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摘 要：本文首先介绍了电子式电能表的工作原理,然后从工艺设计的角度出发,对国内外单相电子式电能表采样部分展开比对工作,分别从电能表电流采样和电压采样两个关键部分分析国内外电能表采样单元工艺和设计的优势和不足,学习和借鉴国外电能表的先进技术,提高我国电能表技术水平.
关键词：电子式电能表；采样单元；工艺比对
中图分类号： TM933 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）27-184-2
0 引言
随着国民经济的持续增长,社会用电量正在逐步地增
加[1-2],电力计量的准确性要求也随之不断提高,电子式电能表作为新型电能计量表计已逐步取代了传统的感应式电能表在全国范围内推广应用,电子式电能表的准确性和可靠性直接关系到用户的根本利益.电子式电能表的质量主要取决于芯片、元器件和安装工艺[2-3]等等.目前,虽然我国电子式电能表技术已趋于成熟,但是为了更好地提高其性能指标,我们有必要收集国外的电子式电能表,和我国电子式电能表进行深入对 析,学习和借鉴国外电能表的先进技术,推动国内电表技术的发展.
本文主要选取不同国家及地区的8只不同质量层次的电能表和随机抽取的我国不同厂家的24只电能表采样单元进行工艺比对分析,以期从电能表工艺方面找出我国电能表的优势和不足,取长补短,从工艺方面提升我国电子式电能表的质量水平.
1 电能表工作原理
电子式电能表是一类利用元器件特性测量交流电能的计量仪器[4],目前国内外电子式电能表主要由电流采样单元、电压采样单元、计量及显示单元电源模块单元以及通讯单元、数据存储单元、加解密单元、时钟单元等辅助单元组成,具有电能量计量、数据处理、实时监测、信息交互、自动控制等功能[2][5].电子式电能表原理如图1所示.电流采样单元和电压采样单元分别完成对电流信号和电压信号的采样,将采样信号传送到专用计量芯片或者AD采样芯片处理,转换成和功率成正比的电能信号,再将电能信号传送到MCU进行累计,并通过液晶显示器显示MCU累计的电能量,电源模块单元主要作用是给电能表提供合格的工作电压,保证整个系统的正常工作.
原理虽然相同,但各个模块的具体设计方案和具体制造工艺仍存在差异,下面对国内外电子式电能表采样模块的设计方案进行比对分析.
2 国内外电能表采样单元工艺比对分析
2.1 电流采样部分设计比对
国内外单相电子式电能表电流信号的采样方式主要有以下四种,分别是锰铜分流器电流采样方式、互感器电流采样方式、霍尔元件电流采样方式及罗氏线圈电流采样方式.各元器件电流采样方式的优缺点总结如表1所示.
由于锰铜具有线性度好和温度系数小等优点,国内外单相电能表多采用锰铜分流器采样,以锰铜分流器作为分流电阻,当电流流过时会产生和电流成正比的微弱电压信号,并将该电压信号送入专用计量芯片或者AD采样芯片进行电流计量.然而比较同样采用锰铜分流器的样表,其安装工艺却不尽相同,国内智能电能表信号采样线通过软线和PCB板连接,而国外电能表是直接焊接到印制板上如图2所示.采用直接焊接方式的电能表采样信号电流回路小,受交变磁场的影响也比采用软线连接方式的电能表小很多,现场安装时抗干扰能力较国内智能电能表强.
个别国外的单相智能电能表采用电流互感器、霍尔元件及罗氏线圈电流采样方式如图3所示.电流互感器（CT）采样方式的优点是损耗低,输出信号较强,但是抗直流分量特性较差,易受外部恒定磁场干扰,国内的三相表多采用此类采样方式.电流互感器不易受工频磁场的影响,但是对电能质量的要求较高,若电网中存在直流分量,易造成互感器铁芯饱和,采样误差将增大.霍尔器件电流采样方式的线性范围优于电流互感器采样,而输出信号强度远高于锰铜采样方式,且没有大电流时的发热问题,同时信号输出和强电可以隔离,但霍尔器件成本较高,易受磁场干扰,在应用中需要采取磁屏蔽措施.罗氏线圈线性范围较宽,被广泛应用在传统测量电流的电流互感器无法正常使用的大电流的测量中,受恒定磁场影响较小,但易受工频磁场及谐波磁场影响,造成采样不准.
综合以上比对结果,目前国内外电能表普遍采用锰铜分流器电流采样方式,国外电能表普遍采用将锰铜片直接焊接至电路板的方式,较国内的软线连接方式优越,在今后的设计中值得借鉴.
2.2 电压采样部分设计对比
国内外电能表均采用电阻分压的电压采样方式,将强电压信号通过电阻分压的方式降低到计量芯片的采样范围之内,直接传送到计量芯片或AD采样芯片进行电压计量.经过比对,国内电能表多采用非精密电阻,国外大部分电能表也采用非精密电阻,也有一部分采用了精密贴片电阻.国内外电能表电压采样部分的区别还在于分压电阻的封装形式不同,国内电能表大多采用贴片电阻,而国外电能表有的采用的是薄膜高精密贴片电阻或者插装金属膜电阻.各种分压电阻的参数比对如表2所示.
由表2比对可知,普通贴片电阻占用PCB面积小,布板灵活,但功率较小,温度系数高,单个的耐压值不高.虽然普通贴片电阻的环境特性不高,但是国内电能表普遍采用三防工艺来加强电能表对环境变化的适应能力,对目前国网单相智能电能表要求的一级表的误差,普通贴片电阻一般是都能满足的.金属膜电阻,由于其功率较大,耐压值高,温度系数好,其环境影响特性优于普通特片电阻,可以提高电能表的可靠性,对于精度要求高的电能表,需要采用高精密贴片电阻或金属膜电阻.
3 结束语
随着科学技术的不断发展,我国在电能表技术方面已经有了很大提升,但是距离电能表国际先进水平还存在差距.经过对国内外电子式电能表采样单元的工艺对比,我们从国外电能表采样单元的工艺设计中得到启发,如电流采样模块采用锰铜分流器和PCB板直接焊接方式提高采样的准确度和可靠性；根据实际需要选取不同的采样电阻等.但是对于现阶段我国的电子式电能表应用数量非常大,再加之各地区间电能质量的多样性,为提升电能表的技术水平,后续我们还应投入精力对其他关键模块的工艺进行比对,结合我国实际情况,有选择的借鉴国外电能表的先进经验,提升国内电能表技术水平.
参 考 文 献
[1] 宗建华,闫华光,史树东,于海波.智能电能表[M].北京：中国电力出版社,2010.
[2] 褚大华.电子式电能表[M].北京：中国电力出版社,2009.
[3] 曾乃鸿,电子式电能表的发展现状和展望[J].华东电力,2001,9.
[4] G 596-2012,电子式交流电能表[S].
[5] GDW/Q 1354-2013,智能电能表功能规范[S].
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参考文献：
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