CN105785164A - 电涌保护器预期寿命的判断方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电涌保护器预期寿命的判断方法及***，该方法包括如下步骤：S10：提供SPD单元；S20：实时监测所述SPD单元，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量；S30：累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

Description

电涌保护器预期寿命的判断方法及***

技术领域

本发明涉及电涌保护器，尤其涉及一种电涌保护器预期寿命的判断方法。

背景技术

SPD(SurgeProtectiveDevice以下简称SPD)是用以限制瞬态过电压和引导电涌电流的一种设备。它不仅具有防雷功能，而且还有抑制投切过电压的作用，因此SPD的应用领域很广。SPD是雷电防护中不可缺少的一种装置，其作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或***所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或***不受冲击。

SPD一般是7*24小时在线运行，在各种线路电涌电压作用下，产品会逐渐劣化，失去保护效果，甚至短路引致电力故障或更严重的火灾等事故。因此各行业使用SPD时，早期一般会采用定期巡检甚至定期更换的方式来避免。

近来随着安全意识的提升以及技术的提高，SPD多采用劣化指示窗等被动指示方式来指示已经正常从电路脱离的产品，实际在脱离前产品已经处于高危险状态而无法预知；在一些意外情况下，产品还有可能无法正常脱离而引起起火等严重故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现对SPD寿命进行监控，从而防止其失去保护效果时仍被投入使用而造成的安全隐患。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种电涌保护器预期寿命的判断方法，包括如下步骤：

S10：提供SPD单元；

S20：实时监测所述SPD单元，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量；

S30：累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

在所述步骤S20中，实时监测所述SPD单元具体包括：监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据；进而依据所采集的数据，计算各次电涌的电涌能量。

可选的，在所述步骤S20中，所监测采集的SPD单元的数据至少包括温度数据。

可选的，在所述步骤S30中，通过以下公式计算得到各次电涌的电涌能量：

$\mathrm{\Δ}U=\frac{Cm}{k}*\mathrm{\Δ}T$

其中，ΔT表征温升，ΔU表征注入SPD单元的电涌能量，Cm—SPD单元对应的热容量，k为所述SPD单元对应的已知常数。

可选的，在所述步骤S20中，依据所采集的温度数据进行判断；

若判断温升的变化速度和幅值至少之一的变化超出阈值，则判断发生电涌，进而计算该次电涌的电涌能量。

可选的，在所述步骤S30或S20中，还包括确定该次电涌的温升的梯度和幅值，进而在所述步骤S30中，不同梯度和幅值的电涌以不同的系数累积计算电涌能量的统计量。

可选的，在所述步骤S10中，所监测采集的SPD单元的数据至少包括电流。

可选的，在所述步骤S20中，通过计算电涌发生期间电涌的电流对时间的积分表征各次电涌的电涌能量。

可选的，在所述步骤S30中，根据已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，确定能量的消耗速度，进而结合所述SPD单元的设计参数、工作环境参数、及其与整个工作期间所能承受的能量总和的关系，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

可选的，还包括检测所述SPD单元和环境温度，当其温差大于预设的界限时，则判断剩余使用寿命小于特定值。

本发明提供了一种的电涌保护器的剩余使用寿命判断***，采用了本发明提供的电涌保护器预期寿命的判断方法，包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元监测所述SPD单元，并将监测到的数据反馈至所述智能控制单元；所述智能控制单元依据所述监测单元的反馈，获得SPD单元的电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，进而累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命，进而在本地反馈显示，和/或反馈至所述远程平台。

本发明还提供了一种的电涌保护器的剩余使用寿命判断***，采用了本发明提供的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，包括监测单元、远程平台，所述监测单元监测所述SPD单元，并将监测到的数据直接反馈或通过一个智能控制单元反馈至所述智能控制单元；所述智能控制单元依据所述监测单元的反馈，获得SPD单元的电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，进而累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命，进而在智能控制单元反馈显示，和/或反馈至所述远程平台。

本发明认为，SPD的工作寿命与其在整个工作期间承受的电涌能量的累积统计量密切相关，这个电涌能量的累积统计量，也可称为SPD的安秒资源，该安秒资源可以由制造商在加工过程中就确认其参数。所以，本发明利用电流、温度、电压、电容量的数据采样，计算电涌能量，即得到当前已消耗的安秒资源，结合时间因素，可以得到安秒资源的消耗速度，进而针对剩余可消耗的安秒资源，即可获得其使用寿命。本发明创造性地想到通过能量的统计来计算使用寿命，实现了预告产品预期寿命的目的，基于此可以对该预期寿命给予反馈，或自动动作的设计，从而防止其失去保护效果时仍被投入使用而造成的安全隐患。

附图说明

图1是本发明一实施例中电涌保护器预期寿命的判断方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例中使用电涌保护器预期寿命的判断方法的***的示意图。

具体实施方式

以下将结合图1和图2对本发明提供的电涌保护器预期寿命的判断方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内对其进行修改和润色。

本发明提供了一种电涌保护器预期寿命的判断方法，包括如下步骤：

S10：提供SPD单元；

S20：实时监测所述SPD单元，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量；

在本发明可选实施例中，在所述步骤S20中，实时监测所述SPD单元具体包括：：监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据；进而依据所采集的数据，计算各次电涌的电涌能量。其具体过程可以是先依据这些数据，判断其是否发生电涌，然后计算电涌的能量，也可以先不对是否发生电涌进行判断，分别计算能量，或得到能量曲线，在统计计算时，根据曲线或梭计算的能量数据甄别是否为电涌能量，以系数0统计计算非电涌的能量，或其他不需记录的能量。需要指出的是，电容量与温度之间的变化关系是较为一致的，所以，利用电容量计算温度，或直接采用电容量进行监测，也都是本发明可选方案；

S30：累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

若需要先判断是否发生电涌，对于如何判断是否发生电涌，本领域有若干方法，本发明可选方案列举了一种基于温度的手段：在所述步骤S20中，依据所采集的温度数据进行判断；若判断温升的变化速度和幅值至少之一的变化超出阈值，则判断发生电涌，进而计算该次电涌的电涌能量。

但是，本发明并不限于此，通过对电流的监控也可以有效发现电涌的发生，无论为哪个，都是本发明可选的方案之一。

有关如何实现电涌能量的计算，本发明依据不同类型的检测数据，给出若干可行的解决方案：

在本发明一可选的实施例中，采用温度为检测数据，在所述步骤S20中，通过以下公式计算得到各次电涌的电涌能量：

$\mathrm{\Δ}U=\frac{Cm}{k}*\mathrm{\Δ}T$

其中，ΔT表征温升，ΔU表征注入SPD单元的电涌能量，Cm—SPD单元对应的热容量，k为所述SPD单元对应的已知常数。

为了明确以上内容，以下对上文公式的推导过程进行展开阐述：

SPD是一个与安装环境有关联的相对独立的热力***。

根据热力学第一定律：

ΔQ＝ΔU+ΔA……………………………………(1)

式中：ΔU—***内能的变化量；

ΔQ—外部进入***的热量；

ΔA—***对外部做的功；

在进入这个***的能量值(ΔU)为正值(能量正流入)时，***的内能增加，温度将会随Q值而升高。反之，在进入这个***的能量值(ΔU)为负值(能量流出)时，***的内能降低，温度将会随Q值而降低。在一个确定的***中，能量变化的速率还决定了温度变化的速率。

温度和热量的关系可以用公式表示：

$Cm=\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}T}\mathrm{...}\left(2\right)$

式中：Cm—热容量

ΔQ—热量变化量

ΔT—温度变化量

由以上公式可以建立温升和注入保护器的能量的对应函数：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{\mathrm{\Δ}U+\mathrm{\Δ}A}{Cm}$

在使用过程中，SPD***通过电磁场辐射、机械变形、声光等形式对外部做功(ΔA)，这部分的能量变化所占比例很小，在工程应用的计算中可以使用比例因子或者附加常熟的形式将其表征在函数中。

例如：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{\mathrm{\Δ}U+a}{Cm}$

或者：

$\mathrm{\Δ}T=k\frac{\mathrm{\Δ}U}{Cm}\mathrm{...}\left(3\right)$

式中：k—用于表征保护器***对外部做功因素的比例因子

在一次雷电冲击事件中，进入SPD***的能量：

ΔU＝u*i*t

可变形为：

$\mathrm{\Δ}U=U_{res}{\∫}_{t_1}^{t_2}idt\mathrm{...}\left(4\right)$

式中：u—SPD承受冲击电流时两端电压，由于其非线性特性，可以用其最大值(在IEC标准中称为残压)Ures代替。Ures数值与冲击电流i的最大值有固定的对应关系。

t1—冲击起始时间

t2—冲击终止时间

由公式(3)、(4)推导出：

$\mathrm{\Δ}T=m{\∫}_{t_1}^{t_2}idt\mathrm{...}\left(5\right)$

式中：m—综合系数，

至此，我们得到了可以用冲击电流表征温升的公式(5)，在确定的保护器***中，所有综合系数m是相对稳定的，公式计算的结果能够满足工程应用上的要求。

在本发明进一步可选的实施例中，为了得到温升，可通过以下公式表征SPD单元的温度：

$T=T_{\max }\×(e^{-\frac{t-td}{\mathrm{\τ}1}}-e^{-\frac{t-td}{\mathrm{\τ}2}});$

其中，T—SPD单元的实时温度值；

T_max—某一升温/散热阶段中的最高温度值；

t—时间；

t_d—时间起始点；

τ₁—升温特征参数；τ₂-降温特征参数；

进而，基于所表征的温度变化，减去同一时刻的环境温度值，得到温升数值。基于温升值，又可得到电涌能量。

在本发明另一可选的实施例中，在所述步骤S20中，通过计算电涌发生期间电涌的电流对时间的积分表征各次电涌的电涌能量。

在本发明一可选的实施例中，在所述步骤S20中，通过预先建立的该类SPD单元的各环境温度区间下，电涌能量与电流、电压、温度、阻抗或电容量的变化量的对应关系表，查找确定该SPD单元该次电涌的电涌能量；所述对应关系表为针对该类SPD单元预先实验得到或依据该类SPD单元的设计参数理论计算得到。

同样的，不采用查表方式，而是将表变化成拟合的图，在可选方案中，在所述步骤S30中，通过预先建立的该类SPD单元的各环境温度区间下，电涌能量与电流、电压、温度、阻抗或电容量的变化量的拟合曲线关系，比对确定该SPD单元该次电涌的电涌能量；所述拟合曲线关系为针对该类SPD单元预先实验得到或依据该类SPD单元的设计参数理论计算得到。

在知晓了什么是电涌能量后，本领域技术人员自然可以得到若干方式建立其电学参数、环境参数等的变化量与电涌能量的对应关系，从而计算得到电涌能量，反过来，知晓了电涌能量，也可以反推这些参数的变化。

在本发明优选的实施例中，在所述步骤S30中，根据已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，确定能量的消耗速度，进而结合所述SPD单元的设计参数、工作环境参数、及其与整个工作期间所能承受的能量总和的关系，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

需要说明的是，根据大量的试验数据得出的研究结果表明，SPD的工作寿命与其在整个工作期间承受的电涌能量的总和密切相关。这个电涌能量用电涌的电流对时间的积分表示(并不一定如此计算得到)，单位为A.s，也称为保护器的安秒资源。研究表明对于同一类型的SPD，其具有的安秒资源比较接近，因此制造商可以在加工过程中确认保护器的这一参数，即上文提到的“所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和”是可以在SPD制造之初得到的，无论是通过理论计算还是通过有限次实验，其不在本发明的探究范围。

采用同一批次的压敏电阻制造的保护器完成制造过程后，假如放在相同的使用环境中，它们表现出的寿命将相当接近，这个寿命可理解为压敏电阻的安秒资源。原则上以电涌电流方式通过时产生的安秒消耗和稳态电源条件下通过时产生的安秒消耗会以不同的折算系数加入到扣减安秒资源的计算中，即上文提到的以不同的系数累积计算其电涌能量的统计量，当然，针对特定的计算方式，该系数也可能为0。所以，在明确当前消耗速度和剩余可消耗资源的情况下，自然可以计算得到剩余的寿命，当然，其也可以引入其他具体因素，建立更为复杂的数学模型，但无论其模型为何，都不脱离本发明上文提到的基本思路。

在其中之一可选的方案中，压敏电阻预期寿命判定模型可以用函数表示：

T_lifespan＝f(U_N，I_D，T，t，ΔE)

其中，T_lifespan为预期寿命；

U_N为压敏电阻的压敏电压；

I_D为压敏电阻的泄漏电流；

T为保护器工作期间的温度参数，包括温度的最大值和温度的积量；

t为保护器累计工作时间；

ΔE为保护器工作期间承受的能量参数，包括电流峰值Imax、电荷量最大值Qmax、电涌能量ΔU、消耗的工频电源的能量，以及它们的积量。

在本发明可选的实施例中，在所述步骤S30之中、之前或之后，还包括确定该次电涌的温升的梯度和幅值，进而在所述步骤S40中，不同梯度和幅值的电涌以不同的系数累积计算电涌能量的统计量。具体系数为何，可以依据本领域技术人员的经验判断或通过有限次实验摸索得到。

在本发明可选的实施例中，还包括检测所述SPD单元和环境温度，当其温差大于预设的界限时，则判断剩余使用寿命小于特定值。需要解释的是，当工作温度升高，将会加快安秒资源消耗速度。当温度超过某个界限，即使没有外加电涌电流，安秒资源也会迅速消耗殆尽。故而，本发明利用该界限，作为另一维度的判断，当温差大于该界限时，可以认为安秒资源会快速消耗，也可以认为该SPD单元处于严重故障，不宜使用，所以，本发明可选方案将其使用寿命小于特定值，而这一界限完全可以通过有限次实验或者理论计算得到。

基于以上方法，本发明提供了一种的电涌保护器的剩余使用寿命判断***，采用了本发明各可选实施例提供的电涌保护器预期寿命的判断方法，包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元监测所述SPD单元，并将监测到的数据反馈至所述智能控制单元；所述智能控制单元依据所述监测单元的反馈，获得SPD单元的电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，进而累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命，进而在本地反馈显示，和/或反馈至所述远程平台。可见，本发明方法中的步骤S20除了实时监测所述SPD单元部分属于监测单元的工作，其余过程均由智能控制单元完成，步骤S30过程均由智能控制单元完成，所以，本实施例中，以上提到的计算和分析等所有过程均属于智能控制单元可供拓展的功能。

本发明还提供了一种的电涌保护器的剩余使用寿命判断***，采用了本发明提供的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，包括监测单元、远程平台，所述监测单元监测所述SPD单元，并将监测到的数据直接反馈或通过一个智能控制单元反馈至所述智能控制单元；所述智能控制单元依据所述监测单元的反馈，获得SPD单元的电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，进而累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命，进而在智能控制单元反馈显示，和/或反馈至所述远程平台。可见，本发明方法中的步骤S20除了实时监测所述SPD单元部分属于监测单元的工作，其余过程均由远程平台完成，步骤S30过程均由远程平台完成，所以，本实施例中，以上提到的计算和分析等所有过程均属于远程平台可供拓展的功能。

所述远程平台可以包括监控中心或其他智能设备。而且，这里所称的智能控制单元，其数量不限于一个，单个智能控制单元中，其所包含的核心处理器，也可以为多个，只要实现了功能，就是本发明保护范围。而且，有关其与SPD单元，以及监测单元的电连接方式结构连接方式，均不受限，可以是插接、外接，甚至是内置。这里所称的监测单元依据所测对象的不同，可以发生不同的变化，其可以包括如图2所示的温度传感器，也可以包括电压检测设备、电流检测设备等等，在确定检测对象后，本领域技术人员自能够选取相应的设备，在***所引用的方法中，又对所监测的对象有了详尽的描述，所以，监测单元并不会有不清楚的问题。

综上所述，本发明认为，SPD的工作寿命与其在整个工作期间承受的电涌能量的累积统计量密切相关，这个电涌能量的累积统计量，也可称为SPD的安秒资源，该安秒资源可以由制造商在加工过程中就确认其参数。所以，本发明利用电流、温度、电压、电容量的数据采样，计算电涌能量，即得到当前已消耗的安秒资源，结合时间因素，可以得到安秒资源的消耗速度，进而针对剩余可消耗的安秒资源，即可获得其使用寿命。本发明创造性地想到通过能量的统计来计算使用寿命，实现了预告产品预期寿命的目的，基于此可以对该预期寿命给予反馈，或自动动作的设计，从而防止其失去保护效果时仍被投入使用而造成的安全隐患。

Claims (12)

1.一种电涌保护器预期寿命的判断方法，其特征在于：包括如下步骤：

S10：提供SPD单元；

S20：实时监测所述SPD单元，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量；

S30：累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

2.如权利要求1所述的电涌保护器预期寿命的判断方法，其特征在于：在所述步骤S20中，实时监测所述SPD单元具体包括：

监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据；进而依据所采集的数据，计算各次电涌的电涌能量。

3.如权利要求2所述的电涌保护器预期寿命的判断方法，其特征在于：在所述步骤S20中，所监测采集的SPD单元的数据至少包括温度数据。

4.如权利要求3所述的电涌保护器预期寿命的判断方法，其特征在于：在所述步骤S20中，通过以下公式计算得到各次电涌的电涌能量：

其中，ΔT表征温升，ΔU表征注入SPD单元的电涌能量，Cm—SPD单元对应的热容量，k为所述SPD单元对应的已知常数。

5.如权利要求3所述的电涌保护器预期寿命的判断方法，其特征在于：在所述步骤S20中，依据所采集的温度数据进行判断；

若判断温升的变化速度和幅值至少之一的变化超出阈值，则判断发生电涌，进而计算该次电涌的电涌能量。

6.如权利要求2所述的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，其特征在于：在所述步骤S30或S20中还包括确定该次电涌的温升的梯度和幅值，进而在所述步骤S30中，不同梯度和幅值的电涌以不同的系数累积计算其电涌能量的统计量。

7.如权利要求2所述的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，其特征在于：在所述步骤S10中，所监测采集的SPD单元的数据至少包括电流。

8.如权利要求7所述的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，其特征在于：在所述步骤S20中，通过计算电涌发生期间电涌的电流对时间的积分表征各次电涌的电涌能量。

9.如权利要求1所述的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，其特征在于：在所述步骤S30中，根据已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，确定能量的消耗速度，进而结合所述SPD单元的设计参数、工作环境参数、及其与整个工作期间所能承受的能量总和的关系，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命。

10.如权利要求1所述的电涌保护器的剩余使用寿命判断方法，其特征在于：还包括：检测所述SPD单元和环境温度，当其温差大于预设的界限时，则判断剩余使用寿命小于特定值。

11.一种的电涌保护器的剩余使用寿命判断***，特征在于：采用了如权利要求1至10任意之一所述的电涌保护器预期寿命的判断方法，具体来说：该***包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元监测所述SPD单元，并将监测到的数据反馈至所述智能控制单元；所述智能控制单元依据所述监测单元的反馈，获得SPD单元的电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，进而累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命，进而在本地反馈显示，和/或反馈至所述远程平台。

12.一种的电涌保护器的剩余使用寿命判断***，特征在于：采用了如权利要求1至10任意之一所述的电涌保护器预期寿命的判断方法，具体来说：该***包括监测单元、远程平台，所述监测单元监测所述SPD单元，并将监测到的数据直接反馈或通过一个智能控制单元反馈至所述远程平台；所述远程平台依据所述监测单元的反馈，获得SPD单元的电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，进而累积计算已发生电涌能量的统计量以及已工作时间，参照所述SPD单元整个工作期间所能承受的能量总和，推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命，进而在智能控制单元反馈显示，和/或反馈至所述远程平台。