1、工頻磁場對單相電能表的影響謝永明，李英蓮（華立儀表集團股份有限公司，浙江杭州310023）摘要：針對單相電能表在0.5mT工頻磁場干擾下存在誤計量的問題，分析其主要原因在于工頻磁場在電能表電流采樣回路上產(chǎn)生了大于電能表起動的感應(yīng)電流。對此，本文通過定量分析0.5mT工頻磁場的影響量，根據(jù)磁通在交錯的環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是可抵消的，提出在不改變原有電路設(shè)計基礎(chǔ)上，僅通過對分流器穿孔及改變雙絞線焊接方式，來減小電能表電流采樣回路上的感應(yīng)電流。經(jīng)外部工頻磁場影響試驗測試證明了該方法的可行性。關(guān)鍵詞：0.5mT工頻磁場；電流采樣回路；感應(yīng)電流；分流器；雙絞線PowerFrequencyMagneticF

2、ieldEffectsonSinglePhaseElectricityMeterXieYong-ming,LiYing-lian(HolleyMeteringLTD,Hangzhou310023,zhejiang,China)Abstract:Regardingthemeasurementerrorproblemexistsinthesinglephaseelectricitymeterunderthe0.5mTpowerfrequencymagneticfieldinterference,thispaperconcludesthemainreasonisthatthecurrentgener

3、atedbythepowerfrequencymagneticfieldislargerthanthestartcurrentinthecurrentsamplingcircuitofelectricitymeter.Thispaperanalyzesquantitativelythevalueinterferedbythe0.5mTpowerfrequencymagneticfield,basedonthetheoryoftheinducedvoltagegeneratedbymagneticfluxinthealternatingloopoffsetseachother",and

4、proposesthemethodofonlyperforatingtheshuntandchangingtheweldingpositionoftwisted-paircabletoreducetheinducedcurrentinthecurrentsamplingcircuit,butnotchangingtheoriginalcircuitdesign.Actualexperimentsintheexternalpowerfrequencymagneticfielddemonstrationprovedthefeasibilityofthismethod.Keywords:0.5mTp

5、owerfrequencymagneticfield;Currentsamplingcircuit;Inducedcurrent;Shunt;Twistedpair0引言電能表工作現(xiàn)場常因安裝和布線不合理，使電能表處于空間工頻磁場中，引起誤計量，給用戶帶來額外的電費。為保證電能表在現(xiàn)場復(fù)雜的工頻磁場環(huán)境中可靠工作，2013年國網(wǎng)新標準Q/GDW1364-2013（代替Q/GDW364-2009）新增了一條：“0.5mT工頻磁場無負載，電能表電壓線路通以115%Un,電流回路無電流，將0.5mT工頻磁場施加在電能表受磁場影響最敏感處，在20倍的理論起動時間內(nèi)電能表不應(yīng)產(chǎn)生多于一個的脈沖輸出”1。

6、工頻磁場對電能表的影響主要是工頻磁場產(chǎn)生的磁通在電能表的電流采樣回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使電能表誤計量。最不利的方向即最敏感處為電磁場與電能表電流測量回路正交方向2。尤其是單相電能表采用分流器采樣，電流采樣信號小，容易受干擾。那么為什么會選用磁感應(yīng)強度為0.5mT的工頻磁場對電能表進行試驗，其對電流測量回路的具體影響量有多少？怎樣才能減小這些影響量？本文針對分流器采樣的單相電能表進行了討論（以下未特殊說明，電能表特指分流器采樣的單相電能表）。10.5mT工頻磁場的產(chǎn)生電能表安裝到現(xiàn)場后，L、N上接額定電壓，電能表處于工作狀態(tài)，在電流線路無電流的情況下，若電能表附近有一根大電流線路靠近電能表時，如

7、圖1所示，對電能表測量會造成怎樣的影響呢？首先介紹一下電能表測量的原理：電能表通過計量芯片采集輸入電能表的電壓信號和電流信號，并將采集到的信號變換成數(shù)字信號進行運算處理并輸出顯示。其中電壓線路通過電阻分壓采樣；電流線路通過分流器電阻采樣。由于電壓線路采樣信號比較大（幾百mV）,故工頻磁場對電壓采樣回路的影響可以忽略。而電能表的計量芯片一般采用集成芯片，所以受工頻磁場的影響小。且電能表內(nèi)傳輸?shù)男盘柖际菙?shù)字信號，因此工頻磁場對控制和輸出顯示部分的影響小。而采用分流器采樣的電流線路信號很小，對起動電流的采樣只有幾加，故工頻磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流很容易大于電能表的起動電流（通常折算后為幾十毫安），因此，本

8、文主要研究工頻磁場對分流器電流采樣回路的影響。圖1大電流對電能表的影響Fig.1Largecurrentsirifluenceontheelectricitymeter如圖1所示。當大電流線距電能表分流器距離為r,根據(jù)右手螺旋定則，可得感應(yīng)磁場方向。最不利的情況是分流器與大電流線平行，即分流器采樣電阻全部正交感應(yīng)磁場。下面我們分析在最不利情況下該感應(yīng)磁場產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。根據(jù)安培環(huán)路定理341.qHd：=£I(1)i式中：H磁場中某點A處的磁場強度;dl磁場中A點附近沿曲線微距離矢量；ZI閉合曲線所包圍的電流代數(shù)和。其中：,Hd：=Hl=2二rHl'I=IN式中：r閉合路徑半

9、徑；N線圈匝數(shù)。則：H=2二r由于磁感應(yīng)強度B=H，式中科為磁導(dǎo)率,且分流器的磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率大致相同，即尸飛=4nM10，H/m,那么：B=JH=0H=%IN(3)因此，分流器處磁感應(yīng)強度與干擾電流成正比，與距分流器距離成反比。由于電能表內(nèi)部的分流器距安放電能表表箱的最小安裝距離約為40mm,而工作在電能表外部的大電流走線不大于100A,且N=1,則：4二10100_3-2二4010=0.5mT因此，0.5mT工頻磁場的產(chǎn)生在現(xiàn)場中可以視為100A電流線路以40mm安裝距離靠近電能表電流采樣分流器的情況。那么當電能表工作在0.5mT工頻磁場中時，它在測量電路的電流采樣回路上產(chǎn)生多大的折算后

10、的感應(yīng)電流呢？下面我們對此進行詳細的分析。2工頻磁場對電流采樣回路的影響工頻磁場對電能表電流采樣回路的影響如圖2所示，我們主要研究電磁場與被測電能表測量回路正交的情況。圖中分流器與電路板之間的連線，我們采用雙絞線。使用的雙絞線比較短且兩根線緊密的扭絞在一起，將其扭絞成偶數(shù)環(huán)，則相鄰環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的極性相反，在每根導(dǎo)線上的感應(yīng)電流是相互抵消的；再加上計量芯片為差分輸入，所以圖2中的雙絞線基本不受工頻磁場的影響。因此，電流采樣回路上被干擾的主要是圖2中S1、S2、S3三塊面積組成的閉合環(huán)路。工頻磁場在該閉合環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可根據(jù)式(4)電磁感應(yīng)定律3求出。zddB/、u=-e=N=NA(4

11、)dtdt式中：N線圈匝數(shù)；A-磁通通過的截面積；B磁感應(yīng)強度。如圖2所示，截面積A主要由三部分組成S1、S2、S3。其中S1為分流器電流采樣電阻部分，我們認為該面積內(nèi)磁場是均勻的，故該區(qū)域磁場閉合回路包圍的面積為S1/2,則：Si.、A=+s2+s3(5)2圖3中，S1、S2、S3均為一匝線圈，即N=1,設(shè)B=J2BoSli!8t,代入式(4)有聲、2d(BoSint)u=(-+s2+即父(6)圖2工頻磁場對電流采樣回路的影響2dtFig.2Powerfrequencymagneticfieldsinfluenceonthecurrentsamplingcircuit由于計量芯片內(nèi)阻通常&g

12、t;10K,遠遠大于采樣電阻、雙絞線和匹配電阻之和，故工頻磁場在整個閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可認為全部集中在計量芯片上。由工頻磁場感應(yīng)出來的電壓被計量芯片誤認為是電流流過采樣電阻產(chǎn)生的電壓。如果令S1上采樣電阻值為R1,則根據(jù)歐姆定律可得折算后的電流值為：u弓電&)2d(Rsin，t)i='RRdt(*+&)_=-2Bo-costR其有效值為：U,s2s3)IrmT-2ZMBo8(8)R1由式(8)可見，在工頻磁場的影響下，采樣電阻越小，電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大；測量電路的閉合回路面積越大，產(chǎn)生的折算后的感應(yīng)電流也越大。假設(shè)電能表工作頻率為50Hz、基本電流Ib=5A

13、、采樣電阻R1=250a、S1=100mm2、S2=S3=15mm2,工作在工頻磁場B0=0.5mT時，計量芯片采樣到的電流有效值為：1rms一一一6一一一_一二80102二500.510=50.24mA25010上因此該電能表長時間放入0.5mT工頻磁場中時，產(chǎn)生了大于4%oIb(20mA)電能表啟動電流，電能表將輸出電能脈沖。通過以上分析，結(jié)合公式(8)可知，只有減小測量電路的閉合回路面積或提高采樣電阻值，才可減小0.5mT工頻磁場對電能表的影響。對于電能表來說，要減小0.5mT工頻磁場對電能表的影響，提高采樣電阻是不可行的。因為當電能表通過大電流(一般為60A或100A)時，分流器上采樣

14、電阻會因自熱引起誤差變大，影響電能表正常工作。在電能表設(shè)計時，采樣電阻值一般定為100350ua。因此本文主要討論通過減小電流采樣回路面積來改善0.5mT工頻磁場對電能表的影響。3電流采樣回路改進設(shè)計如圖2所示，電流采樣回路中面積最大的是S1,它越小，則受工頻磁場影響越小，但S1面積太小，在電能表過大電流時，其自熱和散熱問題影響更嚴重；對于S2和S3,由于需要焊接雙絞線，在生產(chǎn)時它的面積不可能太小，特別是S3,它在電路板上的面積是不可變的。由式（8）可知，當采樣電阻選250d時，閉合回路面積必須小于32mm2才可滿足要求。因此我們不能只是簡單的通過縮小每個區(qū)域的面積來解決工頻磁場的影響。通過對

15、圖2進行分析和研究后發(fā)現(xiàn)S2和S3分別接在雙絞線兩端，它們是兩個獨立的面積，且它們的面積大小相近，我們可以根據(jù)磁通在交錯的環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是可抵消的，使S2上產(chǎn)生與S3大小相等方向相反的感應(yīng)電壓，達到影響量相互抵消的目的。那么只要交叉雙絞線在S2或S3上的焊接即可。為方便焊接，我們交叉雙絞線在電路板上的焊接，如圖3所示。雖然雙絞線焊接在功能板上時，線與線之間的空間難以控制，但PCB板上匹配電阻的面積是不變的，所以S2與S3上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大部分被抵消。圖3電流采樣回路改進設(shè)計Fig.3Currentsamplingcircuitimprovementdesign另外，考慮到采樣電阻S1面積比

16、較大,它是S2、S3面積的5、6倍。那么，我們是否可以利用上面的方法使S1自我抵消？因此，我們想到將S1中間開一個孔，如圖3所示，雙絞線從孔中穿過，形成兩個交錯的回路，使工頻磁場在S1上產(chǎn)生二個大小相等方向相反的感應(yīng)電壓，使S1不再受工頻磁場影響。因此，在不改變電能表電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，將電流采1電路按圖3修改后，式（4）中的截面積A從幾十變成幾個則2,計量芯片采樣到的電流有效值也從幾十變成幾個mA,遠小于電能表能檢測到的啟動電流。4實驗驗證我們將更改設(shè)計前、后的兩個同型號、同規(guī)格的電能表同時掛接在能提供0.5mT均勻工頻磁場的ZHZ26型外磁場影響試驗裝置中，如圖4所示，圖中未更改的電能表在左

17、邊，更改過的電能表在右邊。實驗選用DDZY285,規(guī)格為220V,5（60）A,常數(shù)1200imp/kWh的電能表。同時給兩個電能表通253V（115%Un）電壓，在電流回路不通電流情況下，使其旋轉(zhuǎn)在0.5mT工頻磁場中5小時（20倍的理論起動時間）。圖左邊的電能表不到6分鐘就有計量脈沖輸出，圖右邊的電能表在整個測試過程中沒產(chǎn)生一個計量脈沖。實驗證明，按圖3更改過的電能表滿足實驗要求。圖4工頻磁場影響實驗Fig.4Theinfluenceofpowerfrequencymagneticfieldexperiment5結(jié)束語本文是在分析0.5mT工頻磁場對電能表具體影響因素的基礎(chǔ)上，提出通過減小

18、電能表電流采樣閉合回路面積的方法來提高電能表抗干擾能力，根據(jù)磁通在交錯的環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是可抵消的，并通過分流器穿孔設(shè)計和改變雙絞線焊接的位置，實現(xiàn)在不改變電路板原來設(shè)計的基礎(chǔ)上解決0.5mT工頻磁場的影響問題。最后通過對比實驗證明，該方法有效的提高了電能表抗工頻磁場干擾能力，滿足設(shè)計要求。參考文獻1國家電網(wǎng)公司，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW1364-2013S.中國電力出版社，2013.2周碧紅，石雷兵，韓志強，江習(xí).工頻外磁場對電子式電能表的影響J.上海計量測試，2011，(226):50-53.ZhouBigongShiLeibing,HanZhijiangJiangXi.OutsidethepowerfrequencymagneticfieldeffectontheelectronicElectricityMetersJ.Shanghaimeasurementan