用于计算电源防雷装置剩余使用寿命的系统及其方法与流程

本发明涉及电源防雷装置，尤其涉及一种用于计算电源防雷装置剩余使用寿命的系统及其方法。

背景技术：

电源防雷装置剩余使用寿命，主要是指防雷装置中核心器件压敏电阻的寿命。在智能监测防雷系统中，其剩余寿命的估算，是重要的监测项目之一，如能准确推算其剩余寿命，在失效发生前进行处置，可减少失效产生的二次损失。

现有的压敏电阻寿命研究，主要是研究雷击电流与压敏电阻寿命的关系，如常州创捷防雷电子有限公司在《电子元件和材料》2010年10月期“ZnO压敏电阻冲击电流寿命分布的试验研究”中讲述了相关研究结果；中国铁路通信信号集团于华都《铁路通信信号工程技术》07年10月文章中提出压敏电阻寿命与雷暴日的关系研究。

上述文章，针对雷击电流和压敏电阻的寿命关系进行的理论推断和实验研究，研究成果揭示影响压敏电阻寿命重要因素雷击电流与压敏寿命的关系，基本是考虑单一外界因素对压敏电阻的寿命影响，因此，研究结果与压敏电阻寿命情况相距甚远。

实际使用时，影响电源防雷装置的使用寿命的因素不仅仅是雷电电流作用，还包括实际使用环境的温度、工作电压等多个因素；同时，各种因素对压敏电阻的寿命影响是一个长期、渐变的过程，孤立、分散的单因素研究不能全面地确定压敏电阻的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的就是在于克服现有电源防雷装置的压敏电阻使用寿命计算存在的问题和不足，提供了一种用于计算电源防雷装置剩余使用寿命的系统及其方法，进行电源防雷装置的压敏电阻使用寿命的计算，具有准确、全面和实时计算的特点。

本发明的目的是这样实现的：

通过现代计算机技术，全面考虑影响电源防雷装置使用寿命的外界因素的作用，建立一个电源防雷装置剩余使用寿命的计算模型，利用计算机智能监测系统获取电源防雷装置使用过程的参数变化，确定电源防雷装置的剩余使用寿命。

具体地说：

一、用于计算电源防雷装置剩余使用寿命的系统（简称系统）

本系统包括电源防雷装置，设置有数据传感器、数据采集器和终端计算机40；

电源防雷装置、数据传感器、数据采集器、数据存储计算器和终端计算机依次连接。

二、用于计算电源防雷装置剩余使用寿命的方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①雷击电流幅值累计；

②电源防雷装置累计工作时间T1采集；

③电源防雷装置工作电压和工作温度的动态采集；

④电源防雷装置剩余寿命T_余的计算；

⑤电源防雷装置剩余寿命T_余的显示和输出；

⑥对达到剩余寿命报警阀值的防雷装置进行显示和声光报警。

本发明具有下列优点和积极效果：

①提出了一种考虑影响电源防雷装置使用剩余寿命的各种因素的综合作用建立的电源防雷装置的工作失效预计分析系统和仿真模型，通过各种因素的变动数值分析，能精确评估电源防雷装置的使用剩余寿命；

②建立的电源防雷装置的工作失效预计分析系统和仿真模型，可以真实反映电源防雷装置的工作状况，准确推算剩余工作寿命；

③根据电源防雷模块的工作失效预计分析系统和仿真模型计算结果与预置寿命失效报警界限值比较，确定是否启动失效报警。

总之，采用压敏电阻为核心元件的电源防雷装置剩余使用寿命的计算，具有准确、全面和实时计算的特点。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是数据处理模块的工作流程图。

图中：

10—电源防雷装置；

20—数据传感器，

21—雷电流传感器，

22—交流电压信号传感器，

23—温度传感器；

30—数据采集器；

40—终端计算机，

41—数据存取模块，

42—数据处理模块，

43—计算模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

本系统包括电源防雷装置10，设置有数据传感器20、数据采集器30和终端计算机40；

电源防雷装置10、数据传感器20、数据采集器30和终端计算机40依次连接。

2、功能部件

1）电源防雷装置10

包括非线性限压元件；

用于防止雷电流流过时产生的瞬时过电压对电器的损坏。

2）数据传感器20

数据传感器20包括相互并联的雷电流传感器21、交流电压信号传感器22和温度传感器23。

用于监测电源防雷装置10的工作电压和工作温度的变化以及雷电流事件发生的时间和幅值。

（1）雷电流传感器21

雷电流传感器21是一种应用罗氏线圈检测雷电流原理，将雷电流信号转变为电压信号的传感器；

选用规格100mV/1kA雷电流传感器用于雷电流信号转变为电压信号。

（2）交流电压信号传感器22

交流电压信号传感器22是一种通过电压/电流电压转换器TV16E和其它外围元件组成的传感器，将交流电压变化量转换为微电流信号；

（3）温度传感器23

温度传感器23是一种利用NT10K温度传感元件，将温度变化转换为电阻变化信号。

温度传感器23内嵌于电源防雷装置20中或电源接线端口。

3）数据采集器30

数据采集器30是一种微处理器，核心元件为EP4CE10微处理芯片和数个STM32F高速数据采集器制成的数据采集通道。

将数据传感器20采集的雷电流、电压和温度信号转换为数字信号，经微处理芯片综合运行后，将运算结果按特定的规约传送到终端计算机40。

4）终端计算机40

硬件配置：普通计算机。

终端计算机40其内嵌有数据存取模块41、数据处理模块42和计算模块43；

数据存取模块41和数据处理模块42分别与计算模块43交互。

（1）数据存取模块41

数据存取模块41将数据采集器30传送的数字信号存贮到专用存储单元中，待数据处理模块42取用。

（2）数据处理模块42

数据处理模块42将存储的相关数据按程序进行整理和分类。

（3）计算模块43

计算模块43是用于计算电源防雷装置10剩余使用寿命的核心模块，内置计算电源防雷装置10剩余使用寿命的软件，通过软件对数据处理模块42处理后的数据进行分析和计算，得到电源防雷装置10剩余使用寿命的结果。

具体地说，如图2，其工作流程是：

0、数据采集开始-101；

Ⅰ、雷击电流幅值Ik累计：

A、雷击电流幅值Ik=0-102

B、判断是否有雷击发生-103，是则进入步骤C，否则跳转到步骤F；

C、雷击电流幅值Ik累积-104；

D、存储雷击电流幅值Ik-105；

E、计算压敏电阻T的剩余寿命-106；

F、计算输出防雷装置的剩余寿命值-114；

Ⅱ、累计工作时间T1采集：

a、防雷装置累计工作时间T1=0-107；

b、判断T1≧1h-108，是则进入步骤c，否则继续步骤a；

c、判断T1是否清零-109，是则T1清零-110后继续步骤a，否则进入步骤d；

d、存储T1-111；

e、计算压敏电阻T的剩余寿命-106；

f、计算输出防雷装置的剩余寿命值-114；

Ⅲ、工作实效模型计算

ⅰ、工作实效模型计算=112；

ⅱ、存储无故障工作时间Tn-113；

ⅲ、计算输出防雷装置的剩余寿命值-114。

Ⅳ、计算说明

1）引用标准

GJBZ299C-2006电子设备可靠性预计手册5.5.9压敏电阻的可靠性预计法；

GB 18802.1-2011 低压电涌保护器（SPD）第1部分 低压配电系统的保护器性能要求和试验方法；

2）确定电源防雷装置的工作失效预计模型

λp=λb×π_E×π_Q×π_T

式中

λp：失效模型

λp：工作失效率 10^-6/h

λb：基本失效率 10^-6/h，取值0.04

π_E：环境系数 15（Gm1）

π_Q：质量系数 5 (C级)

π_T：温度系数 1～2.05（40～80℃）

λp=0.04×15×5×2.05=6.15×10^-6/h

3）计算正常工作环境中电源防雷模块的无故障工作时间

T=1/λp=1/(3×10^-6)=0.16×10⁶h=18(年)

4）考虑运行环境中的对电源防雷装置的使用寿命的主要影响因素：

（1）雷电流的累计效应；

（2）装置运行中电压的变化和温升效应；

5）电源电源防雷装置剩余使用寿命为（单位%）：

T_余=1-∑T₁/T-∑I_k/(In×24)）×100%；

∑T₁：防雷装置累计工作时间；

T：无故障工作时间；

∑I_k：雷击电流累计幅值；

In：装置额定通流（8/20μs）。

3、工作原理：

通过设置于电源防雷装置10上的数据传感器20测得电源防雷装置10的实时工作电压、实时工作温度、雷击次数和雷电流幅值等数据，通过数据采集器30进入数据采集器30，传输到终端计算机40；在终端计算机40中对数据进行综合分析、存储并通过预置的电源防雷装置10的工作失效预计模型进行仿真计算，实现剩余寿命的计算，计算结果与预置的寿命失效报警界限值比较，确定是否启动失效报警。