基于溫度場仿真的智能電能表電源回路誤保護特性的分析與優化*

袁瑞銘，李文文，呂言國，葉雪榮，魯觀娜，劉麗

(1.國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京 100045； 2.哈爾濱工業大學，哈爾濱150001；3.威勝集團有限公司，長沙 410205)

0 引 言

智能電能表是采用數字計量技術的新型電能表。隨著智能電網的日益發展，世界各國對于智能化用戶終端的需求也日益增大，低故障率和高可靠性成為智能電能表必須具備的質量特性[1-2]。而智能電能表電源回路是保證智能電能表正常供電的關鍵模塊，主要由PTC熱敏電阻、變壓器以及穩壓電路組成[3-4]，其穩定可靠運行將直接關系到用戶的用電安全與電能表計量的公平公正。根據2014年國家電網公司對電能表典型故障現象、原因等方面的調研報告可知，在極端環境溫度下，由于器件特性參數的分散性等問題，熱敏電阻實際工作溫度超過其居里溫度點進而引起供電電路誤保護是供電電路故障的主要原因[5]。因此，研究電能表電源回路的保護特性對提高電源回路可靠性具有重要意義。

電源回路的保護特性主要由PTC熱敏電阻的居里溫度與其實際工作溫度決定，因此準確的電熱仿真是研究電源回路保護特性的基礎。在電路熱仿真技術研究方面，北京理工大學的奚浩晨綜合考慮PCB板熱導率的各向異性和各個元器件間的輻射以及重力、熱對流等物理條件對溫度場的影響，運用ANSYS Workbench軟件對電子艙伺服機構進行熱—力耦合仿真分析[6]。中國電子科技集團公司第二十研究所的馬巖運用ANSYS Icepak對某種印制電路板詳細模型進行熱仿真，對其仿真結果中的溫度分布、氣流分布情況等進行分析，并為進一步優化PCB上元件布局提供了參考[7]。在電能表相關的熱仿真技術研究方面，江蘇省電力公司電力科學研究院的劉建、王忠東、徐晴等人，運用有限元分析軟件ANSYS中的電磁仿真功能，對工頻電磁場干擾智能電能表的變壓器等元器件進行仿真分析研究[8]。但目前缺少對于電能表電源回路的誤保護現象的相關仿真研究，且對于電能表保護特性的優化尚待完善。

針對上述問題，文中用電熱間接耦合仿真的方法對某單相智能電能表電源回路的保護特性進行仿真分析與優化，在Saber中搭建電能表電源回路的等效電路，仿真研究變壓器的損耗分布；分析PTC熱敏電阻居里溫度的分散性；搭建電能表整機3D模型，在ANSYS Icepak中模擬電能表不同工作情況，分析計算因變壓器損耗功率分散引起的熱敏電阻誤動作的概率，并通過對變壓器的硅鋼片的選型減少變壓器鐵損，降低熱敏電阻的誤保護概率。

1 智能電能表電熱仿真分析

由于元器件參數的分散性以及特殊環境情況等因素，熱敏電阻處的溫度超過其居里溫度時，其阻值迅速增大呈指數函數變化，從而切斷供電電源產生誤保護。研究電源回路誤保護特性，主要是研究電源回路變壓器和熱敏電阻配合的特性。通過Saber電路仿真、Icepak熱仿真對智能電能表的電源回路電參數及電能表整機發熱進行仿真建模，為后續電能表電源回路保護特性分析提供模型基礎。

1.1 基于Saber的電能表電源回路仿真

根據實際溫度測試可知，電能表電源回路的變壓器是電能表中最主要的發熱元件。因此需要獲取電能表電源回路在不同參數情況下的發熱功率，并輸入到電能表整機的熱仿真模型中，實現對于電能表各部分溫度的仿真分析。將在Saber中搭建電源回路仿真電路進行電路仿真并通過實測進行模型檢驗。電能表電源回路仿真電路如圖1所示。整理仿真數據如表1所示。

圖1 電能表電源回路仿真電路圖

線圈U/VI/mAP/WN1219.456.390.601 9N212.1412.440.065 92N317.1012.410.109 8N412.5710.430.072 66

由仿真數據計算可得出變壓器損耗功率為：

ΔP=P1-P2-P3-P4=0.354 W

(1)

實測電能表電源回路中變壓器原副線圈電流與電壓值，計算變壓器實際損耗功率ΔP=PFe+PCu=0.32+0.067=0.387 W，可得仿真誤差約為8.5%。

1.2 基于Icepak的電能表整機熱仿真

確定關鍵元器件后，開始建立熱仿真模型。基于ANSYS Icepak的熱仿真流程主要包括五部分：建立幾何模型、設定材料屬性、劃分網格、設置求解條件、結果處理顯示[9]。在建立電能表整機的幾何模型時，由于電能表中PCB板上元器件數量多、結構復雜，采用Solidworks和Altium Designer協同進行建模，具體建模流程如圖2所示。

圖2 熱仿真流程圖

最終的電能表熱仿真3D模型如圖3所示。

圖3 電能表熱仿真3D模型

采用分等級分網方法可以保證網格質量。在分網完成后，設置發熱元器件損耗功率及材料屬性；設置環境溫度，添加散熱條件，設定重力矢量；在求解設置中設置迭代步數和流動殘差。求解計算完成后通過后處理可得到電能表整機模型溫度分布云圖，如圖4所示。

圖4 環境溫度22℃下整機溫度分布云圖

通過實測結果與仿真結果進行對比，進而校正熱仿真模型。22℃環境溫度下變壓器等各關鍵元器件處的仿真結果與實測溫度如表2所示。可以看出各處溫度仿真與實測結果基本一致，PTC熱敏電阻處溫度仿真誤差約為-1.43%。

表2 仿真結果與實測溫度

2 電源回路保護特性分析及誤保護現象優化方案

2.1 電源回路保護特性分析

當智能電能表處于極限工作環境條件下電源回路熱敏電阻易出現誤動作，經調研電能表極限工作環境條件為環境溫度85 ℃、用戶負載電流100 A，以及壓敏電阻壓敏電壓對應的輸入電壓275 V。由前文Saber電路仿真獲得變壓器損耗功率分布參數并代入Icepak熱仿真中，可以得到變壓器損耗功率對PTC熱敏電阻處溫度分散性的影響。275 V時變壓器時功率的期望為0.549 9 W，標準差為0.033 86 W。則由上式回歸方程可知，對應PTC熱敏電阻處溫度的期望為110.695 7 ℃，標準差為0.232 7 ℃。

通過分析變壓器損耗功率對PTC熱敏電阻處溫度分散性影響的數據，以及PTC熱敏電阻居里溫度數據可以繪制曲線如圖5所示。

圖5 極限條件下溫度分布曲線

變壓器前復合電阻中壓敏電阻的壓敏電壓為390 V，即正弦波275.8 V交流電的幅值。正常情況下，當輸入電壓達到交流275 V時，即不過壓也不過流，復合電阻不應發生保護。但由上圖可以計算出當輸入電壓達到交流275 V時，由于溫度達到居里溫度，而使PTC熱敏電阻發生保護的概率為1.6×10-7。

2.2 誤保護現象優化方案

智能電能表電源回路發生誤保護切斷供電電源的直接原因是熱敏電阻處的溫度超過其居里溫度，使其阻值呈指數函數形式增加，切斷變壓器輸入電壓。其中一個主要熱源為變壓器。所以，可以從變壓器和熱敏電阻兩方面進行優化。一個優化方法便是對變壓器進行參數設計，以降低其損耗功率，進而降低熱敏電阻處溫度的中心值。另外，由于元器件參數具有波動性，一般呈正態分布。所以，對于變壓器損耗功率在不改變其中心值的情況下，可以進行參數篩選，減小其標準差。

3 基于溫度場仿真的保護特性優化

由實測和電路仿真可知電能表電源回路中變壓器副邊電流很小，變壓器銅損很小，約為變壓器損耗的10%，變壓器損耗主要在于鐵損，所以可以對變壓器鐵損進行優化設計。變壓器鐵心作為變壓器的核心部分，決定著電壓變換的質量，影響著變壓器的性能和運行可靠性。減小變壓器鐵損的方法有很多，主要包括兩大方面：變壓器鐵心片加工和鐵心的疊裝。由于該電能表變壓器尺寸基本已經確定，第四節主要針對變壓器鐵心選片進行優化分析。

通過咨詢廠家得知該硅鋼片牌號為50WW600，即鐵損值6.00 W/kg、厚度0.5 mm的無取向冷軋硅鋼片。該硅鋼片空載損耗相對較高，可以進行重新選片。

變壓器鐵損計算公式如下[10]：

(2)

式中P0為變壓器空載鐵耗；P1.5/f為頻率f下變壓器鐵心每公斤鐵損；B0為鐵心磁感應強度；GC為變壓器鐵心質量。

變壓器的銅損由線圈電流和電阻決定，假設改換硅鋼片前后銅損不變，和鐵損相對獨立，不同硅鋼片制成的鐵心鐵損服從Y=KX關系，可以算得改換不同牌號硅鋼片后的變壓器損耗參數，如表3所示。

表3 改換不同牌號硅鋼片后的變壓器損耗參數

圖6 改換不同牌號鐵心后溫度分布曲線

由表3所示數據可以繪制各牌號硅鋼片制成鐵心變壓器的損耗功率分布，將不同牌號硅鋼片制成鐵心變壓器的損耗功率分布代入Icepak進行熱仿真，可得不同牌號硅鋼片制成鐵心變壓器的損耗功率分布對應的PTC熱敏電阻處溫度分布；進而與PTC熱敏電阻居里溫度分布對比分析，可得不同牌號硅鋼片制成鐵心變壓器后對應的誤保護概率。圖6為改換成不同牌號硅鋼片后對應的保護特性曲線圖。可以算得改換成不同牌號的硅鋼片后，誤保護概率分別降為1.88×10-12、3.33×10-16。

4 結束語

通過搭建電能表電源回路的Saber仿真模型以及電能表整機的有限元仿真模型，結合實測與仿真數據分析了電能表電源回路的保護特性及其誤保護概率。并通過變壓器鐵損優化有效降低智能電能表電源回路的誤保護概率，提高了保護特性。

(1)基于Saber的智能電能表電源回路的電路仿真。利用Saber搭建電能表電源回路仿真模型，實測了一批變壓器各繞組電參數，并代入仿真電路進行電路仿真，仿真結果與實測數據對比分析，變壓器損耗的仿真誤差為8.5%；

(2)基于ANSYS Icepak的智能電能表整機的熱仿真。利用Altium Desiner、Solidworks以及ANSYS Workbench建立智能電能表整機3D模型，并將電能表整機3D模型置于ANSYS Icepak進行熱仿真。將仿真結果與實測結果比較，環境溫度22℃時熱敏電阻處溫度的仿真誤差為1.43%；

(3)針對引起熱敏電阻誤保護的可變因素進行優化。變壓器鐵損方面，通過改換不同牌號的硅鋼片，降低變壓器損耗，進而降低熱敏電阻誤保護的概率，分別降低為1.88×10-12、3.33×10-16。