基于微型断路器的单相智能电能表费控电路应用分析

马利人 李 俊

(湖北省电力公司电力试验研究院，武汉 430077)

0 引言

为拓展用电信息采集系统的应用范围，普遍要求其能够支持远程费控和本地费控功能，可实现对电力用户实时计费、催费预警、跳闸停电和合闸复电等远程控制，全面提高电费收缴的风险控制能力。而满足现行国网企业标准的，带有内置负荷开关的单相智能电能表，一般只能在负荷电流小于60A时实施远程费控和本地费控。但实际应用中，会出现用户负荷电流大于60A的情况。为了能对这部分用户实施远程费控和本地费控，就必须给按现行国网企标制造的单相智能电能表外接负荷开关。为此，需要根据不同开关器件的性能特点，设计相应的驱动电路，以与满足现行国网企标的单相智能电能表有机结合，实现远程费控和本地费控功能。

1 单相智能电能表外控技术要求

目前陆续投入安装、使用，进入千家万户的单相智能电能表，都建立在满足现行国家电网公司3个企业技术标准之上，具有统一型式、功能和技术特性，是一种新型的计量器具。

满足现行国网企标的单相智能电能表的5号弱电端子和6号弱电端子均为跳闸控制端子。这两个跳闸控制端子，可输出脉冲方式或电平方式的开关信号，开关节点容量为交流250V、2A，可用于控制外部的报警装置或负荷开关。

当满足控制条件时，输出的开关信号应驱动外置负荷开关动作，中断供电，跳闸指示灯点亮；用户购电成功后，必须通过本地方式由用户自行合闸，用户按下满足现行国网企标的单相智能电能表的轮显按钮3s后，负荷开关合闸，或者用户直接手动操作负荷开关合闸，跳闸指示灯熄灭。

2 微型断路器工作原理

断路器从结构上主要分为微型断路器MCB、塑壳断路器MCCB和万能式(框架式)断路器ACB等三种。由于微型断路器技术的引入，居民住宅不再使用闸刀开关和保险丝，微型断路器体积小，安装方便，是建筑电气终端配电装置中使用最广泛的一种终端保护电器。

2.1 工作原理

为防止电气线路过载和短路起保护作用的微型断路器，也可在正常情况下，作为线路的不频繁分合闸转换操作之用。微型断路器主要由操作机构、动静触头、灭弧室、脱扣机构和辅助部件等组成，其正常工作时，触头只能停留在闭合或断开的位置。

图1 分励脱扣器的电路原理图

当线路发生过载故障时，过载电流使热双金属元件弯曲，导致脱扣机构动作，推动锁定机构复位，从而分断线路；过载保护具有反时限特性，电流越大，脱扣时间越短。

当线路发生短路故障时，短路电流流过螺线管式电磁铁，衔铁瞬时被吸合，使脱扣机构动作，推动锁定机构复位，实现分断功能。

单相微型断路器的极数主要有2P和1P+N两种不同技术规格：

2P——带2个保护极的两极微型断路器，其两极均装有热磁脱扣元件，相线和N线都具有线路过载和短路保护功能，两极同时进行分合。

1P+N——带1个保护极的两极微型断路器，仅P极装有热磁脱扣元件，而N极则未装，仅相线具有线路过载和短路保护功能。在设计上，是要求P极先分后合、N极先合后分。微型断路器的分合闸过程中，先分或后合的触头上会产生电弧，由于相线具有电流脱扣元件，能够对过载和短路快速做出反应，以保证电路和设备的安全。

2.2 分励脱扣器模块

分励脱扣器是一种远距离操纵微型断路器分闸的辅助部件，它与微型断路器可以制成一体式的，也可以是组合装配的。

使用时，给微型断路器的脱扣器控制极加上控制电压，然后将微型断路器手柄推向闭合位置，通过操作机构，带动动触头向静触头运行，并与静触头可靠接触，从而接通线路。

当需要切断线路时，则去掉微型断路器的脱扣器控制极上的控制电压，此时，分励脱扣器的信号检测电路检测到无控制电压，使脱扣线圈通电(通电时间不能超过1s，否则线圈会烧毁)，衔铁瞬时被吸合，并同时带动锁定机构复位，以实现分断功能。

3 带分励脱扣器的微型断路器的驱动电路

3.1 分励脱扣器的工作原理

分励脱扣器是一个三端器件，分别是火线端子、零线端子和控制端子CTRL；其中，火线端子、零线端子接到微型断路器的负载端，控制端子CTRL需接外部电压控制信号。分励脱扣器的具体工作原理如图1所示。

当控制端子CTRL加有控制电压(为AC220V)时，该电压信号经二极管D2整流，电阻R1降压、限流，电容C1滤波后，被送到三极管Q1的基极，使三极管Q1导通，三极管Q2的基极为低电平，三极管Q2截止，分励脱扣器的脱扣线圈不通电，这时，微型断路器可以合闸，用户可以用电。

当控制端子CTRL未加控制电压(为AC0V)时，三极管Q1的基极为低电平，三极管Q1截止，L相电压经二极管D1整流，电阻R3降压、限流，给电容C2充电。当给C2充到高于稳压管ZD2的导通电压时，ZD2导通，三极管Q2也导通，分励脱扣器的脱扣线圈通电，微型断路器分断，用户断电。

微型断路器分闸后，分励脱扣器也同时断电，以防止分励脱扣器长期通电而烧毁，此时，如用户再次以手动方式使微型断路器合闸，控制电路会经过对电容C2的充电延时后，再次分闸，提醒用户不满足合闸条件。

电路中，RV是压敏电阻，起雷击保护作用，可防止雷击高压脉冲对控制电路中的二极管、三极管等电子元器件造成损害。

3.2 微型继电器控制分励脱扣断路器实现分合闸的电路

带分励脱扣器的微型断路器，通常配合单相智能电能表来控制线路的通断。微型断路器安装于单相智能电能表的出线侧，电能表内部的信号继电器控制分励脱扣断路器实现分合闸的电路如图2所示。

图2 微型继电器控制分励脱扣断路器的电路

在满足国网企标的单相智能电能表上，其5号弱电端子和6号弱电端子分别与松下公司生产的DS2Y型信号继电器K1的静、动触点相连。DS2Y信号继电器的触点容量大于2A，从图3中可以看到，5号弱电端子和6号弱电端子提供无源常开触点输出。

考虑到开关拉合过程中的反向电动势的影响和开关线圈短路的危险，需要在回路中加入一定的保护措施。如，表内信号继电器输出触点串联热敏电阻MZ6(自恢复保险丝)、表外回路中串联熔断器等。

在满足国网企标的单相智能电能表外部，再将单相智能电能表的5号弱电端子和火线(外部电压控制信号)相接，6号弱电端子经过熔断器FUSE和分励脱扣器的控制端子CTRL相接，从而可实现对用电负荷的合闸、跳闸等控制。

远程费控智能电能表用户正常用电时(或本地费控智能电能表有剩余金额时)，单片机的Port1管脚输出信号为高电平，三极管Q1导通，微型继电器K1线圈通电，常开触点闭合，5号弱电端子和6号弱电端子接通，控制端子CTRL加有火线电压信号，这时微型断路器可以经手动合闸。

需对远程费控智能电能表用户断电时(或本地费控智能电能表剩余金额用完时)，单片机的Port1管脚输出的信号为低电平，三极管Q1截止，微型继电器K1线圈未通电，常开触点断开，5号弱电端子和6号弱电端子分断，控制端子CTRL悬空无电压信号，微型断路器分闸。

当单相本地费控智能电能表重新充值成功后，它又会重新接通控制端子CTRL和火线，动作过程与单相本地费控智能电能表有剩余金额时相同，这时，分励脱扣器的脱扣线圈不通电，用户可以对微型断路器进行本地手动合闸，以实现国家电网公司技术标准所要求的：“用户购电成功后，必须通过本地方式由用户自行合闸”的功能。

4 微型断路器的通断状态检测

由于微型断路器置于单相智能电能表之外，单相智能电能表要检测微型断路器的通断状态，就必须有相应的信号线接回电能表。从安全性和现场接线的可行性角度出发，这个方案一般不被采用。

目前常用的检测与判定方式是，智能电能表发出跳闸信号后，如果仍然继续计量电能量，则智能电能表判定微型断路器跳闸动作故障，发出相应告警提示信息。考虑到智能电能表输出跳闸信号到开关完全断开之间存在一定延时，有可能在此期间，智能电能表计量了一个或数个最小计量单位的电能量(0.01kWh)。所以，智能电能表一般将判据设定为：智能电能表发出跳闸信号后，如其还继续计量了一定的电能量(如0.10kWh)，则判定为微型断路器跳闸动作故障，如此，要发出相应的告警提示信息。

此种检测方式下，智能电能表只能检测出跳闸失败。智能电能表合闸信号发出后，若无电量被计量，智能电能表无法判定是确实没有负载还是合闸失败，所以，单相智能电能表一般不对合闸成功与否做检测和报警。

5 结语

与60A以上单相智能电能表配套的外接负荷开关，可选用磁保持继电器或带分励脱扣器的微型断路器。如外置开关器件选用磁保持继电器，既可以实施远程分闸，也可以实施远程自动合闸，但远程自动合闸在一定程度上会给操作人员和电器设备造成安全隐患，和磁保持继电器配合使用的智能电能表跳闸控制端子必须是有源脉冲信号输出。

而外置开关器件选用带分励脱扣器的微型断路器时，可以实施远程分闸，但不能远程合闸，需本地人工手动合闸，故在一定意义上有利于操作人员和电器的安全。和带分励脱扣器的微型断路器配合使用的智能电能表跳闸控制端子，必须是无源触点信号输出。

[1] Q/GDW 355-2009，单相智能电能表型式规范[S]

[2] Q/GDW 364-2009，单相智能电能表技术规范[S]

[3] Q/GDW 354-2009，智能电能表功能规范[S]

[4] 周志敏.小型断路器的发展与应用[J].电气开关，2002(5)

[5] 陈德桂.小型断路器[J].低压电器，1994(3)

[6] 葛大麟.施耐德小型断路器及其应用[J].电工技术杂志，2003(11)

[7] 高雅利.一种预付费电能表用断路器的设计[J].电气制造，2011(8)