在配電系統(tǒng)的雷電防護中，根據(jù)規(guī)范[1]的要求應(yīng)在不同的雷電防護區(qū)域分別采用不同類型的電涌保護器（surge protection device, SPD）進行保護，從而達到雷電流逐級泄放、逐級降低殘壓的目的。

但是所安裝的多級SPD需要在一定距離下才能實現(xiàn)能量協(xié)調(diào)，進而達到有效保護設(shè)備的目的，而空間狹小或者安裝受限的場所無法滿足要求。常規(guī)SPD采用單一的防雷元器件，若獨立使用，則無法滿足大通流、低殘壓的要求。

目前有兩種方案可以解決距離的問題：①在兩級SPD之間加裝退耦裝置；②開發(fā)兩級或者兩級以上的組合型SPD，同時滿足大通流和低殘壓的要求。

本文通過進行功能分析，對某組合型的SPD設(shè)計方案提出優(yōu)化，同時降低成本，以期為客戶提供價值更高的產(chǎn)品。

1 價值分析

價值是指功能的性能和獲得其成本之間關(guān)系的定性或定量表示，用公式表示V=F/C。功能分析是價值分析和價值工程的核心，它是由美國通用電氣公司（GE）采購工程師麥爾斯首先提出的，從功能方面研究提高價值和節(jié)約資源的關(guān)系。所有提供給客戶的產(chǎn)品或服務(wù)的本質(zhì)是功能，而不是產(chǎn)品有形的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，通過分析和評價產(chǎn)品的功能，利用最低的壽命周期成本向客戶提供產(chǎn)品所具備的功能，從而提高產(chǎn)品價值。

SPD是一種過電壓保護器件，被安裝在配電系統(tǒng)中，主要用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流，從而達到保護設(shè)備的目的。下面以壓敏電阻（metal oxide varistors, MOV）和瞬變電壓抑制二極管（transient voltage suppressors, TVS）為核心元器件的組合型SPD為例來分析各元器件的功能和關(guān)系。通過測試分析得出，該種組合型SPD價值較低，需要進行優(yōu)化。

2 組合型SPD的價值分析

2.1 組合型SPD的設(shè)計目的和方案

組合型SPD的設(shè)計目的是設(shè)計一種Class B+C組合型SPD，設(shè)計標稱放電電流為20kA（8/20◆s），最大通流量為100kA（8/20◆s），組合波測試殘壓為6kV@3kA。為了滿足參數(shù)的要求，第一級保護采用4片標稱通流量為20kA、最大通流量為50kA的MOV并聯(lián)，目的是獲得較大的通流量；第二級采用通流量為10kA的大功率TVS，利用TVS箝位準、低殘壓的特性，達到使整個SPD低殘壓的目的。MOV和TVS之間的串聯(lián)電阻作為退耦元件，滿足兩器件之間能量協(xié)調(diào)的要求。

2.2 組合型SPD價值分析對象的選擇

組合型SPD價值分析對象的選擇方法有因素分析法、帕累托（activity based classfication, ABC）法、強制決定法和最合適區(qū)域法。下面從成本和功能兩個角度出發(fā)，利用帕累托法和最合適區(qū)域法兩種方法來確定價值分析的對象。

從產(chǎn)品的物料清單（bill of material, BOM）可以看出，組成該產(chǎn)品的物料種類有56種，但是TVS模塊盒和MOV模塊盒的成本占了總成本的89.2%，其他輔助材料和功能僅占總成本的10.8%。因此，將該產(chǎn)品的物料歸為三大類，即TVS模塊盒、MOV模塊盒和其他，如圖1所示。

根據(jù)帕累托原理，因為兩種模塊盒所占的成本超過了80%，而且TVS模塊盒的成本超過了總成本的70%，所以將TVS作為價值分析的重點分析對象。

圖1 價值工程之前產(chǎn)品成本的比例分析

上述僅從成本的角度選擇價值分析的對象，而沒有從功能的角度去評價。SPD的主要功能是泄放雷電流，并且獲得較低的殘壓，因此MOV和TVS作為泄放電流的主要元器件，發(fā)揮著主要的功能。

另外，為了保證MOV與TVS能量協(xié)調(diào)，兩器件之間串聯(lián)的電阻也起著重要的能量作用，沒有它，MOV和TVS兩器件無法滿足能量協(xié)調(diào)的要求，即無法正常工作。

雖然該元件的成本較低，但是也應(yīng)該將其與MOV和TVS一并視為價值分析的對象。其他如遠程告警、脫扣等功能均為輔助功能，所占成本的比例較低，不作為價值分析的對象。

2.3 組合型SPD的功能分析

根據(jù)SPD的設(shè)計目的，畫出SPD的功能分析圖，如圖2所示。由此可見，主要功能由MOV、TVS、退耦電阻R三種元器件共同完成。由于TVS占總成本的72%，且TVS的價格隨著功率或通流的增大而增加，該設(shè)計方案中采用的是10kA、40kW的大功率TVS，因此將通過測試驗證3種元器件配合的合理性（是否滿足設(shè)計要求）、流過MOV和TVS電流的分配關(guān)系和決定因素，從而降低TVS的功率，達到降低成本的目的，這也是價值工程和價值分析重點要改進的地方。

圖2 產(chǎn)品功能組成

3 組合型SPD的優(yōu)化設(shè)計測試

3.1 TVS分配電流與退耦電阻阻抗和靜態(tài)電壓的關(guān)系驗證

組合型SPD的電路原理如圖3所示。退耦電阻R采用高精度的采樣電阻，在工頻電流下呈現(xiàn)出非線性特性，但是在沖擊電流下表現(xiàn)為線性電阻。用3次不同大小的電流對其沖擊，根據(jù)示波器采集到的電壓，通過歐姆定律計算得出該電阻的阻值為47.7mΩ，考慮到測量誤差，認為與該電阻的標稱值50mΩ一致，如圖4所示。

因此，可以通過測量MOV和TVS兩端的電壓U1和U2，算出電阻R的電壓，通過歐姆定律I=U/R算出流過TVS的電流I2，從而求出在不同沖擊電流下流過TVS的最大電流。

圖3 組合型SPD的電路原理圖

圖4 流過采樣電阻的電流和電壓關(guān)系

對組合電路分別沖擊3kA、5kA、10kA、15kA、20kA這5組電流，用示波器分別采集退耦電阻為50mΩ?和100mΩ時流過TVS的電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當增加退耦電阻的阻抗時，TVS分配到的電流減小。按照設(shè)計方案，當退耦電阻為50mΩ時，沖擊20kA電流，TVS分配的電流最大為3.92kA；而當退耦電阻為100mΩ時，沖擊20kA電流，TVS分配的電流最大只有2.76kA。

將TVS的靜態(tài)電壓由設(shè)計方案的270V降到240V，沖擊同樣5組電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在退耦電阻不變的情況下，靜態(tài)電壓越高，TVS分配到的電流越少。如圖5所示，在5組沖擊電流下，當退耦電阻為100mΩ時，靜態(tài)電壓為270V的TVS分配的電流均小于靜態(tài)電壓為240V TVS分配的電流。

3.2 有無退耦時MOV與TVS響應(yīng)與配合驗證

在MOV與TVS之間沒有退耦電阻的情況下，當沖擊電流為20kA時，TVS靜態(tài)出現(xiàn)異常，說明有過載的可能性。通過測試波形圖可以發(fā)現(xiàn)，如果沒有退耦電阻，TVS就會首先響應(yīng)，SPD的殘壓表現(xiàn)為TVS的最高點的轉(zhuǎn)折電壓，如圖6所示。

當有退耦電阻時，前面的測試已經(jīng)證明MOV與TVS可以滿足能量協(xié)調(diào)要求，通過TVS的電流小于5kA，且MOV會首先響應(yīng)，SPD的殘壓表現(xiàn)為MOV的最大殘壓，3kA下的殘壓小于600V，如圖7所示。

圖5 不同沖擊電流下退耦電阻和靜態(tài)電壓對TVS分流的影響

圖6 沒有退耦電阻時雷電沖擊的響應(yīng)特性

圖7 有退耦電阻時雷電沖擊的響應(yīng)特性

以上測試證明，MOV與TVS并聯(lián)使用時必須加退耦電阻，否則TVS可能會過載，期望通過TVS實現(xiàn)低殘壓的目的是無法達到的。測試證明，TVS對于SPD的殘壓沒有任何貢獻，殘壓主要表現(xiàn)為MOV的殘壓。因此，該設(shè)計方案中的TVS屬于低價值的功能，可將該TVS省去。如果必須保留TVS，那么可以用通流為6kA的TVS來替代10kA的TVS，這樣可使TVS模塊盒的成本下降79.5%，整個SPD的成本下降57.29%，價值工程之后產(chǎn)品成本的比例分析如圖8所示。

圖8 價值工程之后產(chǎn)品成本的比例分析

結(jié)論

本文通過采用價值工程的方法對某組合型SPD進行原理和功能分析及其測試驗證，得出以下結(jié)論：

• 1）無法通過TVS獲取較低的殘壓。
• 2）在價值分析中，TVS屬于價值低的功能，甚至可以去掉。即便不去掉，將10kA的通流量降低到6kA也能滿足設(shè)計要求，且在最大通流時不會過載，從而提高產(chǎn)品的價值，降低成本。
• 3）在MOV與TVS并聯(lián)使用時，兩者之間必須加退耦裝置才能滿足能量協(xié)調(diào)的要求。對于在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用，由于殘壓是由MOV決定的，因此MOV與TVS的組合沒有實際意義。