恩施变压器厂家：恩施油浸式变压器配电系统的雷电防护产品优化设计中价

在防雷产品的研发中，利用价值分析的方法，通过对组合型电涌保护器关键元器件的功能分析和功能评价，重新认识各元器件的主要功能，了解各元器件之间的实际配合情况，从而优化设计，降低成本，提高产品的价值。在整个功能分析的过程中，还会有突破传统思维的新发现。在恩施油浸式变压器配电系统的雷电防护中，根据规范[1]的要求应在不同的雷电防护区域分别采用不同类型的电涌保护器（surge protection device, SPD）进行保护，从而达到雷电流逐级泄放、逐级降低残压的目的。但是所安装的多级SPD需要在一定距离下才能实现能量协调，进而达到有效保护设备的目的，而空间狭小或者安装受限的场所无法满足要求。常规SPD采用单一的防雷元器件，若独立 公司于2016年通过了ISO9001质量管理体系认证，并于2017年4月取得ISO14001环境管理体系认证、OHSAS18001职业健康安全管理体系认证证书，安全标准化企业。我公司自主研发的节能产品取得了国家节能产品认证证书。建立了计算机网络管理系统，产品实现计算机优化设计和辅助绘图、具有一批设计、研制、生产各类变压器骨干力量和开拓、进取的员工队伍。使用，则无法满足大通流、低残压的要求。目前有两种方案可以解决距离的问题：①在两级SPD之间加装退耦装置；②开发两级或者两级以上的组合型SPD，同时满足大通流和低残压的要求。本文通过进行功能分析，对某组合型的SPD设计方案提出优化，同时降低成本，以期为客户提供价值更高的产品。1 价值分析价值是指功能的性能和获得其成本之间关系的定性或定量表示地 址：山东省聊城经济技术开发区燕山路35号，用公式表示V=F/C。功能分析是价值分析和价值工程的核心，它是由美国通用电气公司（GE）采购工程师麦尔斯首先提出的，从功能方面研究提高价值和节约资源的关系。所有提供给客户的产品或服务的本质是功能，而不是产品有形的物质结构。因此，通过分析和评价产品的功能，利用低的寿命周期成本向客户提供产品所具备的功能，从而提高产品价值。SPD是一种过电压保护器件，被安装在恩施油浸式变压器配电系统中，主要用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流，从而达到保护设备的目的。下面以压敏电阻（metal oxide varistors, MOV）和瞬变电压抑制二极管（transient voltage suppressors, TVS）为核心元器件的组合型SPD为例来分析各元器件的功能和关系。通过测试分析得出，该种组合型SPD价值较低，需要进行优化。2 组合型SPD的价值分析2.1 组合型SPD的设计目的和方案组合型SPD的设计目的是设计一种Class B+C组合型SPD，设计标称放电电流为20kA（8/20?s），大通流量为100kA（8/20?s），组合波测试残压为6kV@3kA。为了满足参数的要求，第一级保护采用4片标称通流量为20kA、大通流量为50kA的MOV并联，目的是获得较大的通流量；第二级采用通流量为10kA的TVS，利用TVS箝位准、低残压的特性，达到使整个SPD低残压的目的。MOV和TVS之间的串联电阻作为退耦元件，满足两器件之间能量协调的要求。2.2 组合型SPD价值分析对象的选择组合型SPD价值分析对象的选择方法有因素分析法、帕累托（activity based classfication, ABC）法、强制决定法和合适区域法。下面从成本和功能两个角度出发，利用帕累托法和合适区域法两种方法来确定价值分析的对象。从产品的物料清单（bill of material, BOM）可以看出，组成该产品的物料种类有56种，但是TVS模块盒和MOV模块盒的成本占了总成本的89.2%，其他辅助材料和功能仅占总成本的10.8%。因此，将该产品的物料归为三大类，即TVS模块盒、MOV模块盒和其他，如图1所示。根据帕累托原理，因为两种模块盒所占的成本超过了80%，而且TVS模块盒的成本超过了总成本的70%，所以将TVS作为价值分析的重点分析对象。图1 价值工程之前产品成本的比例分析上述仅从成本的角度选择价值分析的对象，而没有从功能的角度去评价。SPD的主要功能是泄放雷电流，并且获得较低的残压，因此MOV和TVS作为泄放电流的主要元器件，发挥着主要的功能。另外，为了保证MOV与TVS能量协调，两器件之间串联的电阻也起着重要的能量作用，没有它，MOV和TVS两器件无法满足能量协调的要求，即无法正常工作。虽然该元件的成本较低，但是也应该将其与MOV和TVS一并视为价值分析的对象。其他如远程告警、脱扣等功能均为辅助功能，所占成本的比例较低，不作为价值分杨经理：15069551988析的对象。2.3 组合型SPD的功能分析根据SPD的设计目的，画出SPD的功能分析图，如图2所示。由此可见，主要功能由MOV、TVS、退耦电阻R三种元器件共同完成。由于TVS占总成本的72%，且TVS的价格随着功率或通流的增大而增加，该设计方案中采用的是10kA、40kW的TVS，因此将通过测试验证3种元器件配合的合理性（是否满足设计要求）、流过MOV和TVS电流的分配关系和决定因素，从而降低TVS的功率，达到降低成本的目的，这也是价值工程和价值分析重点要改进的地方。图2 产品功能组成3 组合型SPD的优化设计测试3.1 TVS分配电流与退耦电阻阻抗和静态电压的关系验证组合型SPD的电路原理如图3所示。退耦电阻R采用高精度的采样电阻，在工频电流下呈现出非线性特性，但是在冲击电流下表现为线性电阻。用3次不同大小的电流对其冲击，根据示波器采集到的电压，通过欧姆定律计算得出该电阻的阻值为47.7mΩ，考虑到测量误差，认为与该电阻的标称值50mΩ一致，如图4所示。因此，可以通过测量MOV和TVS两端的电压U1和U2，算出电阻R的电压，通过欧姆定律I=U/R算出流过TVS的电流I2，从而求出在不同冲击电流下流过TVS的王经理：13963000905大电流。图3 组合型SPD的电路原理图图4 流过采样电阻的电流和电压关系对组合电路分别冲击3kA、5kA、10kA、15kA、20kA这5组电流，用示波器分别采集退耦电阻为50mΩ?和100mΩ时流过TVS的电流。结果发现，当增加退耦电阻的阻抗时，TVS分配到的电流减小。按照设计方案，当退耦电阻为50mΩ时，冲击20kA电流，TVS分配的电流大为3.92kA；而当退耦电阻为100mΩ时，冲击20kA电流，TVS分配的电流大只有2.76kA。将TVS的静态电压由设计方案的270V降到240V，冲击同样5组电流，结果发现，在退耦电阻不变的情况下，静态电压越高，TVS分配到的电流越少。如图5所示，在5组冲击电流下，当退耦电阻为100mΩ时，静态电压为270V的TVS分配的电流均小于静态电压为240V TVS分配的电流。3.2 有无退耦时MOV与TVS响应与配合验证在MOV与TVS之间没有退耦电阻的情况下，当冲击电流为20kA时，TVS静态出现异常，说明有过载的可能性。通过测试波形图可以发现，如果没有退耦电阻，TVS就会首先响应，SPD的残压表现为TVS的高点的转折电压，如图6所示。当有退耦电阻时，前面的测试已经证明MOV与TVS可以满足能量协调要求，通过TVS的电流小于5kA，且MOV会首先响应，SPD的残压表现为MOV的大残压，3kA下的残压小于600V，如图7所示。图5 不同冲击电流下退耦电阻和静态电压对TVS分流的影响图6 没有退耦电阻时雷电冲击的响应特性图7 有退耦电阻时雷电冲击的响应特性以上测试证明，MOV与TVS并联使用时必须加退耦电阻，否则TVS可能会过载，期望通过TVS实现低残压的目的是无法达到的。测试证明，TVS对于SPD的残压没有任何贡献，残压主要表现为MOV的残压。因此，该设计方案中的TVS属于低价值的功能，可将该TVS省去。如果必须保留TVS，那么可以用通流为6kA的TVS来替代10kA的TVS，这样可使TVS模块盒的成本下降79.5%，整个SPD的成本下降57.29%，价值工程之后产品成本的比例分析如图8所示。图8 价值工程之后产品成本的比例分析结论本文通过采用价值工程的方法对某组合型SPD进行原理和功能分析及其测试验证，得出以下结论：1）无法通过TVS获取较低的残压。2）在价值分析中，TVS属于价值低的功能，甚至可以去掉。即便不去掉，将10kA的通流量降低到6kA也能满足设计要求，且在大通流时不会过载，从而提高产品的价值，降低成本。3）在MOV与TVS并联使用时，两者之间必须加退耦装置才能满足能量协调的要求。对于在实际产品中的应用，由于残压是由MOV决定的，因此MOV与TVS的组合没有实际意义。