林淑娜 林茂青 林若波



智能控制预付费电能表用断路器的设计与测试*

林淑娜1林茂青2林若波3

（1.广东电网责任有限公司揭阳供电局 2.广东立德电气有限公司 3.揭阳职业技术学院）

在传统电能表用外置断路器的基础上，研制一种智能控制预付费电能表用外置断路器；从断路器的机械结构和电气性能出发，阐述断路器的自动重合闸控制装置及控制方法；以智能控制预付费电能表用外置断路器产品LDEB1-80为例，对其脱扣特性和EMC特性进行电气性能测试。测试结果表明：断路器瞬时动作特性较好，热态下试验电流10×80 A，其脱扣时间最大仅为9.3 ms，远小于国家标准（≤0.1 s）；通过对断路器分别施加3 V/1 kHz 80%AM调制正弦波、脉宽50 ns/4 kV的脉冲群、场强3 V/m的辐射电磁场、5 kV浪涌共模信号和4 kV浪涌差模信号、150 kHz范围内共模传导骚扰信号等测试，断路器均不脱扣，具有很好的抗干扰能力和良好的电气性能。

智能控制；预付费电能表；断路器；脱扣特性；EMC

0 引言

断路器是电力系统中最重要的开关电器设备之一，其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。目前国家“智能电网”的建设目标对变电站安全可靠运行提出了更高的要求，特别是随着国家电力系统的改造和GPRS、CDMA等现代通信网络技术的成熟，智能断路器监测系统的自动化、网络化程度将进一步提高，嵌入式系统在终端产品中的使用也越来越广泛，对产品功能的多样性和复杂度也提出了更高的要求。近年，很多文献针对断路器产品的电气性能进行理论仿真与测试，研究断路器的脱扣特性和EMC电磁兼容，进一步改善断路器的电气性能[1-8]。如刘德胜等（2009）针对DZ47LE系列漏电断路器的误动作问题，通过晶闸管和电磁脱扣线圈的合理组合、增加抗干扰电路，解决了漏电断路器工作的可靠性及电磁兼容问题[3]；周亚军等（2014）提出一种基于智能控制器的塑壳断路器硬件设计，并进行EMC分 析[4]；任鹏等（2015）针对预付费智能电能表用微型断路器的脱扣性能，分析微型断路器的瞬时脱扣特性和电压脱扣延时特性，通过仿真测试说明该类型微型断路器的脱扣特性[5]；林承志等（2017）提出一种基于LabVIEW的虚拟检测技术，较好地消除了电流中的非周期分量，实现了具有控制、数据采集、数据处理、波形显示等功能的脱扣特性检测[6]。以上文献从断路器的硬件结构、脱扣特性、EMC等方面开展有积极意义的研究，取得较好的研发成果。本文在电能表用外置断路器的基础上，进一步改进电路和传动机构，研制一种智能控制预付费电能表用外置断路器，并对其脱扣特性和EMC特性进行电气性能测试，申请了实用新型专利[9-10]，断路器产品通过广东省机械行业协会产品鉴定（粤机协技鉴字2017[045]），取得较好的效果。

1　断路器设计

1.1　结构与外观设计

智能控制预付费电能表用外置断路器的机械结构图和实物图如图1所示。断路器采用单模数标准设计，尽可能缩小断路器控制部分尺寸，每极宽度仅为18 mm；断路器操作部件灵活可靠，具有自由脱扣机构，远程全自动控制方式具有电动操作机构；具有手动分闸和闭合的操作手柄，操作手柄和带电部件之间有良好的绝缘，以保证安全；模式选择开关设置在开关正面，标有“自动”和“手动”标识，便于识别开关当前模式。

图1　智能控制预付费电能表用外置断路器的机械结构图和实物图

1.2　自动重合闸控制装置的实现

智能控制预付费电能表是一个集电能计量、用电控制、收费管理、配电保护等多功能于一体的控制装置。一般采用外置断路器进行远程控制，通过软件实施费控策略，把电能计量、数据处理和数据传输等功能集成在一起，达到智能控制的效果。

传统预付费控制电能表只能通过软件编程实现自动分闸功能，即通过费控策略，一旦检测到IC卡里面的余额不足时，自动启动程序切断电源，实现自动分闸功能。但传统预付费电能表不能自动接收卡表的指令，缺乏自动重合闸功能，只能通过人工合闸方式，导致用户充值后不能及时通电，给用户带来不便。鉴于这种弊端，本设计在传统预付费电能表基础上，增加卡表反馈信号的采集，并设计一种自动重合闸控制装置，实现自动重合闸功能。

自动重合闸控制装置示意图如图2所示。集成电路控制器包括合闸机构、中央控制器、驱动电机和驱动电机电源等。其中，中央控制器MCU型号为SN8P2511，驱动电机电源型号为TC1203，辅助电源型号为UCC28880。中央控制器通过控制线采集外部插卡电能表的信号，并通过驱动电机控制合闸机构的开合；驱动电机电源与外部电源（220 AC）电连接；合闸机构接入端与外部插卡电能表连接，输出端与用户用电设备连接；合闸机构通过反馈线连接到外部插卡电能表，并为外部插卡电能表反馈合闸机构开合状态信号；集成电路控制器设置有辅助电源，辅助电源接入端与外部插卡电能表连接，输出端分别与中央控制器、驱动电机电源电连接。控制部分的机构采用电动机和蜗轮、蜗杆及齿轮组成的传动机构，通过传动机构带动断路器内轴，实现断路器的分合闸控制。

反馈信号采用脉冲波方式，通过控制端口取代传统的无源接点，实现电路通断功能控制。当电能表处于有费状态时，每隔一定的周期，向控制开关发送脉冲波；当电能表变为欠费状态，停止发送脉冲波，控制开关在规定的周期中没有收到电能表的脉冲波，则跳闸断电。采用脉冲波的方式，可以有效防止人为损坏卡表与控制开关的连接，使预付费系统正常工作。当用户缴纳电费后，电表由欠费状态变为正常状态，重新发送脉冲波，控制开关合闸送电。

电能表外置断路器的控制模式分为“自动”和“手动”2种，可通过电能表外置断路器面板上的模式开关进行切换。电能表外置断路器在“自动”控制模式下，接收到分闸信号时，会自动分闸并使动触点处于断开位置，且手动无法完成合闸操作，即预付费电能表欠费时，电能表外置断路器手动合闸功能失效，有效避免用户在欠费状态下采用人为合闸接通电源。电能表外置断路器在IC卡式预付费电能表费用充足时，才可以实现手动合分闸。

图2　自动重合闸控制装置示意图

2　电气性能测试

本文以智能控制预付费电能表用外置断路器产品LDEB1-80为例，经浙江方圆检测集团股份有限公司（浙江方圆电气设备检测有限公司）检测，参照GB10963.1-2005《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1 部分:用于交流的断路器》和GB 14048.2-2008 《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》国家标准，进行脱扣特性分析和EMC电磁兼容试验分析。

2.1　脱扣特性分析

断路器应具有短路脱扣（磁脱扣）和过载脱扣（热脱扣）功能。当线路发生过载故障时，过载电流使热双金属元件弯曲，脱扣机构动作，推动锁定机构复位，从而分断线路。过载保护具有反时限特性，电流越大，脱扣时间越短。当线路发生短路故障时，短路电流流过螺管式电磁铁，衔铁瞬时被吸合，使脱扣机构动作，推动锁定机构复位，实现分断功能。本文通过断路器延时动作特性校验台OKW2/Y，验证测试断路器LDEB1-80的延时动作特性。试验额定电流值In设为80 A，表1列出了断路器LDEB1-80的延时动作特性试验结果。可以看出：冷态初始状态下，试验电流1.13×80 A，不脱扣时间大于2 h；热态初始状态下，试验电流1.45×80 A，脱扣时间小于2 h，电流在5 s内稳定增加；试验电流达到1.55×80 A，断路器在20 s内成功脱扣，远低于国家标准120 s的要求。

表1　断路器LDEB1-80的延时动作特性

本文通过断路器瞬时动作特性校验台OKW2/S，验证测试断路器的瞬时动作特性。试验额定电流值In设为80 A，表2列出了断路器LDEB1-80的瞬时动作特性试验结果。可以看出：冷态初始状态下，试验电流5×80 A，断路器不脱扣时间大于0.1 s；热态初始状态下，试验电流10×80 A，断路器脱扣时间最大仅为9.3 ms，远小于国家标准0.1 s。从试验结果可以看出：断路器性能稳定，灵敏度完全符合国家标准的要求。

表2　断路器LDEB1-80的瞬时动作特性

2.2　EMC试验

电磁兼容能力（EMC）和电磁抗干扰能力（EMI）是目前电子产品可靠性的重要指标。为验证断路器的安全性能，避免外界干扰导致误操作，必须对断路器进行EMC测试，主要包括传导正弦波电流或电压、ns级单向传导脉冲（脉冲群）、辐射电磁场、浪涌、共模传导骚扰、静电放电等几方面性能指标的测试。根据GB18499-2008国家标准，对LDEB1-80断路器以下6项指标分别进行EMC试验，EMC部分指标的现场测试图如图3所示。

(a) 辐射电磁场试验

(b) 浪涌试验

图3EMC试验现场

1）施加3 V/1 kHz 80%AM调制正弦波，驻留时间0.5 s~1 s，测试频率步长1%，频率范围0.15 MHz ~80 MHz；

2）施加脉宽50 ns/4 kV的脉冲群，脉冲持续时间15 ms，试验时间1 min，重复频率2.5 kHz；

3）施加场强3 V/m的辐射电磁场，调制波形为1 kHz 80% AM调制波，驻留时间0.5 s~1 s，测试频率步长1%，频率范围80 MHz ~1000 MHz；

4）施加5 kV、正负极各5次/角度的浪涌共模信号和4 kV、正负极各5次/角度的浪涌差模信号，重复率为1次/min；

5）施加150 kHz范围内的共模传导骚扰信号，从15 Hz开始至150 Hz，电压以20 dB/十倍频减小；150 Hz开始至1.5 kHz，电压保持不变；1.5 kHz开始至15 kHz，电压以20 dB/十倍频增加；15 kHz开始至150 kHz，电压保持不变；

6）在断路器非金属接触部分施加8 kV静电，在金属接触部分施加6 kV静电，进行静电放电试验，放电次数正负各10次，间隔时间大于1 s 。

通过对断路器进行6项EMC试验，结果表明：断路器均不脱扣，性能稳定，达到国家标准要求。由此可见，断路器具有很好的电气性能和和很强的抗干扰能力。

3　结论

本文研究智能控制预付费电能表用外置低压断路器的设计与改进，从断路器的脱扣特性和EMC电磁兼容特性出发，分析断路器的脱扣特性和EMC电磁兼容能力，主要创新点：

1）通过改进自动重合闸控制装置，增加反馈信号，实现自动合闸功能，提高断路器人机交互的自动化程度；

2）断路器延时动作性能稳定，热态1.55 In下，断路器在20 s内成功脱扣，远低于国家标准120 s的要求；瞬时脱扣特性灵敏度高，热态10 In下，断路器脱扣时间小于9.3 ms，大大优于国家标准0.1 s的标准；

3）断路器具有很强的抗干扰能力，EMC电磁兼容能力好。

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[4] 周亚军,颜喜清,李晓军.智能型塑壳低压断路器控制器硬件设计[J].杭州电子科技大学学报,2014,34(3):83-86.

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[10] 广东立德电气有限公司.带防水功能的电能表自动重合闸控制装置:201621404396.7[P].2016-12-21.

Design and Test of Circuit Breaker for Intelligent Control Prepaid Power Meter

Lin Shuna1Lin Maoqing2Lin Ruobo3

(1. Jieyang Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd. 2. Guangdong LEAD Electric Co., Ltd. 3.Jieyang Vocational and Technical College)

Based on the external circuit breaker, the external circuit breaker with intelligent control prepaid power meter is developed. From the mechanical structure and electrical properties of the circuit breaker, the automatic reclosing control device and control method of the circuit breaker are described. For the external circuit breaker with intelligent control prepaid power meter product LDEB1-80 as an example, the tripping characteristics and EMC characteristics are tested. The test results show that the instantaneous action characteristics of the circuit breaker are very good, which the maximum time of the trip is 9.3 ms and much smaller than the national standard (less than or less than 0.1 s) under the test current of 10×80 A in the thermal state. With 3 V/ 1kHz 80% AM modulation sine wave, pulse width 50 ns/4 kV pulse group of radiated electromagnetic fields, field strength 3V/m, 5 kV surge common-mode signals and 4 kV surge differential mode, conduction disturbance signal in 150 kHz range, the circuit breaker is no undocked and has a good anti-jamming capability and good electrical properties.

Intelligent Control; Prepaid Power Meter; Circuit Breaker; Tripping Characteristics; EMC

林淑娜，女，1978年生，本科，电气工程师，主要研究方向：变电运行、继保工作等。E-mail: 875529062@qq.com

林茂青，男，1977年生，大专，助理工程师，主要研究方向：管母线、断路器等。

林若波，男，1974年生，硕士，机械工程教授，主要研究方向：电气工程。E-mail: linruobo@126.com

2014广东省高职教育电气自动化技术专业教学团队建设项目（粤教高函 [2014]111号）