技术应用︱防雷产品优化设计中价值工程的应用

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摘要

深圳市盾牌防雷技术有限公司、天津市气象局的研究人员罗佳俊、周燕川，在2019年第12期《电气技术》中撰文指出，价值工程的目的是以最低的寿命周期费用，可靠地实现产品必要的功能。功能分析是价值工程的核心。

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，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，利用最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），最大通流量为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、最大通流量为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的大功率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、强制决定法和最合适区域法。下面从成本和功能两个角度出发，利用帕累托法和最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的大功率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的最大电流。

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分配的电流最大为3.92kA；而当退耦电阻为100mΩ时，冲击20kA电流，TVS分配的电流最大只有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的最高点的转折电压，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的最大残压，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，且在最大通流时不会过载，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。

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