10 kV高壓電能表的供電單元的應用研究

余恒潔

(云南電網責任有限公司，昆明 650011)

10 kV高壓電能表的供電單元的應用研究

余恒潔

(云南電網責任有限公司，昆明 650011)

高壓電能表是配電網新型高壓電能計量產品，克服了現有配電網高壓計量裝置組件復雜的弊端。而供電單元的設計是高壓電能表設計的重中之重。本文中介紹了高壓電能表的基本結構，簡要分析了現有的供電單元設計技術的問題，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；供電單元

0 前言

我國10 kV配電網通常采用的是中性點不接地系統，普遍采用兩表法進行電能計量。利用電子式互感器進行傳感取樣，再利用高壓直接電能計量的方案所構成的高壓計量表是一個整體式、高壓側直接計量設備。高壓計量表主要由電流、電壓交流采樣模塊、供電單元模塊、高壓電能計量模塊四部分組成。

圖1 高壓計量表原理簡圖

我國大量的配電網絡采用中性點不接地系統，普遍采用兩表法進行電能計量，可以測量不對稱負載下三相三線的功率和電能，并且不產生誤差。三相總功率的公式為：

對于不接地系統或小電流系統，滿足以下關系：

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

1 現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現方式：

1)傳統電磁式電壓互感器 (簡稱PT)構成供電單元

電磁式電壓互感器構成供電單元的的優點是電路成熟可靠，但也存在以下缺點：

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，無法實現小型化，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，沒有串聯電阻和并聯限壓電路，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，抗過壓和雷擊浪涌能力差。

因此，需要通過創新的設計對現有的高壓電能表的供電單元進行改進。用 “電容、電阻限流降壓電路”取代 “電容分壓器”和傳統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，抗過壓和雷擊浪涌能力強。

2 高壓電能表供電單元的實現原理

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化示意圖

降壓電容C1和限壓電路YM1并聯，后與限流電阻R1串聯，構成典型的降壓組件；電路中同樣結構的降壓組件共有n個 (數量因輸入電壓不同而調整)，它們全部串聯連接，共同承擔輸入的高電壓。

電路中，還設置有整流電壓限制電路VL1，使儲能電容 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計

1)10 kV高壓電能表供電單元的系統結構

如圖3所示，10 kV高壓電能表供電單元中，有3個獨立的穩壓單元，分別和A相、B相和C相處于等電位狀態，其中穩壓單元A、C分別給A相、C相電能計量單元供電，穩壓單元B給合并單元供電。

每個穩壓單元包括DC/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結構圖

2)DC/DC變換器的電路實現

如圖4所示，DC/DC變換器是一個典型的反激電源，采用低啟動電流的電流型控制芯片作為主控制器，具有電路簡單、保護全面的優點。

圖4 DC/DC變換器的原理示意圖

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

3)整流電壓限制電路VL1的電路實現

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，將儲能電容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，二是因為DC/DC變換器中的功率開關管比較容易選擇，可以采用性價比優的功率場效應管，有助于成本控制。

當DC/DC變換器正常工作后，自饋電電壓+ 15 H將通過Q6A關閉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。穩壓管 ZW1/ZW2/ZW3用于限制MOS管的柵源極之間的電壓，用于保護。

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要求》中8.3.3高壓電能表的電壓影響量試驗：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，以百分數表示的誤差改變量不應超過表19限值的3倍。電壓低于0.8Un時，儀表誤差允許在+10%和-100%之間改變。若電壓是0.8Un時且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個穩壓單元等共同分擔，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，此時電流滿足功率需求，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；試驗按GB/T 16927.1-2011第6章的規定進行。特別注意的是：此項操作是人為控制，所以最好按照長期承受30 kV來設計。

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，預留10%余量，得到1.75×1.1= 1.925 W，計算時按照2 W計。在儲能電容電壓為900 V，輸入2.5 mA電流時，有功功率平均值為：

在滿足輸入功率的要求。

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 降壓組件具體實現

在50Hz條件下，此時的降壓支路的電流約為9 mA，2個穩壓單元消耗Pd×2的功率，允許降壓支路的損耗為。

按照I×I×Ra=P的公式計算，得9/1 000×9/1 000×Ra=3，推出降壓支路串聯電阻總和Ra=3× 1 000×1 000/81=37 kΩ，在9 mA時的電壓降為333 V。

在最大連續工作電壓為交流30 kV時，計劃每個降壓組件的工作電壓為交流10 kV，降壓支路由3個降壓組件 (=30 kV/10 kV)串聯來構成。單個限流電阻12.3 kΩ，實際選用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。單個降壓組件的阻抗Z1=Zall/3=333 kΩ，可見降壓組件的阻抗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，實際選用0.011 μF。

每個降壓組件的最大連續工作電壓為10 kV，峰值為14.14 kV，實際選用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只串聯而成 。單只TVS的參數如下，581A 3 電流下 538，截止電壓376 V，40只串聯總電壓15kV； 2.3 A電流下，峰值電壓600 V，40只串聯總電壓24 kV。

在最大連續工作電壓為交流30 kV、50 Hz時，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試驗時，不能發生擊穿，每個電阻分擔 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，總電壓可能達到28.33+14.14=42.47 kV，實際選擇限流電阻R1的短時極限耐壓應滿足60 kV。可以選用蚌埠雙環CRW功率型厚膜電阻器240 Ω/4020 M的貼片電阻2(并)×10(串)來實現，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 結束語

用 “電容、電阻限流降壓電路”取代 “電容分壓器”，同時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，只需要2毫安電流，和現有技術相比：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限壓組件、采用多余能量分流技術來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，抗連續過壓、雷擊浪涌等異常條件的能力強，同時具有體積小、成本低等優點。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展 [J].電測與儀表，2008，45(1)：123，42

[2] 王樂仁.配電網中的互感器及其未來 [J].環球表計，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，云南電網有限責任公司，從事計量管理、計量研究工作工作 (e-mail)yhj0129＠qq.com。