调查分析，调查结果显示，电网中存在异常的电压——6000V以上的瞬间高电压尖峰，持续的时间为100～10ms。考虑尖峰电压出现的周期及实际中出现的可能性，参考各种使用不同MOV的机种的MOV受损状况，实验中可将高压尖峰的验证方式制定如图1所示。



图1 高压尖峰验证方式

2 供电系统可能出现稳态高压
在三相供电系统中，电源端与负载端的连接方式大致只有四种。

  

图2 典型的三相四线制接线

Y-Y型供电系统可提供380V/220V的输出电压，使用非常广泛。这种方式又可细分为三相三线制（即电源端与负载端无连接中性线）与三相四线制。目前绝大多数的工业用电均采用三相四线方式。在这种系统中，采取中性线且接地的方式，即称作零线。
Y-△型接线方式中，负载需要承受380V的线电压，因此不适用于要求电源为220V的负载。
△-Y型接线方式中供电系统只有380V的电压输出，使用范围不广。
△-△型接线方式中供电系统只有380V的电压输出，主要应用于三相电动机负载。
UPS广泛使用Y-Y连接方式，以下的论述也是针对此种接线方式而言。
由图2可以看出，用户端电力变压器低压侧及负载端的N相线与高压侧的N相线是通过变压器的外壳接地而连接在一起的，当接地线接触不良或高/低压侧的中性线开路，即三相四线制的N相线断（三相三线制系统与此类似，不在赘述）时，考虑以下几种情况。
① 如果A相同时短路即ZA=0；YA=∝ ，（可模拟A相负载特别大的情形），见图3。



图3 A相短路等效电路

则此时O′与O之间的电压为
VO′O=( VAO×YA+ VBO×YB+ VCO×YC)/( YA+ YB+ YC)
     = VAO
VBO′= VBO－VOO′
     = VBO－VAO
     =－VAB
即负载相电压由220V升至线电压380V。
VCO′ = VCO－VOO′
      = VCO－VAO
      =－VAC
即负载相电压由220V升至线电压380V；

②如果A相同时开路即ZA=∝；YA=0，（可模拟A相负载特别小的情形）。
则此时O′与O之间的电压为：
VO′O=( VAO×YA+ VBO×YB+ VCO×YC)/( YA+ YB+ YC)
     = (VBO×YB+ VCO×YC)/( YB+ YC)
如果三相负载对称，则YB=YC，则
VO′O =(VBO×YB+ VCO×YC)/( YB+ YC) =－VAO/2，则
VAO′ = VAO－VOO′
      = ( VAO×YB+ VAO×YC－VBO×YB－VCO×YC)/( YB+ YC)
      = 3VAO/2
同理，VBO′ =VBC×YC/( YB+ YC) = VBC/2
      VCO′ =VCB×YB/( YB+ YC) = －VBC/2
即此种方式下，发生开路相的相电压升至330V，而其他两相的相电压降至110V。

③如果线路未发生异常，而单纯只是负载不平衡的情形即ZA≠ZB≠ZC。
VO′O=( VAO×YA+ VBO×YB+ VCO×YC)/( YA+ YB+ YC)，则
VAO′= VAO－VOO′
VBO′= VBO－VOO′
VCO′= VCO－VOO′
由上式可知，当三相负载不对称时，VO′O≠0，此时电源端的相电压VAO、VBO、VCO虽然对称，但各相负载的相电压已不能再保持对称关系，有的负载相电压比额定电压高，有的负载相电压比额定电压低，负载的正常工作就会收到影响。

可见，三相四线制系统中当中性线断开，并且在负载不对称或某相发生短路时相电压都可能升高，甚至可能升高至相电压380V，从而形成持续的稳态高压环境，导致MOV毁坏。下面介绍几种使用不同MOV的USP在尖峰电压与稳态高压下的表现。

同类产品中MOV实验性能差异分析
针对UPS中MOV的验证，主要采用高压尖峰与稳态高压两种不同的实验方式。表1为几种类型MOV的规格对比。



表1 几种类型MOV的规格对比

表2是分别进行高压尖峰与稳态高压测试的MOV性能对比。

上表中均是在未开机直接接入市电下测得，且APC在其O/P端另有一型号为S+M S20 K300的MOV D20此时未起作用；在进行开机状态下的高压尖峰测试时，TB400超过2小时仍正常；而BACK AVR比未开机时的持续时间更长。

机器不开机时，对APC公司一台使用2个471KD20并联的TB400直接输入380V电压，约12min左右MOV炸毁。此期间MOV两端的电压始终为380V不变。若将MOV的数目增至3个，依此方式运行25min时即炸毁。



表2 两种测试中MOV性能对比

同样对CPC公司一台使用1个471KD20的SMART 1000(670W)进行测试会发现结果与TB400相似：15min左右单个MOV炸毁；将MOV的数目增至3个时，依此方式运行35min左右炸毁。
可见，MOV在高压380V下炸毁与否，与MOV的个数，即MOV所能吸收的能量关系不大。
对CPC公司一台使用1个Z361 160UL D20的BACK AVR 500，进行同样的测试会发现工作2小时后，电流始终在某一范围循环变化，而未进一步上升。期间MOV两端的电压始终为380V不变，且MOV能正常工作。
对APC公司一台使用2个320L40 D20的SMART 1000，进行同样的测试会发现工作12小时后，电流始终是在某一范围循环变化，而未进一步上升。MOV能正常工作，期间MOV两端的电压始也终为380V不变。
另外，每次循环所吸收的能量
W= V×I×T
  =380V×（1mA×180S+5mA
   ×60S +3mA×30S）
  =216.6J
Varistor Voltage动作点为：462～540V；
AC额定电压为：320VAC；
额定能量为：150J/只；
两个MOV并联，则可以吸收的能量为150J/只×2＝300J。
最后对CPC公司一台使用2个320L20 D14的NG 1000机器输入稳态高压380V的测试，其结果与320L40相似，运行3小时以上未发现异常。输入高压尖峰时运行10min即炸。将MOV的数目增至3个，依此式运行30min未见异常。



表3 各器件高压尖峰承受时间对比

同种条件下，APC公司机器内部的MOV比CPC公司机器所承受高压的时间要长得多。原因是两者选择的MOV可承受的AC电压参数存在差异。可见，所选用的MOV可承受的ACrms值会直接影响其承受稳态高压的时间。

由表三可以看出，在高压尖峰实验中，增加MOV的数目能延长MOV持续的时间。

结束语
从实验中我们发现，MOV可承受的AC电压规格值对其承受稳态高压的时间影响较大。MOV的个数（也代表MOV吸收的能量大小）对其承受高压尖峰的时间影响较大。

市场上MOV损坏较多的主要原因是实际电网中存在380V的稳态高压。通过实验我们也验证了：电网中确实存在高压尖峰和稳态高压380V。因此，在不影响高压尖峰实验效果的情况下，选用能承受较高AC电压的MOV能降低MOV的炸毁率。

建议研发人员后续设计新产品时，在MOV器件的选择上着重考虑MOV能承受的AC电压值大小，建议此值要大于320V。实际效果需要通过雷击实验及考虑输入滤波电容的所能承受的耐压来确认。同时，要兼顾MOV所能吸收的能量大小。