單相智能電能表外置繼電器電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于 泳 牟向陽(yáng)

（中電裝備山東電子有限公司，山東濟(jì)南250109）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)單相智能電能表對(duì)小于60 A的用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程拉合閘操作是依靠智能電能表內(nèi)置的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，如果負(fù)荷電流大于60 A，為了進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，需要智能電能表外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)。為簡(jiǎn)化電路，降低成本，滿足使用要求，通過(guò)應(yīng)用光耦可控硅對(duì)外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)計(jì)量中心全性能試驗(yàn)檢測(cè)公告4號(hào)補(bǔ)疑：按照智能電能表遠(yuǎn)程費(fèi)控執(zhí)行流程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，提出基于220 V AC電壓的手動(dòng)合閘和自動(dòng)合閘的控制和反饋方案。對(duì)于繼電器外置單相電能表，電能表硬件調(diào)整如圖1所示，外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)輸出控制信號(hào)C接輔助端子5，跳合閘輸入反饋信號(hào)R接輔助端子6，這兩個(gè)信號(hào)端子均以供電線路的零線（N）作為信號(hào)參考點(diǎn)。為防止人體觸電，要求采用220 V AC串聯(lián)100 kΩ的方式進(jìn)行控制和反饋。

圖1 輔助端子接線圖

2 工作原理

該電路主要由三極管控制光耦可控硅的通斷。以輸入的控制信號(hào)R_OFF來(lái)實(shí)現(xiàn)光耦可控硅的通、斷，控制信號(hào)高電平4.6～4.8 V，低電平0～0.5 V。當(dāng)輸入信號(hào)R_OFF=0時(shí)，Q5無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而截止，VCC提供給光耦可控硅需要的驅(qū)動(dòng)電流使其導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)R_OFF=1時(shí)，Q5獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，光耦可控硅兩端電壓被拉低，光耦可控硅處于斷開(kāi)狀態(tài)。電路如圖2所示。

圖2 光耦可控硅控制電路

3 主要元器件選型及參數(shù)計(jì)算

由于各個(gè)電力公司要求電能表上電時(shí)，應(yīng)在500 ms（重慶要求20 ms）內(nèi)輸出允許跳閘信號(hào)，確保外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，當(dāng)電能表滿足控制條件時(shí)，需輸出跳閘信號(hào)驅(qū)動(dòng)外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作。從圖3中可以看出當(dāng)電壓升到5 V時(shí)，光耦可控硅動(dòng)作，上電延遲時(shí)間為12.6 ms（無(wú)法判斷上電時(shí)間點(diǎn)），如果上電點(diǎn)是正弦波的下降沿，最多會(huì)增加5 ms的上升時(shí)間，上電最長(zhǎng)延遲時(shí)間為17.6 ms，壓降為1.8 V，能滿足要求。

圖3 電能表上電延時(shí)波形

光耦可控硅驅(qū)動(dòng)電流為5 mA，正向壓降受溫度影響極限值為1.5 V，典型值是1.2 V，可控硅后端的漏電流最大為1 000 nA（在高溫情況下），考慮上拉電阻1%精度、100ppm溫度系數(shù)的影響，則最大上拉電阻為：

由于光耦可控硅能承受的最大驅(qū)動(dòng)電流為20 mA，則最小上拉電阻為：

考慮到光耦可控硅10年衰減率為10%，則此時(shí)的最大上拉電阻為：

在這里則最小上拉電阻為：

由于10年衰減率才達(dá)到10%，年衰減率非常小，綜合整機(jī)功耗等多方面，選擇680 Ω，功耗為：

功耗在我們可接受的范圍內(nèi)，我們選擇1/10 W的0603封裝，1%精度貼片電阻。680 Ω的貼片電阻受溫度和精度影響，變化范圍為668.8～691.3 Ω。可算出：

控制信號(hào)R_OFF的電壓為4.7 V，由圖4可以算出三極管最小放大倍數(shù)：

限流電阻最大值為：

綜合考慮各項(xiàng)因素選擇常用的20 kΩ，功耗為：

圖4 三極管放大倍數(shù)曲線圖

考慮到輸出端極端條件的兩種狀態(tài)是接到380 V電壓上和短路，從光耦可控硅技術(shù)手冊(cè)上得知輸出端在關(guān)閉狀態(tài)下能承受的最大電壓為600 V（峰峰值），有效值為424.3 V，輸出端在導(dǎo)通狀態(tài)下的壓降是1.8～3 V。當(dāng)光耦可控硅在關(guān)閉的情況下，這兩種狀態(tài)光耦可控硅不受損壞。當(dāng)光耦可控硅在導(dǎo)通的情況下，當(dāng)接到380 V電壓上，光耦可控硅兩端是等電勢(shì)；當(dāng)短路時(shí)，光耦可控硅兩端的最大壓差是380 V，由于后端是由3個(gè)1206-33 kΩ/0.25 W±5%±100ppm貼片電阻串聯(lián)，貼片電阻超負(fù)荷工作電壓1206封裝為400 V，最大長(zhǎng)時(shí)間工作電壓為200 V，根據(jù)電能表的可靠性要求，1206封裝的電阻分壓為100 V（按降額50%），能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

外置繼電器設(shè)計(jì)是智能電能表遠(yuǎn)程費(fèi)控能夠正確執(zhí)行的根本保證，直接影響智能電能表的可靠性和穩(wěn)定性。本文針對(duì)國(guó)網(wǎng)計(jì)量中心的要求，對(duì)外置繼電器的原理進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，提供了一種簡(jiǎn)單有效的解決方案。經(jīng)批量運(yùn)行驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)220 V AC電壓的手動(dòng)合閘和自動(dòng)合閘的控制和反饋，安全可靠。