CN105738782A - 基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，包括步骤有，选取电涌保护器样片；基于雷电冲击实验平台对电涌保护器样片进行冲击老化实验；测量电涌保护器样片在冲击过程中电气的动态参数和在老化冷却后电气的静态参数，并记录电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布和温度变化曲线；建立电涌保护器样片的冲击过程中动态参数与老化后静态参数的关系，以及建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系；采用神经网络算法，建立电涌保护器老化失效预警数学模型，用于对电路系统使用中的电涌保护器进行提前预警。本发明的有益效果，可解决目前电涌保护器只能在失效后被动检测并更换而不能提前预警的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种老化失效预警方法，特别是涉及一种基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，属于雷电防护技术领域。
背景技术
电涌保护器（SurgeProtectiveDevice，SPD）又称避雷器，广泛应用于电力系统、低压电源系统和通信系统的雷电过电压防护。当雷电或其它干扰引起电气回路或者通信线路中产生尖峰电流或者电压时，电涌保护器能在极短的时间内响应，导通分流，限制异常过电压，避免浪涌对回路中电气设备的损害。
电涌保护器的老化失效是指其核心部件ZnO压敏电阻在各种外加电应力及外界因素作用下，其电气参数发生改变，偏离其起始性能指标的现象。相关研究发现电涌保护器老化失效后存在压敏电压降低、泄漏电流和功率损耗增大等现象。根据引起老化的电应力种类，可将电涌保护器的老化分为直流老化、交流老化和冲击老化。其中，直流老化和交流老化主要由ZnO压敏电阻长期承受工作电压作用而引起。冲击老化则是由于承受间歇性的短时脉冲电流包括雷电流和过电压的作用而引起。例如，安装在太阳能发电系统中的电涌保护器，除可能受到雷电流的冲击外，还长时间承受太阳能电池板输出的直流电压的作用，容易存在直流老化现象。而安装于低压电力系统中的电涌保护器，由于长时间承受交流电，会发生一定的交流老化。
目前，已有的公开文献CN104049163A公开了一种电涌保护器劣化程度的检测系统及检测方法，通过检测电流和电压参数来判断劣化程序。而现有文献CN203551689U公开了一种电涌保护器压敏电阻劣化预警电路和装置，根据压敏电阻的电流输出特性作为劣化判断的标准。以及现有的硕士论文“MOV型SPD测试及老化分析”指出仅通过检测压敏电压和漏电流不能对SPD的老化做出有效判断，硕士论文“低压电源系统电涌保护器老化劣化研究”提出通过结合非线性系数a、压敏电压、漏电流三个参数可判断SPD是否老化。虽然，GB18802.1-2010中只对电涌保护器好坏的检测方法进行了规定，当漏电流大于20μA或压敏电压变化超过±10%时，判定SPD失效。但是，这些关于SPD老化的现有文献或研究成果都是通过测试静态电气参数来判断优劣程度，这些参数往往存在“拐点效应”，即只有当电涌保护器老化到一定程度后，漏电流和压敏电压才会出现显著变化，而在这个拐点值之前，这些参数都符合测试标准的要求。故现有老化判断方法都直接导致电涌保护器的更换滞后，存在安全隐患。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，可解决目前电涌保护器只能在失效后被动检测并更换而不能提前预警的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，包括以下步骤：
1)选取电涌保护器样片；
2)基于雷电冲击实验平台对电涌保护器样片进行冲击老化实验；
3)测量电涌保护器样片在冲击过程中电气的动态参数和在老化冷却后电气的静态参数，并记录电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布和温度变化曲线；
4）建立电涌保护器样片的冲击过程中动态参数与老化后静态参数的关系，以及建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系；
5）采用神经网络算法，建立电涌保护器老化失效预警数学模型，用于对电路系统使用中的电涌保护器进行提前预警。
本发明进一步设置为：所述步骤1）选取的电涌保护器样片为两片同一型号的ZnO压敏电阻，分别编号为S1和S2；所述步骤2）进行冲击老化实验具体为，利用电流波对ZnO压敏电阻进行五组冲击试验，S1和S2采用的冲击电流幅值不相等；第一、二组冲击次数均为x次，第三组冲击次数为y次，第四、五组冲击次数均为z次，每次冲击的时间间隔为m1分钟；每组冲击实验完成后，间隔m2分钟开始下一组实验；其中，x、y、z、m1、m2均为常数。
本发明进一步设置为：所述电流波采用8/20μs电流波，所述S1和S2采用的冲击电流幅值分别为20kA和25kA，所述x=3、y=6、z=10、m1=1、m2=30。
本发明进一步设置为：所述步骤1）选取的电涌保护器样片为两种，分别是单片34S621K压敏电阻和双片34S621K压敏电阻；所述单片34S621K压敏电阻和双片34S621K压敏电阻采用的标称放电电流和最大放电电流、以及冲击电流幅值均不相等，且每种样片的冲击电流幅值均采用间隔提档方式呈若干档;所述步骤2）进行冲击老化实验具体为，在每种样片的同一档冲击电流幅值情况下，利用电流波对该种样片进行五组冲击实验，第一、二组冲击次数均为a次，第三组冲击次数为b次，第四、五组冲击次数均为c次，每次冲击的时间间隔为n1分钟；每组冲击实验完成后，间隔n2分钟开始下一组实验；其中，a、b、c、n1、n2均为常数。
本发明进一步设置为：所述单片34S621K压敏电阻的标称放电电流In=20kA、最大放电电流Imax=40kA，所述双片34S621K压敏电阻的标称放电电流In=40kA、最大放电电流Imax=80kA；对单片34S621K压敏电阻，冲击电流幅值从5kA到40kA进行间隔5kA的提档；对双片34S621K压敏电阻，冲击电流幅值从10kA到80kA进行间隔10kA的提档；所述电流波采用8/20μs电流波，所述a=3、b=6、c=10、n1=1、n2=30。
本发明进一步设置为：所述雷电冲击实验平台包括SSGA200-180冲击发生器、Psurge30.2混合波发生器、多功能SPD测试仪、热稳定仪和热成像仪；所述SSGA200-180冲击发生器用于提供冲击电流，所述Psurge30.2混合波发生器用于测量动态参数，所述多功能SPD测试仪用于测量冲击老化实验后的老化冷却后的静态参数，所述热稳定仪和热成像仪用于测量冲击过程中的温度分布。
本发明进一步设置为：所述步骤3）中的电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布是通过热成像仪对电涌保护器样片表面全境进行热成像后，获得发热点位置和热蔓延方向。
本发明进一步设置为：所述动态参数包括残压，所述静态参数包括漏电流、伏安特性、非线性系数和内阻。
本发明进一步设置为：所述步骤4）中建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系是根据每次的冲击电流和波形计算出冲击能量，再根据电涌保护器样片的温度变化曲线，以及结合电涌保护器样片的散热模型来建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
从雷电流冲击时动态参数变化的角度定量确定电涌保护器的老化特性，从而建立电涌保护器老化失效预警模型，为电路系统使用中的电涌保护器提供失效预警依据，可解决当前通过测量SPD的漏电流和压敏电压存在“拐点”而不能提前预警的问题。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，包括以下步骤：
1)选取电涌保护器样片。
2)基于雷电冲击实验平台对电涌保护器样片进行冲击老化实验；其中雷电冲击实验平台包括SSGA200-180冲击发生器、Psurge30.2混合波发生器、多功能SPD测试仪、热稳定仪和热成像仪。
依据IEC61643-1：1998标准，基于各种测试平台的电源类SPD冲击实验，可采用经验尝试性实验方式，即以一组经验数据为测试数据的起始值，尝试以某一幅度增加测试冲击电流或电压值，多次冲击SPD测试品，再对整个冲击过程获得的数据进行处理，得出SPD测试结果。
为保证实验的高效、科学进行，首先利用ICGS雷电冲击实验平台进行实验预研究。根据初步测试结果，优化实验方案，再利用SSGA200-180冲击发生器、Psurge30.2混合波发生器等测试设备进行冲击实验。
3)测量电涌保护器样片在冲击过程中电气的动态参数和在老化冷却后电气的静态参数，并记录电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布和温度变化曲线。
其中，SSGA200-180冲击发生器用于提供冲击电流，Psurge30.2混合波发生器用于测量动态参数，多功能SPD测试仪用于测量冲击老化实验后的老化冷却后的静态参数，热稳定仪和热成像仪用于测量冲击过程中的温度分布；所测参数：动态参数包括残压，静态参数包括漏电流、伏安特性、非线性系数和内阻。而电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布可通过热成像仪对电涌保护器样片表面全境进行热成像后，获得发热点位置和热蔓延方向来进行记录。
4）建立电涌保护器样片的冲击过程中动态参数与老化后静态参数的关系，以及建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系。
5）采用神经网络算法，建立电涌保护器老化失效预警数学模型，用于对电路系统使用中的电涌保护器进行提前预警。
实施例1：
采用两片同一型号的ZnO压敏电阻，分别编号为S1和S2，利用8/20μs电流波对SPD的ZnO压敏电阻进行五组冲击试验，S1和S2的冲击电流幅值分别为20kA和25kA，第一、二组冲击次数均为3次，第三组冲击次数为6次，第四、五组冲击次数均为10次，每次冲击的时间间隔为1分钟；每组冲击实验完成后，间隔30分钟开始下一组实验，可使SPD有足够的时间将自身温度恢复到室温；冲击过程中测量其残压和非线性系数，老化冷却后测量其静态参数。从而，建立ZnO压敏电阻的压敏电压和漏电流的变化趋势同老化程度的函数关系，并绘制ZnO压敏电阻伏安特性及内阻变化曲线，对比伏安特性曲线随冲击次数的老化漂移现象。
实施例2：
采用两种SPD作为冲击实验对象：一种是使用单片34S621K压敏电阻（其耐受能电流能力为标称放电电流In=20kA、最大放电电流Imax=40kA）；另一种是使用双片34S621K压敏电阻（其耐受能电流能力为标称放电电流In=40kA、最大放电电流Imax=80kA））。冲击实验时，在同一冲击电流幅值情况下，利用8/20μs电流波对每种样片均进行五组冲击试验，第一、二组冲击次数均为3次，第三组冲击次数为6次，第四、五组冲击次数均为10次，每次冲击的时间间隔为1分钟；每组冲击实验完成后，间隔30分钟开始下一组实验，可使SPD有足够的时间将自身温度恢复到室温；冲击过程中利用热成像仪对SPD表面全境进行热成像，找出发热的最高点及热蔓延的规律。
对单片34S621K压敏电阻，冲击电流幅值从5kA到40kA进行间隔5kA的提档并间隔冲击，记录每组中每次冲击的温度变化。对于双片34S621K压敏电阻测试流程不变，初次冲击电流幅值提升到10kA，每次以10kA为一档提升，最大到80kA，进行间隔提档并冲击。
冲击过程中利用热成像仪对SPD表面全境进行热成像，找出发热的最高点及热蔓延的规律。记录每次冲击后ZnO压敏电阻的α值变化、启动电压和漏电流，为失效预警模型进行系数修正。
根据每次冲击的电流和波形计算冲击能量，再根据SPD的温度变化，结合SPD散热模型，建立温度同吸收能量、老化的函数关系。并绘制SPD的电气参数和温度在每次冲击过程中的变化曲线，分析能表征SPD老化的参数及其影响因子。采用神经网络算法，利用其强大的函数拟合能力，建立老化失效警模型。通过研究温度分布和SPD电气参数曲线之间的关系，而建立电涌保护器老化失效预警模型，为电路系统使用中的电涌保护器提供失效预警依据，可解决当前通过测量SPD的漏电流和压敏电压存在“拐点”而不能提前预警的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取电涌保护器样片；
2)基于雷电冲击实验平台对电涌保护器样片进行冲击老化实验；
3)测量电涌保护器样片在冲击过程中电气的动态参数和在老化冷却后电气的静态参数，并记录电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布和温度变化曲线；
4）建立电涌保护器样片的冲击过程中动态参数与老化后静态参数的关系，以及建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系；
5）采用神经网络算法，建立电涌保护器老化失效预警数学模型，用于对电路系统使用中的电涌保护器进行提前预警。
2.根据权利要求1所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述步骤1）选取的电涌保护器样片为两片同一型号的ZnO压敏电阻，分别编号为S1和S2；
所述步骤2）进行冲击老化实验具体为，利用电流波对ZnO压敏电阻进行五组冲击试验，S1和S2采用的冲击电流幅值不相等；第一、二组冲击次数均为x次，第三组冲击次数为y次，第四、五组冲击次数均为z次，每次冲击的时间间隔为m1分钟；每组冲击实验完成后，间隔m2分钟开始下一组实验；其中，x、y、z、m1、m2均为常数。
3.根据权利要求2所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述电流波采用8/20μs电流波，所述S1和S2采用的冲击电流幅值分别为20kA和25kA，所述x=3、y=6、z=10、m1=1、m2=30。
4.根据权利要求1所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述步骤1）选取的电涌保护器样片为两种，分别是单片34S621K压敏电阻和双片34S621K压敏电阻；所述单片34S621K压敏电阻和双片34S621K压敏电阻采用的标称放电电流和最大放电电流、以及冲击电流幅值均不相等，且每种样片的冲击电流幅值均采用间隔提档方式呈若干档；
所述步骤2）进行冲击老化实验具体为，在每种样片的同一档冲击电流幅值情况下，利用电流波对该种样片进行五组冲击实验，第一、二组冲击次数均为a次，第三组冲击次数为b次，第四、五组冲击次数均为c次，每次冲击的时间间隔为n1分钟；每组冲击实验完成后，间隔n2分钟开始下一组实验；其中，a、b、c、n1、n2均为常数。
5.根据权利要求4所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述单片34S621K压敏电阻的标称放电电流In=20kA、最大放电电流Imax=40kA，所述双片34S621K压敏电阻的标称放电电流In=40kA、最大放电电流Imax=80kA；
对单片34S621K压敏电阻，冲击电流幅值从5kA到40kA进行间隔5kA的提档；对双片34S621K压敏电阻，冲击电流幅值从10kA到80kA进行间隔10kA的提档；
所述电流波采用8/20μs电流波，所述a=3、b=6、c=10、n1=1、n2=30。
6.根据权利要求1所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述雷电冲击实验平台包括SSGA200-180冲击发生器、Psurge30.2混合波发生器、多功能SPD测试仪、热稳定仪和热成像仪；
所述SSGA200-180冲击发生器用于提供冲击电流，所述Psurge30.2混合波发生器用于测量动态参数，所述多功能SPD测试仪用于测量冲击老化实验后的老化冷却后的静态参数，所述热稳定仪和热成像仪用于测量冲击过程中的温度分布。
7.根据权利要求6所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述步骤3）中的电涌保护器样片在冲击过程中的温度分布是通过热成像仪对电涌保护器样片表面全境进行热成像后，获得发热点位置和热蔓延方向。
8.根据权利要求1所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述动态参数包括残压，所述静态参数包括漏电流、伏安特性、非线性系数和内阻。
9.根据权利要求1所述的基于温度分布的电涌保护器老化失效预警方法，其特征在于：所述步骤4）中建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系是根据每次的冲击电流和波形计算出冲击能量，再根据电涌保护器样片的温度变化曲线，以及结合电涌保护器样片的散热模型来建立温度同吸收能量、老化程度之间的函数关系。
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