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1、II型采集器接入电力系统对电能表的影响分析摘要：低压电力载波通信技术在用电信息采集系统建设过程中起了至关重要的作用，特别是是农网的用电 信息采集系统的建设，载波通信常常采用II型采集器和智能电能表的采集模式。II型采集的设计过程中， 通常采用硅钢变压器作为电源模块的关键器件，但设计过程中往往忽略了采集器可能对电能表产生的干 扰，特别是在电能表在无负荷的情况下产生小电流，会造成电能表的计量不准。本文从II型采集器的结 构原理及锰铜采样电能表的工作原理出发，分析了 II型采集器对电能表计量准确度的影响原因，提出了 对II采集器及电能表的改进建议，并对现场安装方式提出了建议，避免采集器对电能表产生干
2、扰。关键词：II型采集器、变压器漏磁、锰铜分流器、0前言自2010年以来，作为国家电网公司智能电网 第一个全面普及的工程，电力用户用电信息采集系 统在国网范围内大规模展开。用电信息采集系统要 求实现全覆盖、全采集、全费控的基本建设目标， 系统建设要求实现覆盖全部电力用户，满足各类营 销业务要求，满足公司各级各部门经营管理的要 求。用电信息采集系统主要包括主站软件、远程通 信网络、采集终端等部分，低压电力载波通信技术 在系统建设过程中起了很大作用，而II型采集器 是完成电能表与集中器载波通信的关键设备。我们 在对II型采集器进行全性能检测过程中，偶然发 现工作中的II型采集器会导致电能表在无负荷
3、的 情况下出现正反向小电流，造成电能表计量不准。 为避免这种情况在现场安装过程中出现，笔者在实 验室通过一系列的试验并从理论上进行了分析，找 出了这种现象出现的原因，并给出了现场安装建 议，并提出了 II型采集器及智能电能表的改进意 见。1 II型采集器介绍II型采集器主要由电源电路、下行RS485通信 电路、上行载波通信电路、MCU处理器电路和红外 通信电路等模块组成，结构框图如图1所示。上行 通道采用低压电力线载波通信方式与集中器进行 通信，下行通道采用RS485与智能电能表通信。电能表为控制II型采集器的成本，II型采集器的电 源模块常常采用降压、整流、稳压的方式来实现， 电源模块结构如
4、图2所示。设计中常常采用硅钢片 叠制而成的铁芯变压器作为降压变压器，如图3所 示，电源输入经过降压变压器后，获得10V左右的 交流电压，然后通过桥式整流电路转换为直流，最 后通过稳压芯片获得5V或3.3V的工作电压。)C ,J I|.图2电源模块结构框图图3硅钢片变压器实物2影响原因分析为找出II型采集器对电能表产生干扰的原因, 我们从下列二个方面进行分析：1) II型采集器电源端对电能表影响分析；2) II型采集器内部变压器漏磁对电能表影响 分析。2.1 II型采集器电源端对电能表的影响分析由于II型采集需要市电供电且载波电路也需要 接入市电，因此现场安装过程中II采集器的电源 端口 1和2
5、分别连接于电能表的1、3 口，如图4 所示。图1 II型采集器结构图图4电能表和采集器等效图从图4可以看出，线路总电流I = I +1 +1 ,L S C其中I为用户负载电流，I为电表消耗电流，ILSC为II型采集器消耗的电流。由于电能表内部工作 电压和II型采集器的工作电压，取至锰铜采样的 前级，所以电表自身工作产生的功耗电流I并不通S过计量回路（不通过锰铜分流器），也就是说电能 表内部功耗（包括计量、显示、通信所需的功耗） 和采集器的功耗不会计入用户电量，而是由线路损 耗承担。通过以上分析可见，采集器的自身功耗不会影 响电能表的计量，II采集器的电源端口 1和2分 别连接于电能表的1、3
6、口不会增加电能表的计量。 可以排除II型采集器电源端安装在电能表电压端 对电能表的影响。2.2 II型采集器内部变压器漏磁对电能表影响分析1）变压器漏磁分析2变压器的漏磁通是指未经过铁芯闭合的部分 磁通，不论铁芯采用哪一种铁磁性材料，因材料的 磁导率限制及压制工艺，漏磁是不可避免的，尤其 是II型采集器使用的电源变压器，铁芯常常采用 图5所示的EI型硅钢片叠成。在E型与I型铁芯 的结合处将产生空气隙，因空气隙的磁阻远大于铁 芯的磁阻，电磁感应产生的磁力线在通过空气隙 时,不可避免地会产生图6所示的扭曲变形和泄漏。 因此，实际变压器的磁力线的泄漏是不可避免的。图6铁芯空气隙产生的漏磁在磁介质中，
7、此场强度H（A/m）、磁通密度B（T） 和介质的磁导率之间的关系为：(21)式中:卩：磁介质的相对磁导率 r巴二4兀x 10-7:真空的磁导率由安培环路定律可知:H L = N 、辽Ierms(22)式中：L :变压器铁心有效磁路长度（m）eI :变压器线圈电流有效值rmsN：变压器线圈的匝数。 将（22）式代入（2T）式可得：卩卩N J2Ir ormsLe(T)(23)由于变压器铁芯气隙的存在，则式（2-3）中的有效磁路长度L = L + L，e g式中：L :空气气隙长度gL :磁芯磁路长度距离变压器C处的漏磁通的B的大小在文献2中给出了，伶（L1 ）B = KK -g + -B（2-4）
8、011 L卩丿r式中：K :系数，修正与铁芯、绕线的螺距、绕组的排列方式及结构有关的影响量；K :修1正系数。2）智能电能表计量原理智能电能表通过准确地提取用户侧的电压、电 流信号，经中央处理器的运算完成电能计量。电压 信号普遍采用精密电阻分压的方式实现信号的变 换，电流信号常常采用锰铜分流式电流传感器的方 式实现信号变化4锰铜分流器其本质为一种阻抗很小的精密电 阻，串接在待测电流信号回路中，当锰铜分流器上 有电流信号通过时，利用欧姆定律：AU7二i X R （增加电能计量公式，后面增加磁 感应后的公式）通过测量分流器两端上的电压降AU7，如图7所示，就可以完成电流信号的转换和测量。图7锰铜采
9、样回路3）变压器漏磁对锰铜采样的影响分析当II型采集器安装于电能表左侧时，锰铜采 样回路就可以看作与II型采集器的距离为C的感 应线圈，匝数为1,面积为S,如图7中的等效线 圈所示。由法拉第电磁感应定律可知：当变化的磁力线 穿过一个闭合线圈时就会在线圈内产生感应电动 势，文献2给出了距离变压器C处、面积为S的 感应线圈的感应电压的公式，即图7中锰铜采样线 圈中的感应电压：（L1 ）K - K - K - n - S - N + I.，.-12（ L 卩丿 diAu 二芯 2亠 rmsC - Ldte（2-6）式中：K :修正系数，距离C处的漏磁通只2有部分进入线圈，用K修正2n:闭合线圈的匝数
10、，本文中为1；S：闭合线圈包围的面积（m 2 ）。如公式2-6所示，电能表内部的锰铜采集回路 的面积S越大，Au越大；变压器距离电能表的距 离C越小，Au越大，对电能表的影响越大。4）试验分析通过上面理论分析，初步确定由于采集器的漏 磁导致电能表在无负荷的情况下出现正反向小电 流，为验证这一结论并提出相应的改进措施，本文 选择了 21家不同生产厂家的II型采集器，分别完 成了采集器侧面漏磁大小的测试、采集器与电能表 的距离对电能表显示电流影响测试，测试结果如表 1所示。由表1中可见，随着距离由0cm增加到10cm, 漏磁通的大小也逐渐减小，对电能表的干扰也随着 距离的增加而消失。表中可见6个厂
11、家的采集器对电能表没有造成 影响。拆开采集器分析，采集器内部的变压器安装 方式不同，导致锰铜采样回路中获得的漏磁通大小 不同。这6个厂家II型采集器的变压器线圈方向 如图8中的箭头所示，故侧面的漏磁较小，而电能 表安装在采集器的右侧，所以没有对电能表造成影 响。影响较大的II型采集器的内部变压器线圈方向 如图9中箭头所示，影响最大的漏磁方向平行于箭 头方向，在电能表内部的锰铜电流采集回路感应的 电流较大，故影响较大。采集器为部电路采集器內部电路匡钢娈器硅钢变压器图8线圈方式1图9线圈方式2表1采集器漏磁对电能表的影响采集器漏磁对电能表的影响厂家不同距离下的磁场强度（A/m）紧贴表时电能表 显示
12、的电流（A）无影响时的最小 距离（cm）0cm2 cm4cm6cm8 cm10cm16.604.603.202.602.001.500.0242.0025.984.503.202.301.601.200.0211.0037.505.203.702.501.801.30-0.0210.5043.602.902.001.401.000.700.0181.0058.006.204.403.202.201.50-0.0201.0069.106.805.103.602.601.80-0.0231.5070.460.690.600.400.300.150.000083.102.401.601.100.70
13、0.400.000093.302.501.801.100.800.500.0000103.002.301.501.000.700.500.0000114.603.302.401.501.100.80-0.0201.00127.805.604.102.902.001.400.0242.00136.905.603.802.601.901.300.0180.50148.006.004.203.002.201.50-0.0201.00155.904.002.801.501.200.800.0180.50167.705.403.502.501.901.30-0.0211.50178.204.303.802.201.901.20-0.0211.00181.801.401.100.800.500.300.0000191.101.000.900.600.400.300.0000206.804.102.802.001.401.00-0.0201.00采集器漏磁对电能表的影响厂家不同距离下的磁场强度（A/m）紧贴表时电能表 显示的电流（A）无影响时的最小 距离（cm）0cm2 cm4cm6cm8 cm10cm219.005.703.902.802.101.40-0.0242.00
