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SOLUTION

基于可控硅的不停電換表輔助裝置TBD101

智能電能表是電網(wǎng)電量數(shù)據(jù)采集重要基礎(chǔ)設(shè)備，是公平、公開電力交易的基礎(chǔ)。根據(jù)《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，必須對(duì)在運(yùn)行的電能計(jì)量裝置進(jìn)行定期抽檢，抽檢后不合格率達(dá)到閾值時(shí)就要進(jìn)行批量更換。隨著雙碳目標(biāo)的落實(shí)，對(duì)電能計(jì)量也提出了更新的要求，需更換新技術(shù)的電能表。現(xiàn)場(chǎng)大量的更換給運(yùn)維人員帶來了很大的工作量，為了保障運(yùn)維人員安全，一般規(guī)程都要求進(jìn)行停電更換。頻繁的停電換表作業(yè)影響到部分用戶正常用電，甚至?xí)?dǎo)致個(gè)別用戶大量的經(jīng)濟(jì)損失，引起的相關(guān)投訴居高不下。

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智能電能表是電網(wǎng)電量數(shù)據(jù)采集重要基礎(chǔ)設(shè)備，是公平、公開電力交易的基礎(chǔ)。根據(jù)《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，必須對(duì)在運(yùn)行的電能計(jì)量裝置進(jìn)行定期抽檢，抽檢后不合格率達(dá)到閾值時(shí)就要進(jìn)行批量更換。隨著雙碳目標(biāo)的落實(shí)，對(duì)電能計(jì)量也提出了更新的要求，需更換新技術(shù)的電能表?，F(xiàn)場(chǎng)大量的更換給運(yùn)維人員帶來了很大的工作量，為了保障運(yùn)維人員安全，一般規(guī)程都要求進(jìn)行停電更換。頻繁的停電換表作業(yè)影響到部分用戶正常用電，甚至?xí)?dǎo)致個(gè)別用戶大量的經(jīng)濟(jì)損失，引起的相關(guān)投訴居高不下。

經(jīng)過調(diào)研以及資料查詢，目前國(guó)內(nèi)不少電網(wǎng)公司都已研制了不停電換表輔助裝置，但是都有一定的局限性，一種是帶不停電換表模塊的新型表箱，這類裝置通過在傳統(tǒng)表箱中加入不停電換表底板模塊，以此實(shí)現(xiàn)不停電換表功能。這類裝置需要對(duì)整個(gè)表箱進(jìn)行更換的，存在以下缺點(diǎn)：

1）針對(duì)的范圍為新裝電表，對(duì)于存量用戶很少更換新表箱。

2）成本高，如果對(duì)存量用戶批量更換表箱，按浙江省每年更換50萬(wàn)存量表計(jì)，每個(gè)表箱成本約1000元，產(chǎn)生的表箱更換費(fèi)用將達(dá)到5億元。

另一種是耗材型不停電換表裝置，這類裝置通過對(duì)表計(jì)下端導(dǎo)線進(jìn)行短接的方法，實(shí)現(xiàn)不停電換表功能。這類裝置較為簡(jiǎn)便，但存在以下缺點(diǎn)：

1）安全性差，需要進(jìn)行穿刺連接，造成絕緣層的破壞，并且仍然是帶電換表，給換表工作帶來較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）成本高，為耗材型裝置，每更換一個(gè)表都需一定設(shè)備成本。按浙江省每年50萬(wàn)存量表計(jì)更換，每個(gè)裝置成本約20元，每年產(chǎn)生的換表費(fèi)用將達(dá)到1千萬(wàn)元。

3）智能化差，缺少不停電換表期間電量計(jì)量、錯(cuò)相接線診斷、保護(hù)等智能化功能的實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有方案雖然能實(shí)現(xiàn)不停電換表功能，但是在更換表計(jì)時(shí)表計(jì)處仍然帶電，員工的安全風(fēng)險(xiǎn)高，換表輔助設(shè)備成本高，難以滿足國(guó)網(wǎng)公司對(duì)于安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面的要求。

針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)不停電換表方案的局限性，要么需要更換表箱底板，僅適用于新裝用戶，成本較高，要么需要耗材，安全性較低，都沒有得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司以推廣應(yīng)用為目標(biāo)，聯(lián)合南京研旭電氣科技有限公司研制了基于電力電子技術(shù)研制一種不停電安全換表輔助裝置TBD101，解決目前不停電換表存在的漏電保險(xiǎn)跳閘爆炸、錯(cuò)相智能診斷等技術(shù)難題，不僅適用于目前存量用戶，不用更換表箱，而且不需要額外耗材，綜合成本低。TBD101不停電安全換表輔助裝置，真正意義實(shí)現(xiàn)換表用戶不停電，換表操作人員不帶電，具備接線錯(cuò)相智能診斷、保護(hù)等功能，為國(guó)內(nèi)首臺(tái)套，技術(shù)含量高，不但解決生產(chǎn)中不停電換表實(shí)際問題，而且具有良好的推廣前景，滿足國(guó)網(wǎng)公司對(duì)于安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面的要求。

TBD101實(shí)物圖如圖1所示

圖1 TBD101不停電換表輔助裝置實(shí)物圖

TBD101不停電換表輔助裝置的系統(tǒng)拓?fù)渑c原理

圖2 TBD101不停電換表輔助裝置系統(tǒng)拓?fù)湓?/span>

TBD101不停電換表輔助裝置內(nèi)部控制器原理如圖3所示

圖3 TBD101不停電換表輔助裝置控制器原理框圖

TBD101不停電換表輔助裝置內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)如圖4所示

圖4 TBD101不停電換表輔助裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

TBD101不停電換表輔助裝置接入夾具如圖5所示

圖5 TBD101不停電換表輔助裝置接入夾具

TBD101不停電換表輔助裝置夾具安裝示意如圖6所示

圖6 TBD101不停電換表輔助裝置夾具安裝

TBD101不停電換表輔助裝置表箱連接如圖7所示

圖7 TBD101不停電換表輔助裝置表箱連接

TBD101不停電換表輔助裝置操作引導(dǎo)界面如圖8所示

圖8 TBD101不停電換表輔助裝置操作引導(dǎo)界面

TBD101不停電換表輔助裝置應(yīng)用場(chǎng)景如圖9

圖9 裝置應(yīng)用場(chǎng)景

要了解裝置主要工作原理，首先要了解一下目前換表輔助裝置直接旁路法為什么會(huì)失效。

直接旁路換表法的失效分析

直接旁路換表法是比較典型的方法，采用穿刺夾具直接旁路或者通過接入夾具后，在旁路電路上通過交流接觸器來進(jìn)行切換，其典型接法如圖10所示，圖中KK1表示空開， RCD表示剩余電流保護(hù)器，KM表示接觸器 ,負(fù)載為0-1.8kW可調(diào)負(fù)載 ,CT1、CT2、CT3為穿心式電流互感器。

圖10直接旁路換表接線示意圖

實(shí)驗(yàn) ：KK1、RCD、KM 在合位，負(fù)載 250 瓦，分 KM，RCD 有時(shí)跳閘，典型漏電流波形如圖 2所示，有時(shí)不跳閘，如圖3所示。主回路和旁路并聯(lián)通路，分KM時(shí)，主電路產(chǎn)生了漏電流。從圖11波形放大部分可以看出，在分接觸器時(shí)主回路最大剩余電流達(dá)到 1.4A，漏保幾個(gè)毫秒后就跳閘；而同樣工況如圖12所示，分接觸器時(shí)主回路最大剩余電流為 0.22A，由于電流小且持續(xù)時(shí)間比較短（10ms 左右），沒能達(dá)到RCD保護(hù)時(shí)限。反復(fù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在旁路電流接近過零點(diǎn)分閘時(shí)，剩余電流小，反之剩余電流大，跟實(shí)際合閘時(shí)機(jī)有一定關(guān)聯(lián)，重復(fù)多次后剩余電流保護(hù)器還可能爆炸，損毀的剩余電流保護(hù)器如圖13所示。

圖11 RCD跳閘時(shí)剩余電流波形

圖12 RCD沒跳閘時(shí)剩余電流波形

圖13損毀的剩余電流保護(hù)器

由實(shí)驗(yàn)可以看出，在有旁路電路時(shí)，斷開主電路空開，空開分合觸點(diǎn)不同步會(huì)產(chǎn)生漏電流，導(dǎo)致RCD動(dòng)作，有些情況下甚至?xí)?dǎo)致RCD爆炸。通過交流接觸器直接旁路的方法在有RCD的情況下并不適用。

實(shí)驗(yàn)解釋了直接旁路法失效的可能，那為什么漏電保護(hù)器會(huì)爆炸呢，這就要進(jìn)一步對(duì)剩余電流保護(hù)器的工作機(jī)制進(jìn)行分析。

目前，國(guó)內(nèi)低壓配網(wǎng)所使用的漏電保護(hù)器主要為剩余電流保護(hù)器電子式漏電保護(hù)器采用分立元件電路或者集成電路組成電子電路，對(duì)漏電信號(hào)放大、處理比較后，觸發(fā)晶體管開關(guān)電路使漏電保護(hù)器動(dòng)作，其原理如圖14所示。

圖14 剩余電流保護(hù)器原理圖

圖中L為繼電器線圈，得電時(shí)驅(qū)動(dòng)開關(guān)K1斷開，D1為單相全橋整流電路，每個(gè)橋臂用兩只二極管串聯(lián)以提高耐壓，R3、R4為整流電路的輸出負(fù)載，阻值較大，當(dāng)K1合上時(shí)，線圈L上的電流不足1mA,不足以驅(qū)動(dòng)電磁鐵動(dòng)作，此時(shí)用電設(shè)備正常運(yùn)行，線路中電流呈平衡狀態(tài)，如式1，互感器中電流矢量之和為零。電流互感器一次線圈中沒有剩余電流，因此二次線圈也沒有電流，T1、T2為非導(dǎo)通狀態(tài)，L線圈電流不變，電磁鐵不會(huì)動(dòng)作。若發(fā)生漏電時(shí)，漏電電流經(jīng)漏電旁路，而未經(jīng)互感器的一次線圈，致使互感器中出現(xiàn)了剩余電流，如式2。二次線圈感應(yīng)到剩余電流，a、b兩端就有電壓輸出，此電壓觸發(fā)T2導(dǎo)通，C2經(jīng)R6、R5、T2放電，R5上產(chǎn)生電壓，使得T1導(dǎo)通。T1、T2都導(dǎo)通后，相當(dāng)于D1整流輸出經(jīng)兩晶體管短路，L線圈中電流迅速增大，電磁鐵動(dòng)作，K1斷開，D1的輸入側(cè)斷電，剩余電流保護(hù)器在漏電發(fā)生后通過斷開K1將電源切除了。按壓K2相當(dāng)于模擬R2處漏電，R1為壓敏電阻，起到RCD的過壓保護(hù)作用。

在直接旁路換表電路中，如圖10所示，在換表時(shí)，先合上旁路的KM，然后手動(dòng)斷開KK1,在斷開KK1的過程中，KK1的A、B、C、N四個(gè)觸點(diǎn)分合不同步，因?yàn)榕月芬呀?jīng)合上，此時(shí)先行斷開的觸點(diǎn)的電流流經(jīng)旁路，未斷開的觸點(diǎn)依然從主電路流過，對(duì)于RCD而言相當(dāng)于發(fā)生單相對(duì)地短路的漏電流，RCD的執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)動(dòng)作。RCD斷開到切換成旁路供電這段時(shí)間為Ts1，晶體管T1、T2因?yàn)橹麟娐窋嚯姾?，電流迅速減小，關(guān)斷的時(shí)間為Ts2。若Ts1<Ts2時(shí)晶體管T1、T2未能關(guān)斷，旁路供電則已經(jīng)恢復(fù)，盡管RCD中K1已經(jīng)斷開，但是旁路供電使得RCD下端口有電，D1整流輸出電路長(zhǎng)時(shí)間接入T1、T2，線路中電流大，且一直持續(xù)，此時(shí)就會(huì)燒毀L線圈或引起晶體管T1、T2過流爆炸；若Ts1>Ts2時(shí)，晶體管T1、T2成功關(guān)斷，旁路供電后，RCD雖下端口有電，D1整流輸出電路接入的是R3、R4大電阻，電流很小，故不會(huì)損壞RCD。若要避免Ts1<Ts2這種情況，需要改進(jìn)當(dāng)下RCD的設(shè)計(jì)，即K1斷開，RCD動(dòng)作后，就應(yīng)當(dāng)迅速斷開T1、T2，確保T1、T2可靠關(guān)斷。

由以上分析可知，直接旁路電路，因?yàn)榉趾现麟娐分锌臻_，甚至旁路電路中交流接觸器分合時(shí)開關(guān)觸點(diǎn)不同步到位的問題，會(huì)導(dǎo)致主電路中RCD動(dòng)作，此時(shí)已經(jīng)造成用戶處斷電，且掉電時(shí)間肯定超過了10ms，這個(gè)觸點(diǎn)合閘的同步性差異時(shí)間與造成的漏電流大小都是不確定的，因此RCD有時(shí)跳閘有時(shí)不跳閘。當(dāng)RCD跳閘后，若旁路電路繼續(xù)供電，此時(shí)Ts1與Ts2競(jìng)爭(zhēng)，有很大概率發(fā)生RCD爆炸。可見在含RCD的表箱中并不適用直接旁路法進(jìn)行換表。

如果在有效斷開主電路KK1時(shí)，再合閘旁路KM，也就是KK1斷開與合上時(shí)實(shí)際是沒有旁路電路的，此時(shí)不會(huì)有漏電流的發(fā)生。如何在有效斷開KK1時(shí)，瞬時(shí)合上KM？為了使得中間的過程盡可能的短，就需要采用快速檢測(cè)與快速切換開關(guān)。

如何在有旁路的情況下，開關(guān)觸點(diǎn)不同步的情況下，不產(chǎn)生漏電流，如果采用旁路電路，可以采用隔離變壓器，不產(chǎn)生主電路中的剩余電流，但是大功率的隔離變壓器太笨重，也可以采用電力電子變壓器或者高頻變頻器隔離方案，但這兩者控制方案比較復(fù)雜，實(shí)施成本相對(duì)比較高，且重量雖比隔離變壓器輕一些，但依然較重，不方便推廣與實(shí)施。

如果主電路與旁路電路是互斥的，就是主電路分合時(shí)，旁路電路實(shí)際是斷開的，旁路電路分合時(shí)，主電路是斷開的，這樣電流路徑是唯一的，能夠避免產(chǎn)生漏電流，但切換過程中是有斷電的。如何盡可能的控制斷電時(shí)間，在無(wú)縫切換標(biāo)準(zhǔn)中，在半個(gè)工頻周期內(nèi)完成電路切換，用戶幾乎是無(wú)感知的，即10ms內(nèi)完成切換，采用晶閘管進(jìn)行切換控制，是能完成無(wú)縫切換的。

在TBD101不停電換表輔助裝置的系統(tǒng)拓?fù)鋱D中可見，即圖2中間部分為表箱內(nèi)主電路示意圖,用黑線標(biāo)注，主要有三相交流進(jìn)戶線、空開KK1、電表、漏保、負(fù)載組成。圖2下部為主旁路電路采用藍(lán)線標(biāo)注，主要有漏保、可控硅SCR1、反并聯(lián)的電力二極管、電表，主旁路電路接入主電路中的1、3號(hào)接線點(diǎn)，1號(hào)接線點(diǎn)為空開KK1上方，3號(hào)接線點(diǎn)為漏保下方。圖2上部為輔助旁路電路采用紅線標(biāo)注，主要有跟空開KK1并聯(lián)的可控硅SCR2，接入主電路中的1、2號(hào)接線點(diǎn)，2號(hào)接線點(diǎn)為空開KK1下方。主旁路中反并聯(lián)的電力二極管主要作用是增加主旁路電路的可控導(dǎo)通電阻，在二極管導(dǎo)通時(shí)，其有二極管的導(dǎo)通壓降，比主電路導(dǎo)通電阻大，當(dāng)主電路與主旁路同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，主旁路電路實(shí)際是斷開的。圖中綠色部分為裝置的信號(hào)采集、相序檢測(cè)與控制電路。

TBD101不停電換表輔助裝置通過合理操作流程可實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)感知不停電換表，具體操作流程如下:

1、夾具分別接到對(duì)應(yīng)的空開KK1上端1處，空開KK1下端2處，漏保下端3處，夾具上的引線分別插入到TBD的1、2、3接線處。

2、合上TBD上的漏保，系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行自動(dòng)相序檢測(cè)，通過分別檢測(cè)1、2、3處電壓，判斷相序正確后，由控制蜂鳴器給出提示音進(jìn)行下一步操作。若相序錯(cuò)誤，蜂鳴器持續(xù)，并在TBD的液晶屏給出相序錯(cuò)誤提示。

3、手動(dòng)分空開KK1，控制器檢測(cè)到KK1下端2處三相相電壓均異常掉電，發(fā)出PWM脈沖控制SCR1導(dǎo)通。此過程中負(fù)載有短暫掉電時(shí)間，掉電時(shí)間主要是檢測(cè)KK1從某相斷開到三相全部斷開的時(shí)間，以及開通SCR1的時(shí)間，該過程自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)控制，實(shí)際掉電時(shí)間在10ms內(nèi)。主回路可靠斷開后，旁路才導(dǎo)通，因此避免了旁路電路產(chǎn)生漏電流，RCD不會(huì)動(dòng)作。交流接觸器直接旁路的設(shè)備因?yàn)槿鄙龠@樣的互斥自動(dòng)控制，在旁路投入時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主電路中RCD產(chǎn)生漏電流，從而導(dǎo)致RCD動(dòng)作，此時(shí)旁路電路已經(jīng)轉(zhuǎn)供，RCD下端口有電，進(jìn)而導(dǎo)致RCD爆炸或者燒毀。

4、手動(dòng)分主回路中RCD，RCD斷開后，電表的上下端都已經(jīng)徹底從電路斷開，保證拆裝電表過程中不帶電操作。

5、換表結(jié)束后，手動(dòng)合RCD，控制器檢測(cè)到接線點(diǎn)1處三相相電壓由掉電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到有電狀態(tài)后延時(shí)50ms，這里的延時(shí)是確保漏?？煽块]合，控制SCR1觸發(fā)電路斷電，同時(shí)給輔助旁路SCR2觸發(fā)電路通電，SCR2導(dǎo)通，SCR1斷開。主回路通電，主旁路斷電。這一過程中如果不存在輔助旁路SCR2，若主旁路已經(jīng)斷開，手動(dòng)合空開KK1，手動(dòng)操作會(huì)導(dǎo)致用戶斷電時(shí)間較長(zhǎng)，不滿足無(wú)縫不停電換表的要求，若主旁路沒斷電，這樣又因?yàn)镵K1觸點(diǎn)合閘的不一致性導(dǎo)致漏電流，RCD動(dòng)作，因?yàn)榕月愤€有電，RCD下端口有電，線圈與晶體管有可能因短路燒毀與爆炸。這一過程中SCR2與SCR1的互斥切換過程中會(huì)有短暫掉電，但切換過程是自動(dòng)控制的，由晶閘管完成，切換時(shí)間較短，實(shí)際斷電時(shí)間是毫秒級(jí)的，符合無(wú)縫切換要求。

6、根據(jù)UI程序提示，手動(dòng)合主電路上空開KK1,SCR2被空開短路后因?yàn)殡娏餍∮谄渚S持電流自然斷開，控制器檢測(cè)到接線點(diǎn)1、2電壓差為0，即KK合上后，延時(shí)40ms,控制SCR2觸發(fā)器電路斷電。

7、換表過程結(jié)束，拆除相關(guān)夾具。

現(xiàn)場(chǎng)用戶工況復(fù)雜，功率等級(jí)多樣，在實(shí)驗(yàn)室中充分驗(yàn)證該裝置的可行性。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用南京研旭的可編程RLC作為模擬用戶，通過R、L、C不同組合模擬各種工況，通過真實(shí)表箱對(duì)其供電，然后TBD接入進(jìn)行換表操作，換表過程中示波器采集漏電流，以及負(fù)載端電壓，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，沒有漏電流產(chǎn)生，負(fù)載端因?yàn)椴煌?fù)載，換路時(shí)電壓恢復(fù)時(shí)間不完全一樣，但基本都在10ms內(nèi)。在主電路與旁路切換過程中負(fù)載端各類工況下電壓波形如圖所示，圖15為1200W純電阻負(fù)載，圖16為500VA純電感負(fù)載，圖17為500VA純電容負(fù)載，圖18為1200W電阻負(fù)載加500VA電感負(fù)載，圖19為1200W電阻負(fù)載加500VA電感負(fù)載加500VA電容負(fù)載，可觀察到切換過程中有短暫掉電或者電壓不穩(wěn)定的情況，但這個(gè)時(shí)間都小于10ms，即滿足無(wú)縫切換的要求。