基于温度场仿真的智能电能表电源回路误保护特性的分析与优化*

袁瑞铭，李文文，吕言国，叶雪荣，鲁观娜，刘丽

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045； 2.哈尔滨工业大学，哈尔滨150001；3.威胜集团有限公司，长沙 410205)

0 引 言

智能电能表是采用数字计量技术的新型电能表。随着智能电网的日益发展，世界各国对于智能化用户终端的需求也日益增大，低故障率和高可靠性成为智能电能表必须具备的质量特性[1-2]。而智能电能表电源回路是保证智能电能表正常供电的关键模块，主要由PTC热敏电阻、变压器以及稳压电路组成[3-4]，其稳定可靠运行将直接关系到用户的用电安全与电能表计量的公平公正。根据2014年国家电网公司对电能表典型故障现象、原因等方面的调研报告可知，在极端环境温度下，由于器件特性参数的分散性等问题，热敏电阻实际工作温度超过其居里温度点进而引起供电电路误保护是供电电路故障的主要原因[5]。因此，研究电能表电源回路的保护特性对提高电源回路可靠性具有重要意义。

电源回路的保护特性主要由PTC热敏电阻的居里温度与其实际工作温度决定，因此准确的电热仿真是研究电源回路保护特性的基础。在电路热仿真技术研究方面，北京理工大学的奚浩晨综合考虑PCB板热导率的各向异性和各个元器件间的辐射以及重力、热对流等物理条件对温度场的影响，运用ANSYS Workbench软件对电子舱伺服机构进行热—力耦合仿真分析[6]。中国电子科技集团公司第二十研究所的马岩运用ANSYS Icepak对某种印制电路板详细模型进行热仿真，对其仿真结果中的温度分布、气流分布情况等进行分析，并为进一步优化PCB上元件布局提供了参考[7]。在电能表相关的热仿真技术研究方面，江苏省电力公司电力科学研究院的刘建、王忠东、徐晴等人，运用有限元分析软件ANSYS中的电磁仿真功能，对工频电磁场干扰智能电能表的变压器等元器件进行仿真分析研究[8]。但目前缺少对于电能表电源回路的误保护现象的相关仿真研究，且对于电能表保护特性的优化尚待完善。

针对上述问题，文中用电热间接耦合仿真的方法对某单相智能电能表电源回路的保护特性进行仿真分析与优化，在Saber中搭建电能表电源回路的等效电路，仿真研究变压器的损耗分布；分析PTC热敏电阻居里温度的分散性；搭建电能表整机3D模型，在ANSYS Icepak中模拟电能表不同工作情况，分析计算因变压器损耗功率分散引起的热敏电阻误动作的概率，并通过对变压器的硅钢片的选型减少变压器铁损，降低热敏电阻的误保护概率。

1 智能电能表电热仿真分析

由于元器件参数的分散性以及特殊环境情况等因素，热敏电阻处的温度超过其居里温度时，其阻值迅速增大呈指数函数变化，从而切断供电电源产生误保护。研究电源回路误保护特性，主要是研究电源回路变压器和热敏电阻配合的特性。通过Saber电路仿真、Icepak热仿真对智能电能表的电源回路电参数及电能表整机发热进行仿真建模，为后续电能表电源回路保护特性分析提供模型基础。

1.1 基于Saber的电能表电源回路仿真

根据实际温度测试可知，电能表电源回路的变压器是电能表中最主要的发热元件。因此需要获取电能表电源回路在不同参数情况下的发热功率，并输入到电能表整机的热仿真模型中，实现对于电能表各部分温度的仿真分析。将在Saber中搭建电源回路仿真电路进行电路仿真并通过实测进行模型检验。电能表电源回路仿真电路如图1所示。整理仿真数据如表1所示。

图1 电能表电源回路仿真电路图

线圈U/VI/mAP/WN1219.456.390.601 9N212.1412.440.065 92N317.1012.410.109 8N412.5710.430.072 66

由仿真数据计算可得出变压器损耗功率为：

ΔP=P1-P2-P3-P4=0.354 W

(1)

实测电能表电源回路中变压器原副线圈电流与电压值，计算变压器实际损耗功率ΔP=PFe+PCu=0.32+0.067=0.387 W，可得仿真误差约为8.5%。

1.2 基于Icepak的电能表整机热仿真

确定关键元器件后，开始建立热仿真模型。基于ANSYS Icepak的热仿真流程主要包括五部分：建立几何模型、设定材料属性、划分网格、设置求解条件、结果处理显示[9]。在建立电能表整机的几何模型时，由于电能表中PCB板上元器件数量多、结构复杂，采用Solidworks和Altium Designer协同进行建模，具体建模流程如图2所示。

图2 热仿真流程图

最终的电能表热仿真3D模型如图3所示。

图3 电能表热仿真3D模型

采用分等级分网方法可以保证网格质量。在分网完成后，设置发热元器件损耗功率及材料属性；设置环境温度，添加散热条件，设定重力矢量；在求解设置中设置迭代步数和流动残差。求解计算完成后通过后处理可得到电能表整机模型温度分布云图，如图4所示。

图4 环境温度22℃下整机温度分布云图

通过实测结果与仿真结果进行对比，进而校正热仿真模型。22℃环境温度下变压器等各关键元器件处的仿真结果与实测温度如表2所示。可以看出各处温度仿真与实测结果基本一致，PTC热敏电阻处温度仿真误差约为-1.43%。

表2 仿真结果与实测温度

2 电源回路保护特性分析及误保护现象优化方案

2.1 电源回路保护特性分析

当智能电能表处于极限工作环境条件下电源回路热敏电阻易出现误动作，经调研电能表极限工作环境条件为环境温度85 ℃、用户负载电流100 A，以及压敏电阻压敏电压对应的输入电压275 V。由前文Saber电路仿真获得变压器损耗功率分布参数并代入Icepak热仿真中，可以得到变压器损耗功率对PTC热敏电阻处温度分散性的影响。275 V时变压器时功率的期望为0.549 9 W，标准差为0.033 86 W。则由上式回归方程可知，对应PTC热敏电阻处温度的期望为110.695 7 ℃，标准差为0.232 7 ℃。

通过分析变压器损耗功率对PTC热敏电阻处温度分散性影响的数据，以及PTC热敏电阻居里温度数据可以绘制曲线如图5所示。

图5 极限条件下温度分布曲线

变压器前复合电阻中压敏电阻的压敏电压为390 V，即正弦波275.8 V交流电的幅值。正常情况下，当输入电压达到交流275 V时，即不过压也不过流，复合电阻不应发生保护。但由上图可以计算出当输入电压达到交流275 V时，由于温度达到居里温度，而使PTC热敏电阻发生保护的概率为1.6×10-7。

2.2 误保护现象优化方案

智能电能表电源回路发生误保护切断供电电源的直接原因是热敏电阻处的温度超过其居里温度，使其阻值呈指数函数形式增加，切断变压器输入电压。其中一个主要热源为变压器。所以，可以从变压器和热敏电阻两方面进行优化。一个优化方法便是对变压器进行参数设计，以降低其损耗功率，进而降低热敏电阻处温度的中心值。另外，由于元器件参数具有波动性，一般呈正态分布。所以，对于变压器损耗功率在不改变其中心值的情况下，可以进行参数筛选，减小其标准差。

3 基于温度场仿真的保护特性优化

由实测和电路仿真可知电能表电源回路中变压器副边电流很小，变压器铜损很小，约为变压器损耗的10%，变压器损耗主要在于铁损，所以可以对变压器铁损进行优化设计。变压器铁心作为变压器的核心部分，决定着电压变换的质量，影响着变压器的性能和运行可靠性。减小变压器铁损的方法有很多，主要包括两大方面：变压器铁心片加工和铁心的叠装。由于该电能表变压器尺寸基本已经确定，第四节主要针对变压器铁心选片进行优化分析。

通过咨询厂家得知该硅钢片牌号为50WW600，即铁损值6.00 W/kg、厚度0.5 mm的无取向冷轧硅钢片。该硅钢片空载损耗相对较高，可以进行重新选片。

变压器铁损计算公式如下[10]：

(2)

式中P0为变压器空载铁耗；P1.5/f为频率f下变压器铁心每公斤铁损；B0为铁心磁感应强度；GC为变压器铁心质量。

变压器的铜损由线圈电流和电阻决定，假设改换硅钢片前后铜损不变，和铁损相对独立，不同硅钢片制成的铁心铁损服从Y=KX关系，可以算得改换不同牌号硅钢片后的变压器损耗参数，如表3所示。

表3 改换不同牌号硅钢片后的变压器损耗参数

图6 改换不同牌号铁心后温度分布曲线

由表3所示数据可以绘制各牌号硅钢片制成铁心变压器的损耗功率分布，将不同牌号硅钢片制成铁心变压器的损耗功率分布代入Icepak进行热仿真，可得不同牌号硅钢片制成铁心变压器的损耗功率分布对应的PTC热敏电阻处温度分布；进而与PTC热敏电阻居里温度分布对比分析，可得不同牌号硅钢片制成铁心变压器后对应的误保护概率。图6为改换成不同牌号硅钢片后对应的保护特性曲线图。可以算得改换成不同牌号的硅钢片后，误保护概率分别降为1.88×10-12、3.33×10-16。

4 结束语

通过搭建电能表电源回路的Saber仿真模型以及电能表整机的有限元仿真模型，结合实测与仿真数据分析了电能表电源回路的保护特性及其误保护概率。并通过变压器铁损优化有效降低智能电能表电源回路的误保护概率，提高了保护特性。

(1)基于Saber的智能电能表电源回路的电路仿真。利用Saber搭建电能表电源回路仿真模型，实测了一批变压器各绕组电参数，并代入仿真电路进行电路仿真，仿真结果与实测数据对比分析，变压器损耗的仿真误差为8.5%；

(2)基于ANSYS Icepak的智能电能表整机的热仿真。利用Altium Desiner、Solidworks以及ANSYS Workbench建立智能电能表整机3D模型，并将电能表整机3D模型置于ANSYS Icepak进行热仿真。将仿真结果与实测结果比较，环境温度22℃时热敏电阻处温度的仿真误差为1.43%；

(3)针对引起热敏电阻误保护的可变因素进行优化。变压器铁损方面，通过改换不同牌号的硅钢片，降低变压器损耗，进而降低热敏电阻误保护的概率，分别降低为1.88×10-12、3.33×10-16。