工频磁场对单相电能表的影响20130724

工频磁场对单相电能表的影响谢永明，李英莲（华立仪表集团股份有限公司，浙江杭州310023）摘要：针对单相电能表在0.5mT工频磁场干扰下存在误计量的问题，分析其主要原因在于工频磁场在电能表电流采样回路上产生了大于电能表起动的感应电流。对此，本文通过定量分析0.5mT工频磁场的影响量，根据磁通在交错的环中产生的感应电压是可抵消的，提出在不改变原有电路设计基础上，仅通过对分流器穿孔及改变双绞线焊接方式，来减小电能表电流采样回路上的感应电流。经外部工频磁场影响试验测试证明了该方法的可行性。关键词：0.5mT工频磁场；电流采样回路；感应电流；分流器；双绞线PowerFrequencyMagneticFieldEffectsonSinglePhaseElectricityMeterXieYong-ming,LiYing-lian（HolleyMeteringLTD,Hangzhou310023，zhejiang,China）Abstract:Regardingthemeasurementerrorproblemexistsinthesinglephaseelectricitymeterunderthe0.5mTpowerfrequencymagneticfieldinterference,thispaperconcludesthemainreasonisthatthecurrentgeneratedbythepowerfrequencymagneticfieldislargerthanthestartcurrentinthecurrentsamplingcircuitofelectricitymeter.Thispaperanalyzesquantitativelythevalueinterferedbythe0.5mTpowerfrequencymagneticfield,basedonthetheoryof“theinducedvoltagegeneratedbymagneticfluxinthealternatingloopoffsetseachother,andproposesthemethodofonlyperforatingtheshuntandchangingtheweldingpositionoftwisted-paircabletoreducetheinducedcurrentinthecurrentsamplingcircuit,butnotchangingtheoriginalcircuitdesign.Actualexperimentsintheexternalpowerfrequencymagneticfielddemonstrationprovedthefeasibilityofthismethod.Keywords:0.5mTpowerfrequencymagneticfield;Currentsamplingcircuit;Inducedcurrent;Shunt;Twistedpair0引言电能表工作现场常因安装和布线不合理，使电能表处于空间工频磁场中，引起误计量，给用户带来额外的电费。为保证电能表在现场复杂的工频磁场环境中可靠工作，2013年国网新标准Q/GDW1364-2013（代替Q/GDW364-2009）新增了一条：“0.5mT工频磁场无负载，电能表电压线路通以115%Un，电流回路无电流，将0.5mT工频磁场施加在电能表受磁场影响最敏感处，在20倍的理论起动时间内电能表不应产生多于一个的脉冲输出”[1]。工频磁场对电能表的影响主要是工频磁场产生的磁通在电能表的电流采样回路中产生感应电动势，使电能表误计量。最不利的方向即最敏感处为电磁场与电能表电流测量回路正交方向[2]。尤其是单相电能表采用分流器采样，电流采样信号小，容易受干扰。那么为什么会选用磁感应强度为0.5mT的工频磁场对电能表进行试验，其对电流测量回路的具体影响量有多少？怎样才能减小这些影响量？本文针对分流器采样的单相电能表进行了讨论（以下未特殊说明，电能表特指分流器采样的单相电能表）。10.5mT工频磁场的产生电能表安装到现场后，L、N上接额定电压，电能表处于工作状态，在电流线路无电流的情况下，若电能表附近有一根大电流线路靠近电能表时，如图1所示，对电能表测量会造成怎样的影响呢？首先介绍一下电能表测量的原理：电能表通过计量芯片采集输入电能表的电压信号和电流信号，并将采集到的信号变换成数字信号进行运算处理并输出显示。其中电压线路通过电阻分压采样；电流线路通过分流器电阻采样。由于电压线路采样信号比较大(几百mV)，故工频磁场对电压采样回路的影响可以忽略。而电能表的计量芯片一般采用集成芯片，所以受工频磁场的影响小。且电能表内传输的信号都是数字信号，因此工频磁场对控制和输出显示部分的影响小。而采用分流器采样的电流线路信号很小，对起动电流的采样只有几µV，故工频磁场产生的感应电流很容易大于电能表的起动电流（通常折算后为几十毫安），因此，本文主要研究工频磁场对分流器电流采样回路的影响。图1大电流对电能表的影响Fig.1Largecurrent’sinfluenceontheelectricitymeter如图1所示。当大电流线距电能表分流器距离为r，根据右手螺旋定则，可得感应磁场方向。最不利的情况是分流器与大电流线平行，即分流器采样电阻全部正交感应磁场。下面我们分析在最不利情况下该感应磁场产生的磁感应强度。根据安培环路定理[3－4]：IldHl（1）式中：H－磁场中某点A处的磁场强度；ld－磁场中A点附近沿曲线微距离矢量；I－闭合曲线所包围的电流代数和。其中：HrHlldHl2INI式中：r－闭合路径半径；N－线圈匝数。则：rINH2＝（2）由于磁感应强度HB＝，式中µ为磁导率，且分流器的磁导率和真空磁导率大致相同，即µ=mH70104,那么：rINHHB200＝（3）因此，分流器处磁感应强度与干扰电流成正比，与距分流器距离成反比。由于电能表内部的分流器距安放电能表表箱的最小安装距离约为40㎜，而工作在电能表外部的大电流走线不大于100A，且N＝1，则：mTB5.01040210010437因此，0.5mT工频磁场的产生在现场中可以视为100A电流线路以40mm安装距离靠近电能表电流采样分流器的情况。那么当电能表工作在0.5mT工频磁场中时，它在测量电路的电流采样回路上产生多大的折算后的感应电流呢？下面我们对此进行详细的分析。2工频磁场对电流采样回路的影响工频磁场对电能表电流采样回路的影响如图2所示，我们主要研究电磁场与被测电能表测量回路正交的情况。图中分流器与电路板之间的连线，我们采用双绞线。使用的双绞线比较短且两根线紧密的扭绞在一起，将其扭绞成偶数环，则相邻环中产生的感应电压的极性相反，在每根导线上的感应电流是相互抵消的[5]；再加上计量芯片为差分输入，所以图2中的双绞线基本不受工频磁场的影响。因此，电流采样回路上被干扰的主要是图2中S1、S2、S3三块面积组成的闭合环路。工频磁场在该闭合环路中产生的感应电压可根据式（4）电磁感应定律[3]求出。dtdBNAdtdNeu（4）式中：N－线圈匝数；A－磁通通过的截面积；B－磁感应强度。如图2所示，截面积A主要由三部分组成S1、S2、S3。其中S1为分流器电流采样电阻部分，我们认为该面积内磁场是均匀的，故该区域磁场闭合回路包围的面积为S1/2，则：3212sssA（5）图3中，S1、S2、S3均为一匝线圈，即N＝1，设tBBsin20＝，代入式（4）有dttBdsssu)sin(2)2(0321（6）图2工频磁场对电流采样回路的影响Fig.2Powerfrequencymagneticfield’sinfluenceonthecurrentsamplingcircuit由于计量芯片内阻通常10K，远远大于采样电阻、双绞线和匹配电阻之和，故工频磁场在整个闭合回路中产生的感应电动势可认为全部集中在计量芯片上。由工频磁场感应出来的电压被计量芯片误认为是电流流过采样电阻产生的电压。如果令S1上采样电阻值为R1，则根据欧姆定律可得折算后的电流值为：tBRsssdttBdRsssRuicos2)2()sin(2)2(01321013211（7）其有效值为：01321)2(BRsssIrms＝（8）由式（8）可见，在工频磁场的影响下，采样电阻越小，电路中产生的感应电流越大；测量电路的闭合回路面积越大，产生的折算后的感应电流也越大。假设电能表工作频率为50Hz、基本电流Ib=5A、采样电阻R1=250µΩ、S1＝100㎜2、S2=S3=15㎜2，工作在工频磁场B0＝0.5mT时，计量芯片采样到的电流有效值为：mAIrms24.5010250105.05021080636因此该电能表长时间放入0.5mT工频磁场中时，产生了大于4‰Ib（20mA)电能表启动电流，电能表将输出电能脉冲。通过以上分析，结合公式（8）可知，只有减小测量电路的闭合回路面积或提高采样电阻值，才可减小0.5mT工频磁场对电能表的影响。对于电能表来说，要减小0.5mT工频磁场对电能表的影响，提高采样电阻是不可行的。因为当电能表通过大电流（一般为60A或100A）时，分流器上采样电阻会因自热引起误差变大，影响电能表正常工作。在电能表设计时，采样电阻值一般定为100~350uΩ。因此本文主要讨论通过减小电流采样回路面积来改善0.5mT工频磁场对电能表的影响。3电流采样回路改进设计如图2所示，电流采样回路中面积最大的是S1，它越小，则受工频磁场影响越小，但S1面积太小，在电能表过大电流时，其自热和散热问题影响更严重；对于S2和S3，由于需要焊接双绞线，在生产时它的面积不可能太小，特别是S3，它在电路板上的面积是不可变的。由式（8）可知，当采样电阻选250µΩ时，闭合回路面积必须小于32㎜2才可满足要求。因此我们不能只是简单的通过缩小每个区域的面积来解决工频磁场的影响。通过对图2进行分析和研究后发现S2和S3分别接在双绞线两端，它们是两个独立的面积，且它们的面积大小相近，我们可以根据磁通在交错的环中产生的感应电压是可抵消的，使S2上产生与S3大小相等方向相反的感应电压，达到影响量相互抵消的目的。那么只要交叉双绞线在S2或S3上的焊接即可。为方便焊接，我们交叉双绞线在电路板上的焊接，如图3所示。虽然双绞线焊接在功能板上时，线与线之间的空间难以控制，但PCB板上匹配电阻的面积是不变的，所以S2与S3上产生的感应电压大部分被抵消。图3电流采样回路改进设计Fig.3Currentsamplingcircuitimprovementdesign另外，考虑到采样电阻S1面积比较大，它是S2、S3面积的5、6倍。那么，我们是否可以利用上面的方法使S1自我抵消？因此，我们想到将S1中间开一个孔，如图3所示，双绞线从孔中穿过，形成两个交错的回路，使工频磁场在S1上产生二个大小相等方向相反的感应电压，使S1不再受工频磁场影响。因此，在不改变电能表电路设计的基础上，将电流采样电路按图3修改后，式（4）中的截面积A从几十变成几个㎜2，计量芯片采样到的电流有效值也从几十变成几个mA，远小于电能表能检测到的启动电流。4实验验证我们将更改设计前、后的两个同型号、同规格的电能表同时挂接在能提供0.5mT均匀工频磁场的ZHZ－26型外磁场影响试验装置中，如图4所示，图中未更改的电能表在左边，更改过的电能表在右边。实验选用DDZY285，规格为220V，5（60）A，常数1200imp/kWh的电能表。同时给两个电能表通253V(115%Un)电压，在电流回路不通电流情况下，使其旋转在0.5mT工频磁场中5小时(20倍的理论起动时间）。图左边的电能表不到6分钟就有计量脉冲输出，图右边的电能表在整个测试过程中