基于溫度場(chǎng)仿真的智能電能表電源回路誤保護(hù)特性的分析與優(yōu)化*

袁瑞銘，李文文，呂言國(guó)，葉雪榮，魯觀娜，劉麗

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001；3.威勝集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

智能電能表是采用數(shù)字計(jì)量技術(shù)的新型電能表。隨著智能電網(wǎng)的日益發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)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(zhì)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(guān)鍵模塊，主要由PTC熱敏電阻、變壓器以及穩(wěn)壓電路組成[3-4]，其穩(wěn)定可靠運(yùn)行將直接關(guān)系到用戶的用電安全與電能表計(jì)量的公平公正。根據(jù)2014年國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)電能表典型故障現(xiàn)象、原因等方面的調(diào)研報(bào)告可知，在極端環(huán)境溫度下，由于器件特性參數(shù)的分散性等問題，熱敏電阻實(shí)際工作溫度超過其居里溫度點(diǎn)進(jìn)而引起供電電路誤保護(hù)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(hù)特性對(duì)提高電源回路可靠性具有重要意義。

電源回路的保護(hù)特性主要由PTC熱敏電阻的居里溫度與其實(shí)際工作溫度決定，因此準(zhǔn)確的電熱仿真是研究電源回路保護(hù)特性的基礎(chǔ)。在電路熱仿真技術(shù)研究方面，北京理工大學(xué)的奚浩晨綜合考慮PCB板熱導(dǎo)率的各向異性和各個(gè)元器件間的輻射以及重力、熱對(duì)流等物理?xiàng)l件對(duì)溫度場(chǎng)的影響，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)電子艙伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱—力耦合仿真分析[6]。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所的馬巖運(yùn)用ANSYS Icepak對(duì)某種印制電路板詳細(xì)模型進(jìn)行熱仿真，對(duì)其仿真結(jié)果中的溫度分布、氣流分布情況等進(jìn)行分析，并為進(jìn)一步優(yōu)化PCB上元件布局提供了參考[7]。在電能表相關(guān)的熱仿真技術(shù)研究方面，江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院的劉建、王忠東、徐晴等人，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS中的電磁仿真功能，對(duì)工頻電磁場(chǎng)干擾智能電能表的變壓器等元器件進(jìn)行仿真分析研究[8]。但目前缺少對(duì)于電能表電源回路的誤保護(hù)現(xiàn)象的相關(guān)仿真研究，且對(duì)于電能表保護(hù)特性的優(yōu)化尚待完善。

針對(duì)上述問題，文中用電熱間接耦合仿真的方法對(duì)某單相智能電能表電源回路的保護(hù)特性進(jìn)行仿真分析與優(yōu)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(jī)3D模型，在ANSYS Icepak中模擬電能表不同工作情況，分析計(jì)算因變壓器損耗功率分散引起的熱敏電阻誤動(dòng)作的概率，并通過對(duì)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(hù)概率。

1 智能電能表電熱仿真分析

由于元器件參數(shù)的分散性以及特殊環(huán)境情況等因素，熱敏電阻處的溫度超過其居里溫度時(shí)，其阻值迅速增大呈指數(shù)函數(shù)變化，從而切斷供電電源產(chǎn)生誤保護(hù)。研究電源回路誤保護(hù)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(duì)智能電能表的電源回路電參數(shù)及電能表整機(jī)發(fā)熱進(jìn)行仿真建模，為后續(xù)電能表電源回路保護(hù)特性分析提供模型基礎(chǔ)。

1.1 基于Saber的電能表電源回路仿真

根據(jù)實(shí)際溫度測(cè)試可知，電能表電源回路的變壓器是電能表中最主要的發(fā)熱元件。因此需要獲取電能表電源回路在不同參數(shù)情況下的發(fā)熱功率，并輸入到電能表整機(jī)的熱仿真模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行電路仿真并通過實(shí)測(cè)進(jìn)行模型檢驗(yàn)。電能表電源回路仿真電路如圖1所示。整理仿真數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)計(jì)算可得出變壓器損耗功率為：

ΔP=P1-P2-P3-P4=0.354 W

(1)

實(shí)測(cè)電能表電源回路中變壓器原副線圈電流與電壓值，計(jì)算變壓器實(shí)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(jī)熱仿真

確定關(guān)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(shè)定材料屬性、劃分網(wǎng)格、設(shè)置求解條件、結(jié)果處理顯示[9]。在建立電能表整機(jī)的幾何模型時(shí)，由于電能表中PCB板上元器件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用Solidworks和Altium Designer協(xié)同進(jìn)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(jí)分網(wǎng)方法可以保證網(wǎng)格質(zhì)量。在分網(wǎng)完成后，設(shè)置發(fā)熱元器件損耗功率及材料屬性；設(shè)置環(huán)境溫度，添加散熱條件，設(shè)定重力矢量；在求解設(shè)置中設(shè)置迭代步數(shù)和流動(dòng)殘差。求解計(jì)算完成后通過后處理可得到電能表整機(jī)模型溫度分布云圖，如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度22℃下整機(jī)溫度分布云圖

通過實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而校正熱仿真模型。22℃環(huán)境溫度下變壓器等各關(guān)鍵元器件處的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度如表2所示。可以看出各處溫度仿真與實(shí)測(cè)結(jié)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(jié)果與實(shí)測(cè)溫度

2 電源回路保護(hù)特性分析及誤保護(hù)現(xiàn)象優(yōu)化方案

2.1 電源回路保護(hù)特性分析

當(dāng)智能電能表處于極限工作環(huán)境條件下電源回路熱敏電阻易出現(xiàn)誤動(dòng)作，經(jīng)調(diào)研電能表極限工作環(huán)境條件為環(huán)境溫度85 ℃、用戶負(fù)載電流100 A，以及壓敏電阻壓敏電壓對(duì)應(yīng)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(shù)并代入Icepak熱仿真中，可以得到變壓器損耗功率對(duì)PTC熱敏電阻處溫度分散性的影響。275 V時(shí)變壓器時(shí)功率的期望為0.549 9 W，標(biāo)準(zhǔn)差為0.033 86 W。則由上式回歸方程可知，對(duì)應(yīng)PTC熱敏電阻處溫度的期望為110.695 7 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.232 7 ℃。

通過分析變壓器損耗功率對(duì)PTC熱敏電阻處溫度分散性影響的數(shù)據(jù)，以及PTC熱敏電阻居里溫度數(shù)據(jù)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(fù)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(dāng)輸入電壓達(dá)到交流275 V時(shí)，即不過壓也不過流，復(fù)合電阻不應(yīng)發(fā)生保護(hù)。但由上圖可以計(jì)算出當(dāng)輸入電壓達(dá)到交流275 V時(shí)，由于溫度達(dá)到居里溫度，而使PTC熱敏電阻發(fā)生保護(hù)的概率為1.6×10-7。

2.2 誤保護(hù)現(xiàn)象優(yōu)化方案

智能電能表電源回路發(fā)生誤保護(hù)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(shù)函數(shù)形式增加，切斷變壓器輸入電壓。其中一個(gè)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(jìn)行優(yōu)化。一個(gè)優(yōu)化方法便是對(duì)變壓器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，以降低其損耗功率，進(jìn)而降低熱敏電阻處溫度的中心值。另外，由于元器件參數(shù)具有波動(dòng)性，一般呈正態(tài)分布。所以，對(duì)于變壓器損耗功率在不改變其中心值的情況下，可以進(jìn)行參數(shù)篩選，減小其標(biāo)準(zhǔn)差。

3 基于溫度場(chǎng)仿真的保護(hù)特性優(yōu)化

由實(shí)測(cè)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(duì)變壓器鐵損進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。變壓器鐵心作為變壓器的核心部分，決定著電壓變換的質(zhì)量，影響著變壓器的性能和運(yùn)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(jīng)確定，第四節(jié)主要針對(duì)變壓器鐵心選片進(jìn)行優(yōu)化分析。

通過咨詢廠家得知該硅鋼片牌號(hào)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(duì)較高，可以進(jìn)行重新選片。

變壓器鐵損計(jì)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(yīng)強(qiáng)度；GC為變壓器鐵心質(zhì)量。

變壓器的銅損由線圈電流和電阻決定，假設(shè)改換硅鋼片前后銅損不變，和鐵損相對(duì)獨(dú)立，不同硅鋼片制成的鐵心鐵損服從Y=KX關(guān)系，可以算得改換不同牌號(hào)硅鋼片后的變壓器損耗參數(shù)，如表3所示。

表3 改換不同牌號(hào)硅鋼片后的變壓器損耗參數(shù)

圖6 改換不同牌號(hào)鐵心后溫度分布曲線

由表3所示數(shù)據(jù)可以繪制各牌號(hào)硅鋼片制成鐵心變壓器的損耗功率分布，將不同牌號(hào)硅鋼片制成鐵心變壓器的損耗功率分布代入Icepak進(jìn)行熱仿真，可得不同牌號(hào)硅鋼片制成鐵心變壓器的損耗功率分布對(duì)應(yīng)的PTC熱敏電阻處溫度分布；進(jìn)而與PTC熱敏電阻居里溫度分布對(duì)比分析，可得不同牌號(hào)硅鋼片制成鐵心變壓器后對(duì)應(yīng)的誤保護(hù)概率。圖6為改換成不同牌號(hào)硅鋼片后對(duì)應(yīng)的保護(hù)特性曲線圖。可以算得改換成不同牌號(hào)的硅鋼片后，誤保護(hù)概率分別降為1.88×10-12、3.33×10-16。

4 結(jié)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(jī)的有限元仿真模型，結(jié)合實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)分析了電能表電源回路的保護(hù)特性及其誤保護(hù)概率。并通過變壓器鐵損優(yōu)化有效降低智能電能表電源回路的誤保護(hù)概率，提高了保護(hù)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(shí)測(cè)了一批變壓器各繞組電參數(shù)，并代入仿真電路進(jìn)行電路仿真，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(jī)的熱仿真。利用Altium Desiner、Solidworks以及ANSYS Workbench建立智能電能表整機(jī)3D模型，并將電能表整機(jī)3D模型置于ANSYS Icepak進(jìn)行熱仿真。將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，環(huán)境溫度22℃時(shí)熱敏電阻處溫度的仿真誤差為1.43%；

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