電能表采樣單元工藝對比技術(shù)研究

金鑫

摘 要：本文首先介紹了電子式電能表的工作原理，然后從工藝設(shè)計的角度出發(fā)，對國內(nèi)外單相電子式電能表采樣部分展開比對工作，分別從電能表電流采樣和電壓采樣兩個關(guān)鍵部分分析國內(nèi)外電能表采樣單元工藝與設(shè)計的優(yōu)勢和不足，學習和借鑒國外電能表的先進技術(shù)，提高我國電能表技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：電子式電能表；采樣單元；工藝比對

中圖分類號： TM933 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）27-184-2

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，社會用電量正在逐步地增

加[1-2]，電力計量的準確性要求也隨之不斷提高，電子式電能表作為新型電能計量表計已逐步取代了傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，電子式電能表的準確性和可靠性直接關(guān)系到用戶的根本利益。電子式電能表的質(zhì)量主要取決于芯片、元器件和安裝工藝[2-3]等等。目前，雖然我國電子式電能表技術(shù)已趨于成熟，但是為了更好地提高其性能指標，我們有必要收集國外的電子式電能表，與我國電子式電能表進行深入對比分析，學習和借鑒國外電能表的先進技術(shù)，推動國內(nèi)電表技術(shù)的發(fā)展。

本文主要選取不同國家及地區(qū)的8只不同質(zhì)量層次的電能表與隨機抽取的我國不同廠家的24只電能表采樣單元進行工藝比對分析，以期從電能表工藝方面找出我國電能表的優(yōu)勢和不足，取長補短，從工藝方面提升我國電子式電能表的質(zhì)量水平。

1 電能表工作原理

電子式電能表是一類利用元器件特性測量交流電能的計量儀器[4]，目前國內(nèi)外電子式電能表主要由電流采樣單元、電壓采樣單元、計量及顯示單元電源模塊單元以及通訊單元、數(shù)據(jù)存儲單元、加解密單元、時鐘單元等輔助單元組成，具有電能量計量、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)測、信息交互、自動控制等功能[2][5]。電子式電能表原理如圖1所示。電流采樣單元和電壓采樣單元分別完成對電流信號和電壓信號的采樣，將采樣信號傳送到專用計量芯片或者AD采樣芯片處理，轉(zhuǎn)換成與功率成正比的電能信號，再將電能信號傳送到MCU進行累計，并通過液晶顯示器顯示MCU累計的電能量，電源模塊單元主要作用是給電能表提供合格的工作電壓，保證整個系統(tǒng)的正常工作。

原理雖然相同，但各個模塊的具體設(shè)計方案和具體制造工藝仍存在差異，下面對國內(nèi)外電子式電能表采樣模塊的設(shè)計方案進行比對分析。

2 國內(nèi)外電能表采樣單元工藝比對分析

2.1 電流采樣部分設(shè)計比對

國內(nèi)外單相電子式電能表電流信號的采樣方式主要有以下四種，分別是錳銅分流器電流采樣方式、互感器電流采樣方式、霍爾元件電流采樣方式及羅氏線圈電流采樣方式。各元器件電流采樣方式的優(yōu)缺點總結(jié)如表1所示。

由于錳銅具有線性度好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點，國內(nèi)外單相電能表多采用錳銅分流器采樣，以錳銅分流器作為分流電阻，當電流流過時會產(chǎn)生和電流成正比的微弱電壓信號，并將該電壓信號送入專用計量芯片或者AD采樣芯片進行電流計量。然而比較同樣采用錳銅分流器的樣表，其安裝工藝卻不盡相同，國內(nèi)智能電能表信號采樣線通過軟線和PCB板連接，而國外電能表是直接焊接到印制板上如圖2所示。采用直接焊接方式的電能表采樣信號電流回路小，受交變磁場的影響也比采用軟線連接方式的電能表小很多，現(xiàn)場安裝時抗干擾能力較國內(nèi)智能電能表強。

個別國外的單相智能電能表采用電流互感器、霍爾元件及羅氏線圈電流采樣方式如圖3所示。電流互感器（CT）采樣方式的優(yōu)點是損耗低，輸出信號較強，但是抗直流分量特性較差，易受外部恒定磁場干擾，國內(nèi)的三相表多采用此類采樣方式。電流互感器不易受工頻磁場的影響，但是對電能質(zhì)量的要求較高，若電網(wǎng)中存在直流分量，易造成互感器鐵芯飽和，采樣誤差將增大。霍爾器件電流采樣方式的線性范圍優(yōu)于電流互感器采樣，而輸出信號強度遠高于錳銅采樣方式，且沒有大電流時的發(fā)熱問題，同時信號輸出與強電可以隔離，但霍爾器件成本較高，易受磁場干擾，在應(yīng)用中需要采取磁屏蔽措施。羅氏線圈線性范圍較寬，被廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)測量電流的電流互感器無法正常使用的大電流的測量中，受恒定磁場影響較小，但易受工頻磁場及諧波磁場影響，造成采樣不準。

綜合以上比對結(jié)果，目前國內(nèi)外電能表普遍采用錳銅分流器電流采樣方式，國外電能表普遍采用將錳銅片直接焊接至電路板的方式，較國內(nèi)的軟線連接方式優(yōu)越，在今后的設(shè)計中值得借鑒。

2.2 電壓采樣部分設(shè)計對比

國內(nèi)外電能表均采用電阻分壓的電壓采樣方式，將強電壓信號通過電阻分壓的方式降低到計量芯片的采樣范圍之內(nèi)，直接傳送到計量芯片或AD采樣芯片進行電壓計量。經(jīng)過比對，國內(nèi)電能表多采用非精密電阻，國外大部分電能表也采用非精密電阻，也有一部分采用了精密貼片電阻。國內(nèi)外電能表電壓采樣部分的區(qū)別還在于分壓電阻的封裝形式不同，國內(nèi)電能表大多采用貼片電阻，而國外電能表有的采用的是薄膜高精密貼片電阻或者插裝金屬膜電阻。各種分壓電阻的參數(shù)比對如表2所示。

由表2比對可知，普通貼片電阻占用PCB面積小，布板靈活，但功率較小，溫度系數(shù)高，單個的耐壓值不高。雖然普通貼片電阻的環(huán)境特性不高，但是國內(nèi)電能表普遍采用三防工藝來加強電能表對環(huán)境變化的適應(yīng)能力，對目前國網(wǎng)單相智能電能表要求的一級表的誤差，普通貼片電阻一般是都能滿足的。金屬膜電阻，由于其功率較大，耐壓值高，溫度系數(shù)好，其環(huán)境影響特性優(yōu)于普通特片電阻，可以提高電能表的可靠性，對于精度要求高的電能表，需要采用高精密貼片電阻或金屬膜電阻。

3 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在電能表技術(shù)方面已經(jīng)有了很大提升，但是距離電能表國際先進水平還存在差距。經(jīng)過對國內(nèi)外電子式電能表采樣單元的工藝對比，我們從國外電能表采樣單元的工藝設(shè)計中得到啟發(fā)，如電流采樣模塊采用錳銅分流器與PCB板直接焊接方式提高采樣的準確度和可靠性；根據(jù)實際需要選取不同的采樣電阻等。但是對于現(xiàn)階段我國的電子式電能表應(yīng)用數(shù)量非常大，再加之各地區(qū)間電能質(zhì)量的多樣性，為提升電能表的技術(shù)水平，后續(xù)我們還應(yīng)投入精力對其他關(guān)鍵模塊的工藝進行比對，結(jié)合我國實際情況，有選擇的借鑒國外電能表的先進經(jīng)驗，提升國內(nèi)電能表技術(shù)水平。

參 考 文 獻

[1] 宗建華，閆華光，史樹東，于海波.智能電能表[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 褚大華.電子式電能表[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 曾乃鴻，電子式電能表的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].華東電力，2001，9.

[4] JJG 596-2012，電子式交流電能表[S].

[5] GDW/Q 1354-2013，智能電能表功能規(guī)范[S].