10 kV高压电能表的供电单元的应用研究

余恒洁

(云南电网责任有限公司，昆明 650011)

10 kV高压电能表的供电单元的应用研究

余恒洁

(云南电网责任有限公司，昆明 650011)

高压电能表是配电网新型高压电能计量产品，克服了现有配电网高压计量装置组件复杂的弊端。而供电单元的设计是高压电能表设计的重中之重。本文中介绍了高压电能表的基本结构，简要分析了现有的供电单元设计技术的问题，提出了用 “电容、电阻限流降压电路”取代 “电容分压器”一种新的高压电能表供电单元解决方案。

高压电能表；配电网；供电单元

0 前言

我国10 kV配电网通常采用的是中性点不接地系统，普遍采用两表法进行电能计量。利用电子式互感器进行传感取样，再利用高压直接电能计量的方案所构成的高压计量表是一个整体式、高压侧直接计量设备。高压计量表主要由电流、电压交流采样模块、供电单元模块、高压电能计量模块四部分组成。

图1 高压计量表原理简图

我国大量的配电网络采用中性点不接地系统，普遍采用两表法进行电能计量，可以测量不对称负载下三相三线的功率和电能，并且不产生误差。三相总功率的公式为：

对于不接地系统或小电流系统，满足以下关系：

三相功率和电能可以通过检测AB相、CB相间电压uAB、uBC和A相、C相电流iA、iC获得。

1 现有高压电能表供电单元分析

目前10 kV高压电能表的供电单元主要有以下两种实现方式：

1)传统电磁式电压互感器 (简称PT)构成供电单元

电磁式电压互感器构成供电单元的的优点是电路成熟可靠，但也存在以下缺点：

a.在安全上难以保证，存在铁磁谐振和漏油的故障隐患；

b.运行能耗高，高压互感器消耗大量的铜铁、绝缘材料等资源；

c.体积大、笨重，无法实现小型化，互感器的安装非常不方便。

2)利用电容分压器从输电母线上取电能

此种方式中的电容分压器中，没有串联电阻和并联限压电路，电容需要抵抗雷电冲击高电压，耐压值的选取偏高；分压的电压为100 V，获得2 W功率，需要20 mA电流，电容量的选取也偏大，抗过压和雷击浪涌能力差。

因此，需要通过创新的设计对现有的高压电能表的供电单元进行改进。用 “电容、电阻限流降压电路”取代 “电容分压器”和传统的电磁式电压互感器，可大幅提高整流电压，降低电流，使得高压电能表的供电单元体积更小，输入电压范围更宽，抗过压和雷击浪涌能力强。

2 高压电能表供电单元的实现原理

如图2所示，10 kV高压电能表的供电单元，主要包括以下功能单元：

图2 利用高压电容降压取电能的简化示意图

降压电容C1和限压电路YM1并联，后与限流电阻R1串联，构成典型的降压组件；电路中同样结构的降压组件共有n个 (数量因输入电压不同而调整)，它们全部串联连接，共同承担输入的高电压。

电路中，还设置有整流电压限制电路VL1，使储能电容 CC1的两端电压在 900 V到 1 100 V之间。

3 新型高压电能表供电单元的设计

1)10 kV高压电能表供电单元的系统结构

如图3所示，10 kV高压电能表供电单元中，有3个独立的稳压单元，分别和A相、B相和C相处于等电位状态，其中稳压单元A、C分别给A相、C相电能计量单元供电，稳压单元B给合并单元供电。

每个稳压单元包括DC/DC变换器、整流电压限制电路VL1等两大部分电路。

图3 10 kV高压电能表供电单元的系统结构图

2)DC/DC变换器的电路实现

如图4所示，DC/DC变换器是一个典型的反激电源，采用低启动电流的电流型控制芯片作为主控制器，具有电路简单、保护全面的优点。

图4 DC/DC变换器的原理示意图

二极管D5的作用是防止储能电容的电能倒灌；二极管DA3的作用是弱化开关管的输出电容、变压器初级电感之间的谐振，降低变压器副边的振铃噪音。

3)整流电压限制电路VL1的电路实现

整流电压限制电路VL1的主要功能是：在正常的交流输入电压范围 (4 kV～30 kV)内，将储能电容CC1的两端电压Vb控制在900 V～1 100 V之间，一是为减小降压电容的容值和增大限流电阻的阻值，有助于本供能单元的可靠性保证，二是因为DC/DC变换器中的功率开关管比较容易选择，可以采用性价比优的功率场效应管，有助于成本控制。

当DC/DC变换器正常工作后，自馈电电压+ 15 H将通过Q6A关闭Q5、Q6，并接替Vdiv给限压控制电路、DC/DC变换器控制芯片U1等供电，目的是减少高压Vb消耗的电流，从而降低供电单元整体的功率消耗。

电阻R2A、三极管Q4组成电流限制电路，使Q1/Q2/Q3/Q3A的最大输出电流约为6 mA，MOS管Q1/Q2用于高电压的均分，电阻R1C/R1F等用于功耗的分担。稳压管 ZW1/ZW2/ZW3用于限制MOS管的柵源极之间的电压，用于保护。

图5 整流电压限制电路VL1的原理示意图

3.1 降压支路最低工作电压的确定

《高压电能表通用技术要求》中8.3.3高压电能表的电压影响量试验：电压范围从0.8 Un(含)到0.9 Un(不含)以及从1.1Un(含)到1.15Un(不含)时，以百分数表示的误差改变量不应超过表19限值的3倍。电压低于0.8Un时，仪表误差允许在+10%和-100%之间改变。若电压是0.8Un时且B相电压断线，仍然要求电能表正常工作，则0.8Un电压由2条降压支路和3个稳压单元等共同分担，所以每条降压支路两端的电压V=(0.8×Un-1×3)/2=2.5 kV。

每条降压支路两端的最低正常工作电压为2.5 kV，此时电流满足功率需求，约需要2.5 mA的交流电流。

3.2 降压支路的其它工作条件

最高工作电压：30 kV、2 min；试验按GB/T 16927.1-2011第6章的规定进行。特别注意的是：此项操作是人为控制，所以最好按照长期承受30 kV来设计。

3.3 输入功率Pd和电压采样回路功耗Ps确定

整流电压限制电路功耗1.1×0.05=0.055 W，DC/DC变换器的输出功率1.1 W，效率65%，则DC/DC变换器的输入功率Pd=1.1/0.65+0.055 =1.75 W，预留10%余量，得到1.75×1.1= 1.925 W，计算时按照2 W计。在储能电容电压为900 V，输入2.5 mA电流时，有功功率平均值为：

在满足输入功率的要求。

在额定电压10 kV下， (电阻式)电压采样回路的电流为0.3 mA，功耗在Ps=0.3×10=3W。

3.4 降压组件具体实现

在50Hz条件下，此时的降压支路的电流约为9 mA，2个稳压单元消耗Pd×2的功率，允许降压支路的损耗为。

按照I×I×Ra=P的公式计算，得9/1 000×9/1 000×Ra=3，推出降压支路串联电阻总和Ra=3× 1 000×1 000/81=37 kΩ，在9 mA时的电压降为333 V。

在最大连续工作电压为交流30 kV时，计划每个降压组件的工作电压为交流10 kV，降压支路由3个降压组件 (=30 kV/10 kV)串联来构成。单个限流电阻12.3 kΩ，实际选用12 kΩ。

每条降压支路在2.5 mA、2.5 kV、45 Hz的条件下，总阻抗Z=2.5 k/2.5=1 MΩ。单个降压组件的阻抗Z1=Zall/3=333 kΩ，可见降压组件的阻抗Z1基本上由降压电容C1形成，考虑到45 Hz时的容抗XC1=1/(2××45×C1)=Z1，得到降压电容C1=1/(2×π×45×Z1)=1/(90×π×333× 1000)=0.010 6 μF，实际选用0.011 μF。

每个降压组件的最大连续工作电压为10 kV，峰值为14.14 kV，实际选用25 kV耐压，是考虑到限压电路的漏电流、击穿电压误差、钳位电压随电流的增大而上升等因素。限压电路YM1使用双向TVS(1.5 KE 440CA)40只串联而成 。单只TVS的参数如下，581A 3 电流下 538，截止电压376 V，40只串联总电压15kV； 2.3 A电流下，峰值电压600 V，40只串联总电压24 kV。

在最大连续工作电压为交流30 kV、50 Hz时，降压支路的电流I30=30/2.5×2.5×50/45= 33.3 mA。在电阻R1上的损耗PR1=I30×I30×R1= 33.3×33.3×12=13.3 W，最大工作电压Vmax= 33.3×12=400 V，功率不大，电压也不高。

但是，在供电单元做雷电截波耐受电压85 kVp试验时，不能发生击穿，每个电阻分担 85 kVp/3=28.33 kV，考虑到降压电容C1的峰值电压14.14 kV可能和前者同方向叠加，总电压可能达到28.33+14.14=42.47 kV，实际选择限流电阻R1的短时极限耐压应满足60 kV。可以选用蚌埠双环CRW功率型厚膜电阻器240 Ω/4020 M的贴片电阻2(并)×10(串)来实现，单只电阻的最大工作电压6 kV，允许功耗1.5 W，尺寸为10.2×5.1×0.6，单位mm。

降压组件的完整原理图如图6所示。

图6 降压组件的完整电路原理图

4 结束语

用 “电容、电阻限流降压电路”取代 “电容分压器”，同时把限流降压后的整流电压，大幅度从100 V提升到1 000 V。在输出2瓦功率时，只需要2毫安电流，和现有技术相比：降压电容的容值只有1/10，限流电阻的阻值却是100倍或者更高，再配合降压电容并联限压组件、采用多余能量分流技术来限制整流电压等措施，使本供能单元具有交流输入电压范围宽，抗连续过压、雷击浪涌等异常条件的能力强，同时具有体积小、成本低等优点。可极高的提高高压电能表的性能。

[1] 胡顺，徐芝贵.高压电能表的研制进展 [J].电测与仪表，2008，45(1)：123，42

[2] 王乐仁.配电网中的互感器及其未来 [J].环球表计，2008(3).

Study on Power Supply Unit of 10 kV High Voltage Electric Energy Meter

YU Hengjie
(Yunnan Power Grid Co.，LTD.，Kunming 650217，China)

High voltage electric energy meter is a new type of electric energy metering product in distribution network，which overcomes the disadvantages of the high voltage measurement equipment's complex structure in the distribution network.The power supply unit is the most important part in the design of high voltage electric energy meter.This paper introduces the basic structure of the high voltage electric energy meter，analyzes the problems existing in the design of the power supply unit.This paper presents a new solution for the high voltage power meter power supply unit，which uses"capacitor，resistor current limiting circuit"instead of“capacitor voltage divider”.

high voltage electric energy meter；distribution network；power supply unit

TM93

B

1006-7345(2015)06-0099-04

2015-11-27。

余恒洁 (1981)，男，硕士，工程师，云南电网有限责任公司，从事计量管理、计量研究工作工作 (e-mail)yhj0129＠qq.com。