CN105738724B - 电涌保护器的检测分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电涌保护器的检测分析方法及系统，该方法包括：S00：提供SPD单元；S10：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；S20：依据步骤S10采集的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；S30：依据步骤S20得到的电涌能量和/或电涌电流以及步骤S10采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、步骤S10采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储和/或反馈。

Description

电涌保护器的检测分析方法及系统

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的检测分析方法。

背景技术

SPD(Surge Protective Device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系统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系统不受冲击。

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对电涌保护器进行检测分析，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。

本发明提供了一种电涌保护器的检测分析方法，包括：

S00：提供SPD单元；

S10：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；

S20：依据步骤S10采集的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；

S30：依据步骤S20得到的电涌能量和/或电涌电流，以及步骤S10采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、步骤S10采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储和/或反馈。

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。

可选的，在所述步骤S30中，通过以下公式计算得到电涌能量：

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。

可选的，在所述步骤S30中，通过计算电涌发生期间电涌的电流对时间的积分表征所述电涌能量。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括以下至少之一：

冲击电流幅值、累计冲击次数、累计的电涌能量、电涌持续时间、风险等级。

可选的，在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括SPD单元的预期寿命，进一步包括：

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。

可选的，在推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命时，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，在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括电涌的梯度和幅值，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S30中进行进一步计算分析对象包括雷击次数的统计，在统计雷击次数时，将步骤S20得到的电涌能量和/或电涌电流与预设的值做比较，若大于，则记录一次雷击。

可选的，在所述步骤S20中，还包括依据步骤S10采集的数据，将其与对应的预设的值进行比较，判断是否发生雷击，若发生，则记录一次雷击。

本发明还提供了一种电涌保护器的检测分析系统，采用了本发明提供的电涌保护器的检测分析方法，具体来说：该系统包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元用以监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据，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监测的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；依据得到的电涌能量和/或电涌电流，以及采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储，并在本地反馈或反馈至所述远程平台。

本发明还提供了一种电涌保护器的检测分析系统，采用了本发明提供的电涌保护器的检测分析方法，具体来说：该系统包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元用以监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据，并将监测到的数据直接或通过所述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监测的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；进而依据得到的电涌能量和/或电涌电流，以及采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储，并反馈智能控制单元或在所述远程平台反馈。

对于电涌保护器的检测分析，本发明创造性地想到计算获得其电涌能量，无论采用何种检测数据得到电涌能量，均可以通过对电涌能量的进一步分析计算获得其他数据，为电涌保护器的检测分析提供了一个全新的开拓性思路，而不局限对直接检测的电学参数、环境参数进行反馈，基于电涌保护器电涌能量的计算，使得电涌保护器的检测分析及信息的反馈、存储提供了更广阔的可能。

附图说明

图1是本发明一可选实施例中电涌保护器的检测分析方法的流程示意图；

图2是本发明一可选实施例中使用电涌保护器的检测分析方法的系统的示意图。

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的检测分析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的检测分析方法，包括：

S00：提供SPD单元；

S10：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；其中，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；

S20：依据步骤S10采集的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；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和/或电涌电流，也可以先不对是否发生电涌进行判断，而是分别计算能量和/或电流，或先得到能量曲线或电流曲线，在统计计算时，根据曲线甄别是否发生电涌能量和电涌电流。

S30：依据步骤S20的电涌能量和/或电涌电流以及步骤S10采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、步骤S10采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储和/或反馈。

这里所称的存储和/或反馈可以是本地的存储和/或反馈，也可以是通过通讯端口实现远程的存储和/或反馈。

在本发明可选的实施例中，在所述步骤S20中，先根据采集的数据判断是否发生电涌，若发生，则计算该电涌的电涌能量，和/或电涌电流。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。

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S30中，通过以下公式计算得到电涌能量：

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。

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系统。

根据热力学第一定律：

Δ_Q＝Δ_U+Δ_A……………………………………(1)

式中：ΔU—系统内能的变化量；

ΔQ—外部进入系统的热量；

ΔA—系统对外部做的功；

在进入这个系统的能量值(ΔU)为正值(能量正流入)时，系统的内能增加，温度将会随Q值而升高。反之，在进入这个系统的能量值(ΔU)为负值(能量流出)时，系统的内能降低，温度将会随Q值而降低。在一个确定的系统中，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：

…………………………………………(2)

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：

在使用过程中，SPD系统通过电磁场辐射、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：

或者：

…………………………………………(3)

式中：k—用于表征保护器系统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系统的能量：

ΔU＝u*i*t

可变形为：

………………………………(4)

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：

………………………………(5)

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)，在确定的保护器系统中，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：

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所述电涌能量。

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。

举例来说，在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括以下至少之一：冲击电流幅值、累计冲击次数、累计的电涌能量、电涌持续时间、风险等级。

在以上描述的基础上，本发明一比较重要的实施例中，电涌能量可被用以计算电涌保护器的剩余使用寿命，具体来说：

在所述步骤S40中进行进一步计算分析对象包括SPD单元的预期寿命，进一步包括：

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。

进一步来说，在推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命时，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，此即下文即将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S40中进行进一步计算分析对象包括电涌的梯度和幅值，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。

本发明的方案还可以实现雷击次数的统计：

其中一种可选方案为：在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括雷击次数的统计，在统计雷击次数时，将步骤S20得到的电涌能量和/或电涌电流与预设的值做比较，若大于，则记录一次雷击。

另一可选的方案为，在所述步骤S20中，还包括依据步骤S10采集的数据，将其与对应的预设的值进行比较，判断是否发生雷击，若发生，则记录一次雷击。

本发明在判断雷击时，采用SPD本体是否流经能量法判断，不受现场使用环境的限制。其记录的数据可进一步分析其大小，甚至后期人工设定调整其阈值，确认用来满足不同的应用场合。

本发明还提供了一种电涌保护器的检测分析系统，采用了本发明可选方案提供的电涌保护器的检测分析方法，具体来说：该系统包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元用以监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据，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监测的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；依据得到的电涌能量和/或电涌电流，以及采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储，并在本地反馈或反馈至所述远程平台。可见，本发明方法中的步骤S20和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电涌保护器的检测分析系统，采用了本发明可选方案提供的电涌保护器的检测分析方法，具体来说：该系统包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元用以监测采集SPD单元的电压、电流、温度、电容量、阻抗至少之一的数据，并将监测到的数据直接或通过所述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监测的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量，和/或电涌电流；进而依据得到的电涌能量和/或电涌电流，以及采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量和/或电涌电流数据、采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储，并反馈智能控制单元或在所述远程平台反馈。可见，本发明方法中的步骤S20和步骤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，在系统所引用的方法中，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，对于电涌保护器的检测分析，本发明创造性地想到计算获得其电涌能量，无论采用何种检测数据得到电涌能量，均可以通过对电涌能量的进一步分析计算获得其他数据，为电涌保护器的检测分析提供了一个全新的开拓性思路，而不局限对直接检测的电学参数、环境参数进行反馈，基于电涌保护器电涌能量的计算，使得电涌保护器的检测分析及信息的反馈、存储提供了更广阔的可能。

Claims (11)

1.一种电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：包括：

S00：提供SPD单元；

S10：监测采集SPD单元的温度数据；

S20：依据步骤S10采集的温度数据，获得其电涌发生情况，并利用温度数据得到各次电涌的电涌能量；具体为：

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；

S30：依据步骤S20得到的电涌能量，以及步骤S10采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量、步骤S10采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储和/或反馈。

2.如权利要求1所述的电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在所述步骤S20中，先根据采集的数据判断是否发生电涌，若发生，则计算该电涌的电涌能量。

3.如权利要求2所述的电涌保护器的检测分析方法，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。

4.如权利要求1所述的电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括以下至少之一：

冲击电流幅值、累计冲击次数、累计的电涌能量、电涌持续时间、风险等级。

5.如权利要求1所述的电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括SPD单元的预期寿命，进一步包括：

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。

6.如权利要求5所述的电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在推算得到所述SPD单元的剩余使用寿命时，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、及所述SPD单元在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。

7.如权利要求5所述的电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括电涌的梯度和幅值，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。

8.如权利要求1所述的电涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在所述步骤S30中进行进一步计算分析对象包括雷击次数的统计，在统计雷击次数时，将步骤S20得到的电涌能量与预设的值做比较，若电涌能量大于预设的值，则记录一次雷击。

9.如权利要求1所述的涌保护器的检测分析方法，其特征在于：在所述步骤S20中，还包括依据步骤S10采集的数据，将其与对应的预设的值进行比较，判断是否发生雷击，若发生，则记录一次雷击。

10.一种电涌保护器的检测分析系统，其特征在于：采用了如权利要求1至9任意之一所述的电涌保护器的检测分析方法，具体来说：该系统包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元用以监测采集SPD单元的温度数据，并将监测到的温度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监测的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量；依据得到的电涌能量，以及采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量、采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储，并在本地反馈或反馈至所述远程平台。

11.一种电涌保护器的检测分析系统，其特征在于：采用了如权利要求1至9任意之一所述的电涌保护器的检测分析方法，具体来说：该系统包括监测单元、智能控制单元和远程平台，所述监测单元用以监测采集SPD单元的温度数据，并将监测到的温度数据直接或通过所述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监测的数据，获得其电涌发生情况，得到各次电涌的电涌能量；进而依据得到的电涌能量，以及采集到的数据对SPD的运行情况进行进一步计算分析，然后将检测到的电涌能量、采集到的数据以及计算分析的结果中的部分或全部进行存储，并反馈智能控制单元或在所述远程平台反馈。