深圳市盾牌防雷技术有限公司、天津市气象局的研究人员罗佳俊、周燕川，在2019年第12期《电气技术》中撰文指出，价值工程的目的是以最低的寿命周期费用，可靠地实现产品必要的功能。功能分析是价值工程的核心。
在防雷产品的研发中，利用价值分析的方法，通过对组合型电涌保护器关键元器件的功能分析和功能评价，重新认识各元器件的主要功能，了解各元器件之间的实际配合情况，从而优化设计，降低成本，提高产品的价值。在整个功能分析的过程中，还会有突破传统思维的新发现。
在配电系统的雷电防护中，根据规范[1]的要求应在不同的雷电防护区域分别采用不同类型的电涌保护器（surge protection device, spd）进行保护，从而达到雷电流逐级泄放、逐级降低残压的目的。
但是所安装的多级spd需要在一定距离下才能实现能量协调，进而达到有效保护设备的目的，而空间狭小或者安装受限的场所无法满足要求。常规spd采用单一的防雷元器件，若独立使用，则无法满足大通流、低残压的要求。
目前有两种方案可以解决距离的问题：①在两级spd之间加装退耦装置；②开发两级或者两级以上的组合型spd，同时满足大通流和低残压的要求。
本文通过进行功能分析，对某组合型的spd设计方案提出优化，同时降低成本，以期为客户提供价值更高的产品。
1 价值分析
价值是指功能的性能和获得其成本之间关系的定性或定量表示，用公式表示v=f/c。功能分析是价值分析和价值工程的核心，它是由美国通用电气公司（ge）采购工程师麦尔斯首先提出的，从功能方面研究提高价值和节约资源的关系。所有提供给客户的产品或服务的本质是功能，而不是产品有形的物质结构。因此，通过分析和评价产品的功能，利用最低的寿命周期成本向客户提供产品所具备的功能，从而提高产品价值。
spd是一种过电压保护器件，被安装在配电系统中，主要用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流，从而达到保护设备的目的。下面以压敏电阻（metal oxide varistors, mov）和瞬变电压抑制二极管（transient voltage suppressors, tvs）为核心元器件的组合型spd为例来分析各元器件的功能和关系。通过测试分析得出，该种组合型spd价值较低，需要进行优化。
2 组合型spd的价值分析
2.1 组合型spd的设计目的和方案
组合型spd的设计目的是设计一种class b+c组合型spd，设计标称放电电流为20ka（8/20s），最大通流量为100ka（8/20s），组合波测试残压为6kv@3ka。为了满足参数的要求，第一级保护采用4片标称通流量为20ka、最大通流量为50ka的mov并联，目的是获得较大的通流量；第二级采用通流量为10ka的大功率tvs，利用tvs箝位准、低残压的特性，达到使整个spd低残压的目的。mov和tvs之间的串联电阻作为退耦元件，满足两器件之间能量协调的要求。
2.2 组合型spd价值分析对象的选择
组合型spd价值分析对象的选择方法有因素分析法、帕累托（activity based classfication, abc）法、强制决定法和最合适区域法。下面从成本和功能两个角度出发，利用帕累托法和最合适区域法两种方法来确定价值分析的对象。
从产品的物料清单（bill of material, bom）可以看出，组成该产品的物料种类有56种，但是tvs模块盒和mov模块盒的成本占了总成本的89.2%，其他辅助材料和功能仅占总成本的10.8%。因此，将该产品的物料归为三大类，即tvs模块盒、mov模块盒和其他，如图1所示。
根据帕累托原理，因为两种模块盒所占的成本超过了80%，而且tvs模块盒的成本超过了总成本的70%，所以将tvs作为价值分析的重点分析对象。
图1 价值工程之前产品成本的比例分析
上述仅从成本的角度选择价值分析的对象，而没有从功能的角度去评价。spd的主要功能是泄放雷电流，并且获得较低的残压，因此mov和tvs作为泄放电流的主要元器件，发挥着主要的功能。
另外，为了保证mov与tvs能量协调，两器件之间串联的电阻也起着重要的能量作用，没有它，mov和tvs两器件无法满足能量协调的要求，即无法正常工作。
虽然该元件的成本较低，但是也应该将其与mov和tvs一并视为价值分析的对象。其他如远程告警、脱扣等功能均为辅助功能，所占成本的比例较低，不作为价值分析的对象。
2.3 组合型spd的功能分析
根据spd的设计目的，画出spd的功能分析图，如图2所示。由此可见，主要功能由mov、tvs、退耦电阻r三种元器件共同完成。由于tvs占总成本的72%，且tvs的价格随着功率或通流的增大而增加，该设计方案中采用的是10ka、40kw的大功率tvs，因此将通过测试验证3种元器件配合的合理性（是否满足设计要求）、流过mov和tvs电流的分配关系和决定因素，从而降低tvs的功率，达到降低成本的目的，这也是价值工程和价值分析重点要改进的地方。
图2 产品功能组成
3 组合型spd的优化设计测试
3.1 tvs分配电流与退耦电阻阻抗和静态电压的关系验证
组合型spd的电路原理如图3所示。退耦电阻r采用高精度的采样电阻，在工频电流下呈现出非线性特性，但是在冲击电流下表现为线性电阻。用3次不同大小的电流对其冲击，根据示波器采集到的电压，通过欧姆定律计算得出该电阻的阻值为47.7mω，考虑到测量误差，认为与该电阻的标称值50mω一致，如图4所示。
因此，可以通过测量mov和tvs两端的电压u1和u2，算出电阻r的电压，通过欧姆定律i=u/r算出流过tvs的电流i2，从而求出在不同冲击电流下流过tvs的最大电流。
图3 组合型spd的电路原理图
图4 流过采样电阻的电流和电压关系
对组合电路分别冲击3ka、5ka、10ka、15ka、20ka这5组电流，用示波器分别采集退耦电阻为50mω和100mω时流过tvs的电流。结果发现，当增加退耦电阻的阻抗时，tvs分配到的电流减小。按照设计方案，当退耦电阻为50mω时，冲击20ka电流，tvs分配的电流最大为3.92ka；而当退耦电阻为100mω时，冲击20ka电流，tvs分配的电流最大只有2.76ka。
将tvs的静态电压由设计方案的270v降到240v，冲击同样5组电流，结果发现，在退耦电阻不变的情况下，静态电压越高，tvs分配到的电流越少。如图5所示，在5组冲击电流下，当退耦电阻为100mω时，静态电压为270v的tvs分配的电流均小于静态电压为240v tvs分配的电流。
3.2 有无退耦时mov与tvs响应与配合验证
在mov与tvs之间没有退耦电阻的情况下，当冲击电流为20ka时，tvs静态出现异常，说明有过载的可能性。通过测试波形图可以发现，如果没有退耦电阻，tvs就会首先响应，spd的残压表现为tvs的最高点的转折电压，如图6所示。
当有退耦电阻时，前面的测试已经证明mov与tvs可以满足能量协调要求，通过tvs的电流小于5ka，且mov会首先响应，spd的残压表现为mov的最大残压，3ka下的残压小于600v，如图7所示。
图5 退耦电阻和静态电压对tvs分流的影
图6 没有退耦电阻时雷电冲击的响应特性
图7 有退耦电阻时雷电冲击的响应特性
以上测试证明，mov与tvs并联使用时必须加退耦电阻，否则tvs可能会过载，期望通过tvs实现低残压的目的是无法达到的。测试证明，tvs对于spd的残压没有任何贡献，残压主要表现为mov的残压。因此，该设计方案中的tvs属于低价值的功能，可将该tvs省去。如果必须保留tvs，那么可以用通流为6ka的tvs来替代10ka的tvs，这样可使tvs模块盒的成本下降79.5%，整个spd的成本下降57.29%，价值工程之后产品成本的比例分析如图8所示。
图8 价值工程之后产品成本的比例分析
结论
本文通过采用价值工程的方法对某组合型spd进行原理和功能分析及其测试验证，得出以下结论：
1）无法通过tvs获取较低的残压。2）在价值分析中，tvs属于价值低的功能，甚至可以去掉。即便不去掉，将10ka的通流量降低到6ka也能满足设计要求，且在最大通流时不会过载，从而提高产品的价值，降低成本。3）在mov与tvs并联使用时，两者之间必须加退耦装置才能满足能量协调的要求。对于在实际产品中的应用，由于残压是由mov决定的，因此mov与tvs的组合没有实际意义。