隨著國內(nèi)社會(huì)用電量迅速增長(zhǎng)，智能電表使用量每年大幅增加，已累計(jì)掛網(wǎng)2.7億只，如何提升智能電表的計(jì)量準(zhǔn)確性一直是設(shè)計(jì)單位研究的重點(diǎn)。本文從硬件設(shè)計(jì),包括計(jì)量芯片、采樣電阻、電流互感器的選型，計(jì)量誤差軟件動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，和三防漆工藝三個(gè)方面詳細(xì)介紹了如何提升智能電表的計(jì)量準(zhǔn)確性。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　三相智能電表主要由參數(shù)測(cè)量模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊等部分組成（見圖1）。與電網(wǎng)直接相連并且最容易受到干擾引起計(jì)量不準(zhǔn)的是測(cè)量模塊。測(cè)量模塊主要有計(jì)量芯片、采樣電阻、互感器三個(gè)部分組成，其中任何一個(gè)部分的性能下降都直接影響智能電表的計(jì)量準(zhǔn)確性，所以在器件選型、參數(shù)設(shè)計(jì)上都是整表設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　（1）計(jì)量芯片

　　計(jì)量芯片是智能電表計(jì)量部分的核心，芯片的“采樣動(dòng)態(tài)范圍”和“參考基準(zhǔn)溫度系數(shù)”直接關(guān)系到智能電表抗沖擊負(fù)荷的能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，不同計(jì)量芯片的參數(shù)見表1所示。

　　圖1智能電表框圖

      采樣動(dòng)態(tài)范圍

　　一般的情況下，《DL/T614_2007多功能電能表》標(biāo)準(zhǔn)中要求智能電表的計(jì)量誤差范圍為1%Ib~12Ib，例如10(100)A規(guī)格的智能電表計(jì)量范圍為0.1~120A，理論上動(dòng)態(tài)范圍為1200:1的計(jì)量芯片就能滿足設(shè)計(jì)要求，就能通過實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試。但在實(shí)際電網(wǎng)中存在用電高峰電流超量程的突發(fā)情況，也存在沖擊負(fù)荷（如沖擊鉆、電焊機(jī)等）瞬間超計(jì)量范圍的情況，而超過計(jì)量范圍的這部分電量就會(huì)丟失不計(jì)量，引起計(jì)量不準(zhǔn)。如果在設(shè)計(jì)上選擇動(dòng)態(tài)范圍為5000:1的計(jì)量芯片，同樣10（100）A的表在瞬間電流達(dá)到400A時(shí)也能保證正確計(jì)量，有效防止了沖擊負(fù)荷引起的不計(jì)量問題。

　　參考基準(zhǔn)溫度系數(shù)

　　智能電表作為計(jì)量產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)室檢定時(shí)的溫度要求為23±2℃，在溫度變化時(shí)，《GB/T17215.322-2008靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定0.2S級(jí)智能電表的溫度系數(shù)是0.01%/K,也就是說溫度改變50℃，誤差允許變化50×0.01%=0.5%。例如選用基準(zhǔn)溫度系數(shù)為50ppm/℃的計(jì)量芯片在環(huán)境溫度改變50℃時(shí)，不考慮其它器件的影響，誤差改變量為：50ppm/℃×50°C=2500ppm,直接體現(xiàn)為0.25%的誤差改變，而10ppm/℃的溫度系數(shù)的計(jì)量芯片在同樣溫度改變的情況下誤差改變只有0.05%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）采樣電阻

　　國內(nèi)智能電表的采樣電阻多數(shù)選用片狀薄膜電阻，此電阻精度一般為±1%，溫度特性25ppm。由于互感式智能電表的電流采樣通過電流互感器與電網(wǎng)相連，而電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，拉合閘產(chǎn)生的脈沖群、間接雷等環(huán)境下對(duì)采樣電阻產(chǎn)生了較大的沖擊。為了提升表計(jì)的抗沖擊能力，建議選用柱狀貼片電阻，又稱晶圓電阻，與片狀電阻相比，柱狀貼片電阻由于有更大的表面面積使之耐電流，耐高壓的性能大大提升，不論在功能上，機(jī)械結(jié)構(gòu)上，電氣特性上，或安全性上，都明顯優(yōu)于片狀貼片電阻。

　　為了驗(yàn)證兩者的差異，我們對(duì)片狀電阻和柱狀電阻從實(shí)際運(yùn)行角度進(jìn)行了可靠性模擬。

　　抗脈沖群能力試驗(yàn)

　　模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行在強(qiáng)脈沖群環(huán)境后電表誤差的穩(wěn)定性，為了搭建更加嚴(yán)酷的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，我們?nèi)藶榧哟蠡ジ衅饕欢蝹?cè)的分布電容，對(duì)互感器的一次回路和二次回路并一個(gè)47nF的Y電容進(jìn)行群脈沖試驗(yàn)（見圖2）。

　　在測(cè)試電壓4.4kV，頻率100k的實(shí)驗(yàn)條件下片狀電阻阻值發(fā)生明顯變化，而柱狀電阻的阻值基本保持不變，具體見表2：

      抗靜電沖擊能力試驗(yàn)

　　模擬智能電表運(yùn)行中受到靜電干擾，采樣電阻一端接地，一端直接打靜電（見圖3）。

　　試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按8kV，10kV，12kV，14kV正負(fù)各打10次，片狀電阻在12kV阻值已經(jīng)發(fā)生明顯變化，而柱狀電阻在14kV阻值也保持不變，具體變化如表3所示。

　　從以上的數(shù)據(jù)看出柱狀電阻抗靜電能力遠(yuǎn)高于片狀電阻，適合電壓和電流采樣電阻使用，有助于提升智能電表在各種嚴(yán)酷環(huán)境下計(jì)量誤差的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

      （3）互感器

　　互感器的作用是通過一定的變比把幅值較大的一次側(cè)電流變成幅值較小的二次側(cè)電流。在轉(zhuǎn)換過程中，互感器的角差、比差雖然能夠通過軟件補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行修正，但線性的差異還是沒有很好的解決，這個(gè)差異直接決定了智能電表誤差的線性。以下通過對(duì)互感器角差和智能電表誤差的變化關(guān)系說明角差對(duì)表計(jì)誤差影響的重要性。如表4所示，互感器在不同電流點(diǎn)的角差如果為5'，這兩點(diǎn)之間的誤差就存在0.25%的線性差異。為了提高智能電表的誤差線性，建議挑選角差在3'以內(nèi)的互感器，這樣就能保證不同電流之間的計(jì)量誤差能控制在0.15%之內(nèi)。另外互感器初級(jí)和次級(jí)之間存在的分布電容經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員忽視，但它的存在對(duì)小電流誤差影響很大，而且分布電容值越大，越影響誤差的線性。

　　軟件溫度補(bǔ)償

　　由于采樣電阻、互感器、基準(zhǔn)電路本身存在精度誤差，常用的方法是通過單點(diǎn)調(diào)試的方法來滿足計(jì)量要求。對(duì)于一些誤差線性要求高，在不同溫度環(huán)境中對(duì)誤差一致性有特殊要求的用戶，軟件需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償，建議以10℃為間隔，分段修正誤差，以達(dá)到在不同的環(huán)境中誤差一致性。圖3是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后誤差數(shù)據(jù)的比對(duì)表，從表中可以看出補(bǔ)償后的誤差數(shù)據(jù)基本都控制在±0.05%之內(nèi)，補(bǔ)償流程圖見圖4。

      三防漆工藝

　　對(duì)影響計(jì)量部分器件全部采用三防漆涂覆，有效隔斷采樣器件與外界水汽的接觸，完全避免因水汽、鹽霧造成對(duì)敏感器件的影響，有效控制誤差隨外界濕度變化的影響，提高智能電表可靠性。因水汽在電阻表面形成薄膜層,薄膜層的電阻為R1，采樣電阻值初始值為R0，R0和R1為并聯(lián)關(guān)系，有水汽的采樣電阻變?yōu)镽=R0/（1+R0/R1）,阻值變小引起采樣信號(hào)變小，最終導(dǎo)致計(jì)量負(fù)誤差，表5是在不同濕度環(huán)境下涂三防漆和未涂三防漆的誤差對(duì)比表。從表中可以看出涂三防漆后的誤差數(shù)據(jù)明顯改善。

　　總結(jié)

　　按本方案設(shè)計(jì)的智能電表抗沖擊負(fù)荷的能力大幅提高，而且在高溫、高濕等惡劣用電環(huán)境下，計(jì)量誤差的準(zhǔn)確性做到較好的一致性，能有效降低掛網(wǎng)失效率，對(duì)國內(nèi)智能電表的性能提升具有一定的借鑒意義。