基于微型斷路器的單相智能電能表費(fèi)控電路應(yīng)用分析

馬利人 李 俊

(湖北省電力公司電力試驗(yàn)研究院，武漢 430077)

0 引言

為拓展用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，普遍要求其能夠支持遠(yuǎn)程費(fèi)控和本地費(fèi)控功能，可實(shí)現(xiàn)對電力用戶實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)、催費(fèi)預(yù)警、跳閘停電和合閘復(fù)電等遠(yuǎn)程控制，全面提高電費(fèi)收繳的風(fēng)險(xiǎn)控制能力。而滿足現(xiàn)行國網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，帶有內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)的單相智能電能表，一般只能在負(fù)荷電流小于60A時(shí)實(shí)施遠(yuǎn)程費(fèi)控和本地費(fèi)控。但實(shí)際應(yīng)用中，會出現(xiàn)用戶負(fù)荷電流大于60A的情況。為了能對這部分用戶實(shí)施遠(yuǎn)程費(fèi)控和本地費(fèi)控，就必須給按現(xiàn)行國網(wǎng)企標(biāo)制造的單相智能電能表外接負(fù)荷開關(guān)。為此，需要根據(jù)不同開關(guān)器件的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動電路，以與滿足現(xiàn)行國網(wǎng)企標(biāo)的單相智能電能表有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程費(fèi)控和本地費(fèi)控功能。

1 單相智能電能表外控技術(shù)要求

目前陸續(xù)投入安裝、使用，進(jìn)入千家萬戶的單相智能電能表，都建立在滿足現(xiàn)行國家電網(wǎng)公司3個(gè)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之上，具有統(tǒng)一型式、功能和技術(shù)特性，是一種新型的計(jì)量器具。

滿足現(xiàn)行國網(wǎng)企標(biāo)的單相智能電能表的5號弱電端子和6號弱電端子均為跳閘控制端子。這兩個(gè)跳閘控制端子，可輸出脈沖方式或電平方式的開關(guān)信號，開關(guān)節(jié)點(diǎn)容量為交流250V、2A，可用于控制外部的報(bào)警裝置或負(fù)荷開關(guān)。

當(dāng)滿足控制條件時(shí)，輸出的開關(guān)信號應(yīng)驅(qū)動外置負(fù)荷開關(guān)動作，中斷供電，跳閘指示燈點(diǎn)亮；用戶購電成功后，必須通過本地方式由用戶自行合閘，用戶按下滿足現(xiàn)行國網(wǎng)企標(biāo)的單相智能電能表的輪顯按鈕3s后，負(fù)荷開關(guān)合閘，或者用戶直接手動操作負(fù)荷開關(guān)合閘，跳閘指示燈熄滅。

2 微型斷路器工作原理

斷路器從結(jié)構(gòu)上主要分為微型斷路器MCB、塑殼斷路器MCCB和萬能式(框架式)斷路器ACB等三種。由于微型斷路器技術(shù)的引入，居民住宅不再使用閘刀開關(guān)和保險(xiǎn)絲，微型斷路器體積小，安裝方便，是建筑電氣終端配電裝置中使用最廣泛的一種終端保護(hù)電器。

2.1 工作原理

為防止電氣線路過載和短路起保護(hù)作用的微型斷路器，也可在正常情況下，作為線路的不頻繁分合閘轉(zhuǎn)換操作之用。微型斷路器主要由操作機(jī)構(gòu)、動靜觸頭、滅弧室、脫扣機(jī)構(gòu)和輔助部件等組成，其正常工作時(shí)，觸頭只能停留在閉合或斷開的位置。

圖1 分勵(lì)脫扣器的電路原理圖

當(dāng)線路發(fā)生過載故障時(shí)，過載電流使熱雙金屬元件彎曲，導(dǎo)致脫扣機(jī)構(gòu)動作，推動鎖定機(jī)構(gòu)復(fù)位，從而分?jǐn)嗑€路；過載保護(hù)具有反時(shí)限特性，電流越大，脫扣時(shí)間越短。

當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流流過螺線管式電磁鐵，銜鐵瞬時(shí)被吸合，使脫扣機(jī)構(gòu)動作，推動鎖定機(jī)構(gòu)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)喙δ堋?/p>

單相微型斷路器的極數(shù)主要有2P和1P+N兩種不同技術(shù)規(guī)格：

2P——帶2個(gè)保護(hù)極的兩極微型斷路器，其兩極均裝有熱磁脫扣元件，相線和N線都具有線路過載和短路保護(hù)功能，兩極同時(shí)進(jìn)行分合。

1P+N——帶1個(gè)保護(hù)極的兩極微型斷路器，僅P極裝有熱磁脫扣元件，而N極則未裝，僅相線具有線路過載和短路保護(hù)功能。在設(shè)計(jì)上，是要求P極先分后合、N極先合后分。微型斷路器的分合閘過程中，先分或后合的觸頭上會產(chǎn)生電弧，由于相線具有電流脫扣元件，能夠?qū)^載和短路快速做出反應(yīng)，以保證電路和設(shè)備的安全。

2.2 分勵(lì)脫扣器模塊

分勵(lì)脫扣器是一種遠(yuǎn)距離操縱微型斷路器分閘的輔助部件，它與微型斷路器可以制成一體式的，也可以是組合裝配的。

使用時(shí)，給微型斷路器的脫扣器控制極加上控制電壓，然后將微型斷路器手柄推向閉合位置，通過操作機(jī)構(gòu)，帶動動觸頭向靜觸頭運(yùn)行，并與靜觸頭可靠接觸，從而接通線路。

當(dāng)需要切斷線路時(shí)，則去掉微型斷路器的脫扣器控制極上的控制電壓，此時(shí)，分勵(lì)脫扣器的信號檢測電路檢測到無控制電壓，使脫扣線圈通電(通電時(shí)間不能超過1s，否則線圈會燒毀)，銜鐵瞬時(shí)被吸合，并同時(shí)帶動鎖定機(jī)構(gòu)復(fù)位，以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)喙δ堋?/p>

3 帶分勵(lì)脫扣器的微型斷路器的驅(qū)動電路

3.1 分勵(lì)脫扣器的工作原理

分勵(lì)脫扣器是一個(gè)三端器件，分別是火線端子、零線端子和控制端子CTRL；其中，火線端子、零線端子接到微型斷路器的負(fù)載端，控制端子CTRL需接外部電壓控制信號。分勵(lì)脫扣器的具體工作原理如圖1所示。

當(dāng)控制端子CTRL加有控制電壓(為AC220V)時(shí)，該電壓信號經(jīng)二極管D2整流，電阻R1降壓、限流，電容C1濾波后，被送到三極管Q1的基極，使三極管Q1導(dǎo)通，三極管Q2的基極為低電平，三極管Q2截止，分勵(lì)脫扣器的脫扣線圈不通電，這時(shí)，微型斷路器可以合閘，用戶可以用電。

當(dāng)控制端子CTRL未加控制電壓(為AC0V)時(shí)，三極管Q1的基極為低電平，三極管Q1截止，L相電壓經(jīng)二極管D1整流，電阻R3降壓、限流，給電容C2充電。當(dāng)給C2充到高于穩(wěn)壓管ZD2的導(dǎo)通電壓時(shí)，ZD2導(dǎo)通，三極管Q2也導(dǎo)通，分勵(lì)脫扣器的脫扣線圈通電，微型斷路器分?jǐn)?，用戶斷電?/p>

微型斷路器分閘后，分勵(lì)脫扣器也同時(shí)斷電，以防止分勵(lì)脫扣器長期通電而燒毀，此時(shí)，如用戶再次以手動方式使微型斷路器合閘，控制電路會經(jīng)過對電容C2的充電延時(shí)后，再次分閘，提醒用戶不滿足合閘條件。

電路中，RV是壓敏電阻，起雷擊保護(hù)作用，可防止雷擊高壓脈沖對控制電路中的二極管、三極管等電子元器件造成損害。

3.2 微型繼電器控制分勵(lì)脫扣斷路器實(shí)現(xiàn)分合閘的電路

帶分勵(lì)脫扣器的微型斷路器，通常配合單相智能電能表來控制線路的通斷。微型斷路器安裝于單相智能電能表的出線側(cè)，電能表內(nèi)部的信號繼電器控制分勵(lì)脫扣斷路器實(shí)現(xiàn)分合閘的電路如圖2所示。

圖2 微型繼電器控制分勵(lì)脫扣斷路器的電路

在滿足國網(wǎng)企標(biāo)的單相智能電能表上，其5號弱電端子和6號弱電端子分別與松下公司生產(chǎn)的DS2Y型信號繼電器K1的靜、動觸點(diǎn)相連。DS2Y信號繼電器的觸點(diǎn)容量大于2A，從圖3中可以看到，5號弱電端子和6號弱電端子提供無源常開觸點(diǎn)輸出。

考慮到開關(guān)拉合過程中的反向電動勢的影響和開關(guān)線圈短路的危險(xiǎn)，需要在回路中加入一定的保護(hù)措施。如，表內(nèi)信號繼電器輸出觸點(diǎn)串聯(lián)熱敏電阻MZ6(自恢復(fù)保險(xiǎn)絲)、表外回路中串聯(lián)熔斷器等。

在滿足國網(wǎng)企標(biāo)的單相智能電能表外部，再將單相智能電能表的5號弱電端子和火線(外部電壓控制信號)相接，6號弱電端子經(jīng)過熔斷器FUSE和分勵(lì)脫扣器的控制端子CTRL相接，從而可實(shí)現(xiàn)對用電負(fù)荷的合閘、跳閘等控制。

遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表用戶正常用電時(shí)(或本地費(fèi)控智能電能表有剩余金額時(shí))，單片機(jī)的Port1管腳輸出信號為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，微型繼電器K1線圈通電，常開觸點(diǎn)閉合，5號弱電端子和6號弱電端子接通，控制端子CTRL加有火線電壓信號，這時(shí)微型斷路器可以經(jīng)手動合閘。

需對遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表用戶斷電時(shí)(或本地費(fèi)控智能電能表剩余金額用完時(shí))，單片機(jī)的Port1管腳輸出的信號為低電平，三極管Q1截止，微型繼電器K1線圈未通電，常開觸點(diǎn)斷開，5號弱電端子和6號弱電端子分?jǐn)?，控制端子CTRL懸空無電壓信號，微型斷路器分閘。

當(dāng)單相本地費(fèi)控智能電能表重新充值成功后，它又會重新接通控制端子CTRL和火線，動作過程與單相本地費(fèi)控智能電能表有剩余金額時(shí)相同，這時(shí)，分勵(lì)脫扣器的脫扣線圈不通電，用戶可以對微型斷路器進(jìn)行本地手動合閘，以實(shí)現(xiàn)國家電網(wǎng)公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所要求的：“用戶購電成功后，必須通過本地方式由用戶自行合閘”的功能。

4 微型斷路器的通斷狀態(tài)檢測

由于微型斷路器置于單相智能電能表之外，單相智能電能表要檢測微型斷路器的通斷狀態(tài)，就必須有相應(yīng)的信號線接回電能表。從安全性和現(xiàn)場接線的可行性角度出發(fā)，這個(gè)方案一般不被采用。

目前常用的檢測與判定方式是，智能電能表發(fā)出跳閘信號后，如果仍然繼續(xù)計(jì)量電能量，則智能電能表判定微型斷路器跳閘動作故障，發(fā)出相應(yīng)告警提示信息?？紤]到智能電能表輸出跳閘信號到開關(guān)完全斷開之間存在一定延時(shí)，有可能在此期間，智能電能表計(jì)量了一個(gè)或數(shù)個(gè)最小計(jì)量單位的電能量(0.01kWh)。所以，智能電能表一般將判據(jù)設(shè)定為：智能電能表發(fā)出跳閘信號后，如其還繼續(xù)計(jì)量了一定的電能量(如0.10kWh)，則判定為微型斷路器跳閘動作故障，如此，要發(fā)出相應(yīng)的告警提示信息。

此種檢測方式下，智能電能表只能檢測出跳閘失敗。智能電能表合閘信號發(fā)出后，若無電量被計(jì)量，智能電能表無法判定是確實(shí)沒有負(fù)載還是合閘失敗，所以，單相智能電能表一般不對合閘成功與否做檢測和報(bào)警。

5 結(jié)語

與60A以上單相智能電能表配套的外接負(fù)荷開關(guān)，可選用磁保持繼電器或帶分勵(lì)脫扣器的微型斷路器。如外置開關(guān)器件選用磁保持繼電器，既可以實(shí)施遠(yuǎn)程分閘，也可以實(shí)施遠(yuǎn)程自動合閘，但遠(yuǎn)程自動合閘在一定程度上會給操作人員和電器設(shè)備造成安全隱患，和磁保持繼電器配合使用的智能電能表跳閘控制端子必須是有源脈沖信號輸出。

而外置開關(guān)器件選用帶分勵(lì)脫扣器的微型斷路器時(shí)，可以實(shí)施遠(yuǎn)程分閘，但不能遠(yuǎn)程合閘，需本地人工手動合閘，故在一定意義上有利于操作人員和電器的安全。和帶分勵(lì)脫扣器的微型斷路器配合使用的智能電能表跳閘控制端子，必須是無源觸點(diǎn)信號輸出。

[1] Q/GDW 355-2009，單相智能電能表型式規(guī)范[S]

[2] Q/GDW 364-2009，單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S]

[3] Q/GDW 354-2009，智能電能表功能規(guī)范[S]

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