10 kV高壓電能表的供電單元的應(yīng)用研究

余恒潔

(云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司，昆明 650011)

10 kV高壓電能表的供電單元的應(yīng)用研究

余恒潔

(云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司，昆明 650011)

高壓電能表是配電網(wǎng)新型高壓電能計(jì)量產(chǎn)品，克服了現(xiàn)有配電網(wǎng)高壓計(jì)量裝置組件復(fù)雜的弊端。而供電單元的設(shè)計(jì)是高壓電能表設(shè)計(jì)的重中之重。本文中介紹了高壓電能表的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)有的供電單元設(shè)計(jì)技術(shù)的問(wèn)題，提出了用 “電容、電阻限流降壓電路”取代 “電容分壓器”一種新的高壓電能表供電單元解決方案。

高壓電能表；配電網(wǎng)；供電單元

0 前言

我國(guó)10 kV配電網(wǎng)通常采用的是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，普遍采用兩表法進(jìn)行電能計(jì)量。利用電子式互感器進(jìn)行傳感取樣，再利用高壓直接電能計(jì)量的方案所構(gòu)成的高壓計(jì)量表是一個(gè)整體式、高壓側(cè)直接計(jì)量設(shè)備。高壓計(jì)量表主要由電流、電壓交流采樣模塊、供電單元模塊、高壓電能計(jì)量模塊四部分組成。

圖1 高壓計(jì)量表原理簡(jiǎn)圖

我國(guó)大量的配電網(wǎng)絡(luò)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，普遍采用兩表法進(jìn)行電能計(jì)量，可以測(cè)量不對(duì)稱(chēng)負(fù)載下三相三線的功率和電能，并且不產(chǎn)生誤差。三相總功率的公式為：

對(duì)于不接地系統(tǒng)或小電流系統(tǒng)，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

三相功率和電能可以通過(guò)檢測(cè)AB相、CB相間電壓uAB、uBC和A相、C相電流iA、iC獲得。

1 現(xiàn)有高壓電能表供電單元分析

目前10 kV高壓電能表的供電單元主要有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：

1)傳統(tǒng)電磁式電壓互感器 (簡(jiǎn)稱(chēng)PT)構(gòu)成供電單元

電磁式電壓互感器構(gòu)成供電單元的的優(yōu)點(diǎn)是電路成熟可靠，但也存在以下缺點(diǎn)：

a.在安全上難以保證，存在鐵磁諧振和漏油的故障隱患；

b.運(yùn)行能耗高，高壓互感器消耗大量的銅鐵、絕緣材料等資源；

c.體積大、笨重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化，互感器的安裝非常不方便。

2)利用電容分壓器從輸電母線上取電能

此種方式中的電容分壓器中，沒(méi)有串聯(lián)電阻和并聯(lián)限壓電路，電容需要抵抗雷電沖擊高電壓，耐壓值的選取偏高；分壓的電壓為100 V，獲得2 W功率，需要20 mA電流，電容量的選取也偏大，抗過(guò)壓和雷擊浪涌能力差。

因此，需要通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有的高壓電能表的供電單元進(jìn)行改進(jìn)。用 “電容、電阻限流降壓電路”取代 “電容分壓器”和傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器，可大幅提高整流電壓，降低電流，使得高壓電能表的供電單元體積更小，輸入電壓范圍更寬，抗過(guò)壓和雷擊浪涌能力強(qiáng)。

2 高壓電能表供電單元的實(shí)現(xiàn)原理

如圖2所示，10 kV高壓電能表的供電單元，主要包括以下功能單元：

圖2 利用高壓電容降壓取電能的簡(jiǎn)化示意圖

降壓電容C1和限壓電路YM1并聯(lián)，后與限流電阻R1串聯(lián)，構(gòu)成典型的降壓組件；電路中同樣結(jié)構(gòu)的降壓組件共有n個(gè) (數(shù)量因輸入電壓不同而調(diào)整)，它們?nèi)看?lián)連接，共同承擔(dān)輸入的高電壓。

電路中，還設(shè)置有整流電壓限制電路VL1，使儲(chǔ)能電容 CC1的兩端電壓在 900 V到 1 100 V之間。

3 新型高壓電能表供電單元的設(shè)計(jì)

1)10 kV高壓電能表供電單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，10 kV高壓電能表供電單元中，有3個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓?jiǎn)卧謩e和A相、B相和C相處于等電位狀態(tài)，其中穩(wěn)壓?jiǎn)卧狝、C分別給A相、C相電能計(jì)量單元供電，穩(wěn)壓?jiǎn)卧狟給合并單元供電。

每個(gè)穩(wěn)壓?jiǎn)卧―C/DC變換器、整流電壓限制電路VL1等兩大部分電路。

圖3 10 kV高壓電能表供電單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2)DC/DC變換器的電路實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，DC/DC變換器是一個(gè)典型的反激電源，采用低啟動(dòng)電流的電流型控制芯片作為主控制器，具有電路簡(jiǎn)單、保護(hù)全面的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 DC/DC變換器的原理示意圖

二極管D5的作用是防止儲(chǔ)能電容的電能倒灌；二極管DA3的作用是弱化開(kāi)關(guān)管的輸出電容、變壓器初級(jí)電感之間的諧振，降低變壓器副邊的振鈴噪音。

3)整流電壓限制電路VL1的電路實(shí)現(xiàn)

整流電壓限制電路VL1的主要功能是：在正常的交流輸入電壓范圍 (4 kV～30 kV)內(nèi)，將儲(chǔ)能電容CC1的兩端電壓Vb控制在900 V～1 100 V之間，一是為減小降壓電容的容值和增大限流電阻的阻值，有助于本供能單元的可靠性保證，二是因?yàn)镈C/DC變換器中的功率開(kāi)關(guān)管比較容易選擇，可以采用性?xún)r(jià)比優(yōu)的功率場(chǎng)效應(yīng)管，有助于成本控制。

當(dāng)DC/DC變換器正常工作后，自饋電電壓+ 15 H將通過(guò)Q6A關(guān)閉Q5、Q6，并接替Vdiv給限壓控制電路、DC/DC變換器控制芯片U1等供電，目的是減少高壓Vb消耗的電流，從而降低供電單元整體的功率消耗。

電阻R2A、三極管Q4組成電流限制電路，使Q1/Q2/Q3/Q3A的最大輸出電流約為6 mA，MOS管Q1/Q2用于高電壓的均分，電阻R1C/R1F等用于功耗的分擔(dān)。穩(wěn)壓管 ZW1/ZW2/ZW3用于限制MOS管的柵源極之間的電壓，用于保護(hù)。

圖5 整流電壓限制電路VL1的原理示意圖

3.1 降壓支路最低工作電壓的確定

《高壓電能表通用技術(shù)要求》中8.3.3高壓電能表的電壓影響量試驗(yàn)：電壓范圍從0.8 Un(含)到0.9 Un(不含)以及從1.1Un(含)到1.15Un(不含)時(shí)，以百分?jǐn)?shù)表示的誤差改變量不應(yīng)超過(guò)表19限值的3倍。電壓低于0.8Un時(shí)，儀表誤差允許在+10%和-100%之間改變。若電壓是0.8Un時(shí)且B相電壓斷線，仍然要求電能表正常工作，則0.8Un電壓由2條降壓支路和3個(gè)穩(wěn)壓?jiǎn)卧裙餐謸?dān)，所以每條降壓支路兩端的電壓V=(0.8×Un-1×3)/2=2.5 kV。

每條降壓支路兩端的最低正常工作電壓為2.5 kV，此時(shí)電流滿(mǎn)足功率需求，約需要2.5 mA的交流電流。

3.2 降壓支路的其它工作條件

最高工作電壓：30 kV、2 min；試驗(yàn)按GB/T 16927.1-2011第6章的規(guī)定進(jìn)行。特別注意的是：此項(xiàng)操作是人為控制，所以最好按照長(zhǎng)期承受30 kV來(lái)設(shè)計(jì)。

3.3 輸入功率Pd和電壓采樣回路功耗Ps確定

整流電壓限制電路功耗1.1×0.05=0.055 W，DC/DC變換器的輸出功率1.1 W，效率65%，則DC/DC變換器的輸入功率Pd=1.1/0.65+0.055 =1.75 W，預(yù)留10%余量，得到1.75×1.1= 1.925 W，計(jì)算時(shí)按照2 W計(jì)。在儲(chǔ)能電容電壓為900 V，輸入2.5 mA電流時(shí)，有功功率平均值為：

在滿(mǎn)足輸入功率的要求。

在額定電壓10 kV下， (電阻式)電壓采樣回路的電流為0.3 mA，功耗在Ps=0.3×10=3W。

3.4 降壓組件具體實(shí)現(xiàn)

在50Hz條件下，此時(shí)的降壓支路的電流約為9 mA，2個(gè)穩(wěn)壓?jiǎn)卧腜d×2的功率，允許降壓支路的損耗為。

按照I×I×Ra=P的公式計(jì)算，得9/1 000×9/1 000×Ra=3，推出降壓支路串聯(lián)電阻總和Ra=3× 1 000×1 000/81=37 kΩ，在9 mA時(shí)的電壓降為333 V。

在最大連續(xù)工作電壓為交流30 kV時(shí)，計(jì)劃每個(gè)降壓組件的工作電壓為交流10 kV，降壓支路由3個(gè)降壓組件 (=30 kV/10 kV)串聯(lián)來(lái)構(gòu)成。單個(gè)限流電阻12.3 kΩ，實(shí)際選用12 kΩ。

每條降壓支路在2.5 mA、2.5 kV、45 Hz的條件下，總阻抗Z=2.5 k/2.5=1 MΩ。單個(gè)降壓組件的阻抗Z1=Zall/3=333 kΩ，可見(jiàn)降壓組件的阻抗Z1基本上由降壓電容C1形成，考慮到45 Hz時(shí)的容抗XC1=1/(2××45×C1)=Z1，得到降壓電容C1=1/(2×π×45×Z1)=1/(90×π×333× 1000)=0.010 6 μF，實(shí)際選用0.011 μF。

每個(gè)降壓組件的最大連續(xù)工作電壓為10 kV，峰值為14.14 kV，實(shí)際選用25 kV耐壓，是考慮到限壓電路的漏電流、擊穿電壓誤差、鉗位電壓隨電流的增大而上升等因素。限壓電路YM1使用雙向TVS(1.5 KE 440CA)40只串聯(lián)而成 。單只TVS的參數(shù)如下，581A 3 電流下 538，截止電壓376 V，40只串聯(lián)總電壓15kV； 2.3 A電流下，峰值電壓600 V，40只串聯(lián)總電壓24 kV。

在最大連續(xù)工作電壓為交流30 kV、50 Hz時(shí)，降壓支路的電流I30=30/2.5×2.5×50/45= 33.3 mA。在電阻R1上的損耗PR1=I30×I30×R1= 33.3×33.3×12=13.3 W，最大工作電壓Vmax= 33.3×12=400 V，功率不大，電壓也不高。

但是，在供電單元做雷電截波耐受電壓85 kVp試驗(yàn)時(shí)，不能發(fā)生擊穿，每個(gè)電阻分擔(dān) 85 kVp/3=28.33 kV，考慮到降壓電容C1的峰值電壓14.14 kV可能和前者同方向疊加，總電壓可能達(dá)到28.33+14.14=42.47 kV，實(shí)際選擇限流電阻R1的短時(shí)極限耐壓應(yīng)滿(mǎn)足60 kV。可以選用蚌埠雙環(huán)CRW功率型厚膜電阻器240 Ω/4020 M的貼片電阻2(并)×10(串)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單只電阻的最大工作電壓6 kV，允許功耗1.5 W，尺寸為10.2×5.1×0.6，單位mm。

降壓組件的完整原理圖如圖6所示。

圖6 降壓組件的完整電路原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

用 “電容、電阻限流降壓電路”取代 “電容分壓器”，同時(shí)把限流降壓后的整流電壓，大幅度從100 V提升到1 000 V。在輸出2瓦功率時(shí)，只需要2毫安電流，和現(xiàn)有技術(shù)相比：降壓電容的容值只有1/10，限流電阻的阻值卻是100倍或者更高，再配合降壓電容并聯(lián)限壓組件、采用多余能量分流技術(shù)來(lái)限制整流電壓等措施，使本供能單元具有交流輸入電壓范圍寬，抗連續(xù)過(guò)壓、雷擊浪涌等異常條件的能力強(qiáng)，同時(shí)具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。可極高的提高高壓電能表的性能。

[1] 胡順，徐芝貴.高壓電能表的研制進(jìn)展 [J].電測(cè)與儀表，2008，45(1)：123，42

[2] 王樂(lè)仁.配電網(wǎng)中的互感器及其未來(lái) [J].環(huán)球表計(jì)，2008(3).

Study on Power Supply Unit of 10 kV High Voltage Electric Energy Meter

YU Hengjie
(Yunnan Power Grid Co.，LTD.，Kunming 650217，China)

High voltage electric energy meter is a new type of electric energy metering product in distribution network，which overcomes the disadvantages of the high voltage measurement equipment's complex structure in the distribution network.The power supply unit is the most important part in the design of high voltage electric energy meter.This paper introduces the basic structure of the high voltage electric energy meter，analyzes the problems existing in the design of the power supply unit.This paper presents a new solution for the high voltage power meter power supply unit，which uses"capacitor，resistor current limiting circuit"instead of“capacitor voltage divider”.

high voltage electric energy meter；distribution network；power supply unit

TM93

B

1006-7345(2015)06-0099-04

2015-11-27。

余恒潔 (1981)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，從事計(jì)量管理、計(jì)量研究工作工作 (e-mail)yhj0129＠qq.com。