智能控制預(yù)付費電能表用斷路器的設(shè)計與測試*

林淑娜 林茂青 林若波

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智能控制預(yù)付費電能表用斷路器的設(shè)計與測試*

林淑娜1林茂青2林若波3

（1.廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司揭陽供電局 2.廣東立德電氣有限公司 3.揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

在傳統(tǒng)電能表用外置斷路器的基礎(chǔ)上，研制一種智能控制預(yù)付費電能表用外置斷路器；從斷路器的機械結(jié)構(gòu)和電氣性能出發(fā)，闡述斷路器的自動重合閘控制裝置及控制方法；以智能控制預(yù)付費電能表用外置斷路器產(chǎn)品LDEB1-80為例，對其脫扣特性和EMC特性進(jìn)行電氣性能測試。測試結(jié)果表明：斷路器瞬時動作特性較好，熱態(tài)下試驗電流10×80 A，其脫扣時間最大僅為9.3 ms，遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)（≤0.1 s）；通過對斷路器分別施加3 V/1 kHz 80%AM調(diào)制正弦波、脈寬50 ns/4 kV的脈沖群、場強3 V/m的輻射電磁場、5 kV浪涌共模信號和4 kV浪涌差模信號、150 kHz范圍內(nèi)共模傳導(dǎo)騷擾信號等測試，斷路器均不脫扣，具有很好的抗干擾能力和良好的電氣性能。

智能控制；預(yù)付費電能表；斷路器；脫扣特性；EMC

0 引言

斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)電器設(shè)備之一，其操作性能對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟運行至關(guān)重要。目前國家“智能電網(wǎng)”的建設(shè)目標(biāo)對變電站安全可靠運行提出了更高的要求，特別是隨著國家電力系統(tǒng)的改造和GPRS、CDMA等現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，智能斷路器監(jiān)測系統(tǒng)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化程度將進(jìn)一步提高，嵌入式系統(tǒng)在終端產(chǎn)品中的使用也越來越廣泛，對產(chǎn)品功能的多樣性和復(fù)雜度也提出了更高的要求。近年，很多文獻(xiàn)針對斷路器產(chǎn)品的電氣性能進(jìn)行理論仿真與測試，研究斷路器的脫扣特性和EMC電磁兼容，進(jìn)一步改善斷路器的電氣性能[1-8]。如劉德勝等（2009）針對DZ47LE系列漏電斷路器的誤動作問題，通過晶閘管和電磁脫扣線圈的合理組合、增加抗干擾電路，解決了漏電斷路器工作的可靠性及電磁兼容問題[3]；周亞軍等（2014）提出一種基于智能控制器的塑殼斷路器硬件設(shè)計，并進(jìn)行EMC分 析[4]；任鵬等（2015）針對預(yù)付費智能電能表用微型斷路器的脫扣性能，分析微型斷路器的瞬時脫扣特性和電壓脫扣延時特性，通過仿真測試說明該類型微型斷路器的脫扣特性[5]；林承志等（2017）提出一種基于LabVIEW的虛擬檢測技術(shù)，較好地消除了電流中的非周期分量，實現(xiàn)了具有控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示等功能的脫扣特性檢測[6]。以上文獻(xiàn)從斷路器的硬件結(jié)構(gòu)、脫扣特性、EMC等方面開展有積極意義的研究，取得較好的研發(fā)成果。本文在電能表用外置斷路器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)電路和傳動機構(gòu)，研制一種智能控制預(yù)付費電能表用外置斷路器，并對其脫扣特性和EMC特性進(jìn)行電氣性能測試，申請了實用新型專利[9-10]，斷路器產(chǎn)品通過廣東省機械行業(yè)協(xié)會產(chǎn)品鑒定（粵機協(xié)技鑒字2017[045]），取得較好的效果。

1　斷路器設(shè)計

1.1　結(jié)構(gòu)與外觀設(shè)計

智能控制預(yù)付費電能表用外置斷路器的機械結(jié)構(gòu)圖和實物圖如圖1所示。斷路器采用單模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，盡可能縮小斷路器控制部分尺寸，每極寬度僅為18 mm；斷路器操作部件靈活可靠，具有自由脫扣機構(gòu)，遠(yuǎn)程全自動控制方式具有電動操作機構(gòu)；具有手動分閘和閉合的操作手柄，操作手柄和帶電部件之間有良好的絕緣，以保證安全；模式選擇開關(guān)設(shè)置在開關(guān)正面，標(biāo)有“自動”和“手動”標(biāo)識，便于識別開關(guān)當(dāng)前模式。

圖1　智能控制預(yù)付費電能表用外置斷路器的機械結(jié)構(gòu)圖和實物圖

1.2　自動重合閘控制裝置的實現(xiàn)

智能控制預(yù)付費電能表是一個集電能計量、用電控制、收費管理、配電保護(hù)等多功能于一體的控制裝置。一般采用外置斷路器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過軟件實施費控策略，把電能計量、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芗稍谝黄?，達(dá)到智能控制的效果。

傳統(tǒng)預(yù)付費控制電能表只能通過軟件編程實現(xiàn)自動分閘功能，即通過費控策略，一旦檢測到IC卡里面的余額不足時，自動啟動程序切斷電源，實現(xiàn)自動分閘功能。但傳統(tǒng)預(yù)付費電能表不能自動接收卡表的指令，缺乏自動重合閘功能，只能通過人工合閘方式，導(dǎo)致用戶充值后不能及時通電，給用戶帶來不便。鑒于這種弊端，本設(shè)計在傳統(tǒng)預(yù)付費電能表基礎(chǔ)上，增加卡表反饋信號的采集，并設(shè)計一種自動重合閘控制裝置，實現(xiàn)自動重合閘功能。

自動重合閘控制裝置示意圖如圖2所示。集成電路控制器包括合閘機構(gòu)、中央控制器、驅(qū)動電機和驅(qū)動電機電源等。其中，中央控制器MCU型號為SN8P2511，驅(qū)動電機電源型號為TC1203，輔助電源型號為UCC28880。中央控制器通過控制線采集外部插卡電能表的信號，并通過驅(qū)動電機控制合閘機構(gòu)的開合；驅(qū)動電機電源與外部電源（220 AC）電連接；合閘機構(gòu)接入端與外部插卡電能表連接，輸出端與用戶用電設(shè)備連接；合閘機構(gòu)通過反饋線連接到外部插卡電能表，并為外部插卡電能表反饋合閘機構(gòu)開合狀態(tài)信號；集成電路控制器設(shè)置有輔助電源，輔助電源接入端與外部插卡電能表連接，輸出端分別與中央控制器、驅(qū)動電機電源電連接?？刂撇糠值臋C構(gòu)采用電動機和蝸輪、蝸桿及齒輪組成的傳動機構(gòu)，通過傳動機構(gòu)帶動斷路器內(nèi)軸，實現(xiàn)斷路器的分合閘控制。

反饋信號采用脈沖波方式，通過控制端口取代傳統(tǒng)的無源接點，實現(xiàn)電路通斷功能控制。當(dāng)電能表處于有費狀態(tài)時，每隔一定的周期，向控制開關(guān)發(fā)送脈沖波；當(dāng)電能表變?yōu)榍焚M狀態(tài)，停止發(fā)送脈沖波，控制開關(guān)在規(guī)定的周期中沒有收到電能表的脈沖波，則跳閘斷電。采用脈沖波的方式，可以有效防止人為損壞卡表與控制開關(guān)的連接，使預(yù)付費系統(tǒng)正常工作。當(dāng)用戶繳納電費后，電表由欠費狀態(tài)變?yōu)檎顟B(tài)，重新發(fā)送脈沖波，控制開關(guān)合閘送電。

電能表外置斷路器的控制模式分為“自動”和“手動”2種，可通過電能表外置斷路器面板上的模式開關(guān)進(jìn)行切換。電能表外置斷路器在“自動”控制模式下，接收到分閘信號時，會自動分閘并使動觸點處于斷開位置，且手動無法完成合閘操作，即預(yù)付費電能表欠費時，電能表外置斷路器手動合閘功能失效，有效避免用戶在欠費狀態(tài)下采用人為合閘接通電源。電能表外置斷路器在IC卡式預(yù)付費電能表費用充足時，才可以實現(xiàn)手動合分閘。

圖2　自動重合閘控制裝置示意圖

2　電氣性能測試

本文以智能控制預(yù)付費電能表用外置斷路器產(chǎn)品LDEB1-80為例，經(jīng)浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司（浙江方圓電氣設(shè)備檢測有限公司）檢測，參照GB10963.1-2005《電氣附件家用及類似場所用過電流保護(hù)斷路器第1 部分:用于交流的斷路器》和GB 14048.2-2008 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器》國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行脫扣特性分析和EMC電磁兼容試驗分析。

2.1　脫扣特性分析

斷路器應(yīng)具有短路脫扣（磁脫扣）和過載脫扣（熱脫扣）功能。當(dāng)線路發(fā)生過載故障時，過載電流使熱雙金屬元件彎曲，脫扣機構(gòu)動作，推動鎖定機構(gòu)復(fù)位，從而分?jǐn)嗑€路。過載保護(hù)具有反時限特性，電流越大，脫扣時間越短。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，短路電流流過螺管式電磁鐵，銜鐵瞬時被吸合，使脫扣機構(gòu)動作，推動鎖定機構(gòu)復(fù)位，實現(xiàn)分?jǐn)喙δ?。本文通過斷路器延時動作特性校驗臺OKW2/Y，驗證測試斷路器LDEB1-80的延時動作特性。試驗額定電流值In設(shè)為80 A，表1列出了斷路器LDEB1-80的延時動作特性試驗結(jié)果?？梢钥闯觯豪鋺B(tài)初始狀態(tài)下，試驗電流1.13×80 A，不脫扣時間大于2 h；熱態(tài)初始狀態(tài)下，試驗電流1.45×80 A，脫扣時間小于2 h，電流在5 s內(nèi)穩(wěn)定增加；試驗電流達(dá)到1.55×80 A，斷路器在20 s內(nèi)成功脫扣，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)120 s的要求。

表1　斷路器LDEB1-80的延時動作特性

本文通過斷路器瞬時動作特性校驗臺OKW2/S，驗證測試斷路器的瞬時動作特性。試驗額定電流值In設(shè)為80 A，表2列出了斷路器LDEB1-80的瞬時動作特性試驗結(jié)果?？梢钥闯觯豪鋺B(tài)初始狀態(tài)下，試驗電流5×80 A，斷路器不脫扣時間大于0.1 s；熱態(tài)初始狀態(tài)下，試驗電流10×80 A，斷路器脫扣時間最大僅為9.3 ms，遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)0.1 s。從試驗結(jié)果可以看出：斷路器性能穩(wěn)定，靈敏度完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2　斷路器LDEB1-80的瞬時動作特性

2.2　EMC試驗

電磁兼容能力（EMC）和電磁抗干擾能力（EMI）是目前電子產(chǎn)品可靠性的重要指標(biāo)。為驗證斷路器的安全性能，避免外界干擾導(dǎo)致誤操作，必須對斷路器進(jìn)行EMC測試，主要包括傳導(dǎo)正弦波電流或電壓、ns級單向傳導(dǎo)脈沖（脈沖群）、輻射電磁場、浪涌、共模傳導(dǎo)騷擾、靜電放電等幾方面性能指標(biāo)的測試。根據(jù)GB18499-2008國家標(biāo)準(zhǔn)，對LDEB1-80斷路器以下6項指標(biāo)分別進(jìn)行EMC試驗，EMC部分指標(biāo)的現(xiàn)場測試圖如圖3所示。

(a) 輻射電磁場試驗

(b) 浪涌試驗

圖3EMC試驗現(xiàn)場

1）施加3 V/1 kHz 80%AM調(diào)制正弦波，駐留時間0.5 s~1 s，測試頻率步長1%，頻率范圍0.15 MHz ~80 MHz；

2）施加脈寬50 ns/4 kV的脈沖群，脈沖持續(xù)時間15 ms，試驗時間1 min，重復(fù)頻率2.5 kHz；

3）施加場強3 V/m的輻射電磁場，調(diào)制波形為1 kHz 80% AM調(diào)制波，駐留時間0.5 s~1 s，測試頻率步長1%，頻率范圍80 MHz ~1000 MHz；

4）施加5 kV、正負(fù)極各5次/角度的浪涌共模信號和4 kV、正負(fù)極各5次/角度的浪涌差模信號，重復(fù)率為1次/min；

5）施加150 kHz范圍內(nèi)的共模傳導(dǎo)騷擾信號，從15 Hz開始至150 Hz，電壓以20 dB/十倍頻減小；150 Hz開始至1.5 kHz，電壓保持不變；1.5 kHz開始至15 kHz，電壓以20 dB/十倍頻增加；15 kHz開始至150 kHz，電壓保持不變；

6）在斷路器非金屬接觸部分施加8 kV靜電，在金屬接觸部分施加6 kV靜電，進(jìn)行靜電放電試驗，放電次數(shù)正負(fù)各10次，間隔時間大于1 s 。

通過對斷路器進(jìn)行6項EMC試驗，結(jié)果表明：斷路器均不脫扣，性能穩(wěn)定，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可見，斷路器具有很好的電氣性能和和很強的抗干擾能力。

3　結(jié)論

本文研究智能控制預(yù)付費電能表用外置低壓斷路器的設(shè)計與改進(jìn)，從斷路器的脫扣特性和EMC電磁兼容特性出發(fā)，分析斷路器的脫扣特性和EMC電磁兼容能力，主要創(chuàng)新點：

1）通過改進(jìn)自動重合閘控制裝置，增加反饋信號，實現(xiàn)自動合閘功能，提高斷路器人機交互的自動化程度；

2）斷路器延時動作性能穩(wěn)定，熱態(tài)1.55 In下，斷路器在20 s內(nèi)成功脫扣，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)120 s的要求；瞬時脫扣特性靈敏度高，熱態(tài)10 In下，斷路器脫扣時間小于9.3 ms，大大優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)0.1 s的標(biāo)準(zhǔn)；

3）斷路器具有很強的抗干擾能力，EMC電磁兼容能力好。

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Design and Test of Circuit Breaker for Intelligent Control Prepaid Power Meter

Lin Shuna1Lin Maoqing2Lin Ruobo3

(1. Jieyang Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd. 2. Guangdong LEAD Electric Co., Ltd. 3.Jieyang Vocational and Technical College)

Based on the external circuit breaker, the external circuit breaker with intelligent control prepaid power meter is developed. From the mechanical structure and electrical properties of the circuit breaker, the automatic reclosing control device and control method of the circuit breaker are described. For the external circuit breaker with intelligent control prepaid power meter product LDEB1-80 as an example, the tripping characteristics and EMC characteristics are tested. The test results show that the instantaneous action characteristics of the circuit breaker are very good, which the maximum time of the trip is 9.3 ms and much smaller than the national standard (less than or less than 0.1 s) under the test current of 10×80 A in the thermal state. With 3 V/ 1kHz 80% AM modulation sine wave, pulse width 50 ns/4 kV pulse group of radiated electromagnetic fields, field strength 3V/m, 5 kV surge common-mode signals and 4 kV surge differential mode, conduction disturbance signal in 150 kHz range, the circuit breaker is no undocked and has a good anti-jamming capability and good electrical properties.

Intelligent Control; Prepaid Power Meter; Circuit Breaker; Tripping Characteristics; EMC

林淑娜，女，1978年生，本科，電氣工程師，主要研究方向：變電運行、繼保工作等。E-mail: 875529062@qq.com

林茂青，男，1977年生，大專，助理工程師，主要研究方向：管母線、斷路器等。

林若波，男，1974年生，碩士，機械工程教授，主要研究方向：電氣工程。E-mail: linruobo@126.com

2014廣東省高職教育電氣自動化技術(shù)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)項目（粵教高函 [2014]111號）