金 萍,田正其,鮑 進(jìn)
(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院,江蘇南京211103)
自2010年以來(lái),作為國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)第一個(gè)全面普及的工程,電力用戶用電信息采集系統(tǒng)在國(guó)網(wǎng)范圍內(nèi)大規(guī)模展開(kāi)。用電信息采集系統(tǒng)主要包括主站軟件、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、采集終端等部分,低壓電力載波通信技術(shù)在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮了很大作用,而Ⅱ型采集器是完成電能表與集中器載波通信的關(guān)鍵設(shè)備。在對(duì)Ⅱ型采集器進(jìn)行全性能檢測(cè)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)工作中的Ⅱ型采集器會(huì)導(dǎo)致電能表在無(wú)負(fù)荷的情況下出現(xiàn)正反向小電流,造成電能表計(jì)量不準(zhǔn)。為避免這種情況,文中通過(guò)一系列的試驗(yàn)并從理論上進(jìn)行了分析,找出了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,同時(shí)給出了現(xiàn)場(chǎng)安裝建議,并提出了Ⅱ型采集器及智能電能表的改進(jìn)意見(jiàn)。
Ⅱ型采集器主要由電源電路、下行RS485通信電路、上行載波通信電路、MCU處理器電路和紅外通信電路等模塊組成。上行通道采用低壓電力線載波通信方式與集中器進(jìn)行通信,下行通道采用RS485與智能電能表通信。
為控制成本,Ⅱ型采集器的電源模塊常常采用降壓、整流、穩(wěn)壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),電源模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)中采用硅鋼片疊制而成的鐵心變壓器[1]作為降壓變壓器,電源輸入經(jīng)過(guò)降壓變壓器后,獲得10 V左右交流電壓,然后通過(guò)橋式整流電路轉(zhuǎn)換為直流,最后通過(guò)穩(wěn)壓芯片獲得5 V或3.3 V的工作電壓。
圖1電源模塊結(jié)構(gòu)
由于Ⅱ型采集需要市電供電且載波電路也需要接入市電,因此現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中Ⅱ采集器的電源端口1'和2'分別連接于電能表的1,3口,如圖2所示。
圖2電能表和采集器等效圖
從圖2可以看出,線路總電流I˙為用戶負(fù)載電流(I˙L)、電表消耗電流(I˙S)、Ⅱ型采集器消耗的電流(I˙C)之和。由于電能表內(nèi)部工作電壓和Ⅱ型采集器的工作電壓,取至錳銅采樣的前級(jí),所以電表自身工作產(chǎn)生的功耗電流I˙S并不通過(guò)計(jì)量回路 (不通過(guò)錳銅分流器),也就是說(shuō)電能表內(nèi)部功耗(包括計(jì)量、顯示、通信所需的功耗)和采集器的功耗不會(huì)計(jì)入用戶電量,而是由線路損耗承擔(dān)??梢?jiàn),采集器的自身功耗不會(huì)影響電能表的計(jì)量,Ⅱ采集器的電源端口1'和2'分別連接于電能表的1,3口不會(huì)增加電能表的計(jì)量。可以排除Ⅱ型采集器電源端安裝在電能表電壓端對(duì)電能表的影響。
2.2.1Ⅱ型采集器電源變壓器的漏磁產(chǎn)生機(jī)理
變壓器在工作過(guò)程中,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,初級(jí)繞組、次級(jí)繞組中的電流會(huì)產(chǎn)生交變的磁通,所產(chǎn)生的磁通基本都沿著鐵磁材料制成的變壓器鐵心構(gòu)成的封閉磁力回路,這部分磁通稱作為主磁通,如圖3所示。
圖3變壓器漏磁示意圖
由于在E型與I型鐵心的結(jié)合處將產(chǎn)生空氣隙,因空氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵心的磁阻,電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁力線在通過(guò)空氣隙時(shí),不可避免地會(huì)產(chǎn)生泄漏,使得線圈產(chǎn)生的磁通部分通過(guò)空氣構(gòu)成回路,如圖3所示,這部分磁通形象的稱之為漏磁通[2]。
2.2.2智能電能表計(jì)量原理
智能電能表通過(guò)準(zhǔn)確提取用戶側(cè)的電壓、電流信號(hào),經(jīng)中央處理器的運(yùn)算完成電能計(jì)量。電壓信號(hào)普遍采用精密電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換,電流信號(hào)常采用錳銅分流式電流傳感器的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)變化。
錳銅分流器其本質(zhì)為一種阻抗很小的精密電阻,串接在待測(cè)電流信號(hào)回路中,當(dāng)錳銅分流器上有電流信號(hào)通過(guò)時(shí),利用歐姆定律∶ui(t)=i(t)×R (1)通過(guò)測(cè)量分流器兩端上的電壓降ui(t),如圖4所示,則電能表在u(t)工作電壓下,電能W計(jì)量公式如下:
圖4錳銅采樣回路
2.2.3Ⅱ型采集器變壓器對(duì)電能表的的影響
當(dāng)Ⅱ型采集器安裝于電能表左側(cè)時(shí),錳銅采樣回路就可以看作與Ⅱ型采集器的距離為C的感應(yīng)線圈,匝數(shù)為1,面積為S,如圖4中的等效線圈所示。
由法拉第電磁感應(yīng)定律可知:當(dāng)變化的磁力線穿過(guò)一個(gè)閉合線圈時(shí)就會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),錳銅采樣線圈中的感應(yīng)電壓[3]為:
式中:Lg為空氣氣隙長(zhǎng)度;L為磁芯磁路長(zhǎng)度;Le為變壓器鐵心有效磁路長(zhǎng)度;irms為變壓器線圈電流有效值;N為變壓器線圈的匝數(shù);K0為系數(shù),修正與鐵心、繞線的螺距、繞組的排列方式及結(jié)構(gòu)有關(guān)的影響量;K1為修正系數(shù);K2為修正系數(shù),距離C處的漏磁通只有部分進(jìn)入線圈,用K2修正;n為閉合線圈的匝數(shù),文中為1;S為閉合線圈包圍的面積。當(dāng)?shù)刃Ь€圈中感應(yīng)出電壓時(shí),電能表的計(jì)量產(chǎn)生改變,此時(shí)的電能計(jì)量如下:如式(3)所示,電能表內(nèi)部的錳銅采集回路的面積S越大,Δu越大;變壓器距離電能表的距離C越小,Δu越大,對(duì)電能表的影響越大。
2.2.4試驗(yàn)分析
通過(guò)上述分析可初步確定,采集器漏磁導(dǎo)致電能表在無(wú)負(fù)荷的情況下出現(xiàn)正反向小電流。為驗(yàn)證這一結(jié)論,選擇了15家不同生產(chǎn)廠家的Ⅱ型采集器,分別完成了采集器側(cè)面漏磁大小的測(cè)試、采集器與電能表的距離對(duì)電能表顯示電流影響測(cè)試,結(jié)果如表1所示。
表1采集器漏磁對(duì)電能表的影響
從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,不同廠家的Ⅱ型采集器側(cè)面的漏磁通大小不同。拆開(kāi)采集器發(fā)現(xiàn),不同廠家的采集器內(nèi)部的變壓器安裝方式不同,導(dǎo)致了側(cè)面的漏磁通大小不同。漏磁通較小的幾個(gè)Ⅱ型采集器的變壓器線圈方向如圖5中的箭頭所示,主磁場(chǎng)方向如圖中箭頭所示,故側(cè)面漏磁較小。漏磁通較大的Ⅱ型采集器的內(nèi)部變壓器線圈方向如圖6中箭頭所示,主磁場(chǎng)方向平行于箭頭方向,側(cè)面漏磁通較大,電能表內(nèi)部的錳銅電流采集回路感應(yīng)的電流較大,故影響較大。
此外,變壓器的材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及工藝的不同,導(dǎo)致式(3)中的補(bǔ)償系數(shù)K0有所不同,因此相同位置的漏磁通大小也不同[4]。
圖5線圈方式1
圖6線圈方式2
由表1可見(jiàn),試驗(yàn)過(guò)程中,1~9與10~15的Ⅱ型采集器對(duì)電能表造成的干擾后顯示的電流方向不同,這是由于不同廠家的變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中繞組的方向不同,即irms的方向不同,Δu正負(fù)極性不同,導(dǎo)致了電能表在被干擾時(shí)顯示的電流正負(fù)極性有所不同。隨著距離由0增加到5 cm,漏磁通的大小也逐漸減小,對(duì)電能表的干擾也隨著距離的增加而減小,當(dāng)距離達(dá)到3.1 cm時(shí),所測(cè)試的Ⅱ型的采集器對(duì)電能表的影響均消失。由此進(jìn)一步驗(yàn)證了電能表被干擾的原因是由于采集器的漏磁導(dǎo)致。
通過(guò)以上分析可知:Ⅱ型采集器對(duì)電能表準(zhǔn)確度的影響主要是由于內(nèi)部變壓器漏磁在錳銅采樣電阻構(gòu)成的閉合線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓造成的。因此可以通過(guò)如下改進(jìn)措施,避免現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中Ⅱ型采集器對(duì)電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性造成的影響。
3.1.1變壓器的設(shè)計(jì)優(yōu)化
(1)選用導(dǎo)磁性能更好的鐵心材料,增加鐵心對(duì)磁力線的束縛;通過(guò)改變變壓器的鐵心材料,其漏磁會(huì)得到明顯的改善。
(2)由法拉第電磁感應(yīng)定律,交變磁通可以在導(dǎo)磁材料中產(chǎn)生出感應(yīng)電勢(shì),可以考慮在變壓器的周圍增加導(dǎo)磁材料做的封閉屏蔽外殼,將主要漏磁磁通束縛在屏蔽外殼內(nèi)。非晶態(tài)合金作為在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)材料的新型材料主要是利用磁旁路原理來(lái)引導(dǎo)場(chǎng)源所產(chǎn)生的電磁能流使它不進(jìn)入空間防護(hù)區(qū)[5]??梢圆捎梅蔷B(tài)合金完成變壓器的屏蔽。
(3)變壓器安裝方式的優(yōu)化。將漏磁通較大的方向平行于采集器的長(zhǎng)邊安裝,減少電能表位置獲得的漏磁通;變壓器盡量安裝于電路板的中央,這樣可以提高變壓器與外殼的距離,減小漏磁。
選用3只Ⅱ型采集器,通過(guò)優(yōu)化變壓器的鐵心材料、增加屏蔽、改變變壓器安裝方式等方案對(duì)Ⅱ型采集器進(jìn)行優(yōu)化,改進(jìn)前后的Ⅱ型采集器六面的漏磁通大小如表2所示。表2對(duì)比數(shù)據(jù)可見(jiàn),通過(guò)這3種方式的優(yōu)化,改進(jìn)后的Ⅱ型采集器對(duì)電能表的影響基本消失。
表2Ⅱ型采集器改進(jìn)前的漏磁大小 mT
3.1.2改變采集器電源部分設(shè)計(jì)方案
Ⅱ型采集器的電源部分可以采用不使用硅鋼降壓變壓器的電源設(shè)計(jì)方案方案,例如采用阻容式電源或開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案,從根本上避免變壓器的漏磁。
現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中,避免采集器緊貼于電能表左側(cè)安裝。對(duì)于已設(shè)計(jì)好的表箱可以按照如下方式安裝:采集器盡量安裝于遠(yuǎn)離電能表的最左側(cè) (建議采集器與電能表相距的最小距離5 cm);若有條件,采集器安裝于電能表的右側(cè)。
提高電能表的對(duì)工頻磁場(chǎng)的抗擾能力,可以從以下幾個(gè)方面來(lái)改進(jìn):(1)減小錳銅采樣回路導(dǎo)線構(gòu)成的線圈面積。(2)錳銅采樣回路,增加一個(gè)反向補(bǔ)償方案,即針對(duì)文中式(4)中的Δu,通過(guò)錳銅的設(shè)計(jì),增加一個(gè)-Δu進(jìn)行抵消。(3)優(yōu)化電能表印制電路板上電流采樣回路的布線設(shè)計(jì),避免線路板上走線形成封閉的等效線圈,在磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
從Ⅱ型采集器的結(jié)構(gòu)原理及錳銅采樣電能表的工作原理出發(fā),分析了Ⅱ型采集器對(duì)電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響原因,提出了Ⅱ采集器及電能表設(shè)計(jì)上的改進(jìn)措施,并對(duì)Ⅱ型采集器的現(xiàn)場(chǎng)安裝方式提供了參考。通過(guò)改進(jìn)Ⅱ型采集器內(nèi)部變壓器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化變壓器的安裝方式,優(yōu)化電能表內(nèi)部的錳銅采樣回路、將采集器安裝于合適的位置等方式,可以消除Ⅱ型采集器對(duì)電能表的影響,進(jìn)一步提高了用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的質(zhì)量。
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