基于可控硅的不停電換表輔助裝置TBD101

智能電能表是電網電量數據采集重要基礎設備，是公平、公開電力交易的基礎。根據《電能計量裝置技術管理規(guī)程》規(guī)定，必須對在運行的電能計量裝置進行定期抽檢，抽檢后不合格率達到閾值時就要進行批量更換。 隨著雙碳目標的落實，對電能計量也提出了更新的要求，需更換新技術的電能表?，F場大量的更換給運維人員帶來了很大的工作量，為了保障運維人員安全，一般規(guī)程都要求進行停電更換。頻繁的停電換表作業(yè)影響到部分用戶正常用電，甚至會導致個別用戶大量的經濟損失，引起的相關投訴居高不下。

經過調研以及資料查詢，目前國內不少電網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，以此實現不停電換表功能。這類裝置需要對整個表箱進行更換的，存在以下缺點：

1）針對的范圍為新裝電表，對于存量用戶很少更換新表箱。

2）成本高，如果對存量用戶批量更換表箱，按浙江省每年更換50萬存量表計，每個表箱成本約1000元，產生的表箱更換費用將達到5億元。

另一種是耗材型不停電換表裝置，這類裝置通過對表計下端導線進行短接的方法，實現不停電換表功能。這類裝置較為簡便，但存在以下缺點：

1）安全性差，需要進行穿刺連接，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險。

2）成本高，為耗材型裝置，每更換一個表都需一定設備成本。按浙江省每年50萬存量表計更換，每個裝置成本約20元，每年產生的換表費用將達到1千萬元。

3）智能化差，缺少不停電換表期間電量計量、錯相接線診斷、保護等智能化功能的實現。

現有方案雖然能實現不停電換表功能，但是在更換表計時表計處仍然帶電，員工的安全風險高，換表輔助設備成本高，難以滿足國網公司對于安全生產、經濟效益、社會效益等方面的要求。

針對目前行業(yè)內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)模推廣應用。國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司以推廣應用為目標，聯合南京研旭電氣科技有限公司研制了基于電力電子技術研制一種基于可控硅的不停電換表輔助裝置TBD101，解決目前不停電換表存在的漏電保險跳閘爆炸、錯相智能診斷等技術難題，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，真正意義實現換表用戶不停電，換表操作人員不帶電，具備接線錯相智能診斷、保護等功能，技術含量高，不但解決生產中不停電換表實際問題，而且具有良好的推廣前景，滿足國網公司對于安全生產、經濟效益、社會效益等方面的要求。

TBD101實物圖如圖1所示

圖1 TBD101不停電換表輔助裝置實物圖

TBD101不停電換表輔助裝置的系統(tǒng)拓撲與原理

圖2 TBD101不停電換表輔助裝置系統(tǒng)拓撲原理

TBD101不停電換表輔助裝置內部控制器原理如圖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部主要結構如圖4所示

圖4 TBD101不停電換表輔助裝置實物結構圖

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界面如圖8所示

圖8 TBD101不停電換表輔助裝置操作引導界面

TBD101不停電換表輔助裝置應用場景如圖9

圖9 裝置應用場景

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表示剩余電流保護器，KM表示接觸器 ,負載為0-1.8kW可調負載 ,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

實驗 ：KK1、RCD、KM 在合位，負載 250 瓦，分 KM，RCD 有時跳閘，典型漏電流波形如圖 2所示 ，有時不跳閘，如圖3所示。主回路和旁路并聯通路，分KM時，主電路產生了漏電流。從圖11波形放大部分可以看出，在分接觸器時主回路最大剩余電流達到 1.4A，漏保幾個毫秒后就跳閘； 而同樣工況如圖12所示，分接觸器時主回路最大剩余電流為 0.22A，由于電流小且持續(xù)時間比較短（10ms 左右），沒能達到RCD保護時限。反復實驗中發(fā)現，在旁路電流接近過零點分閘時，剩余電流小，反之剩余電流大，跟實際合閘時機有一定關聯，重復多次后剩余電流保護器還可能爆炸，損毀的剩余電流保護器如圖13所示。

圖11 RCD跳閘時剩余電流波形

圖12 RCD沒跳閘時剩余電流波形

圖13損毀的剩余電流保護器

由實驗可以看出，在有旁路電路時，斷開主電路空開，空開分合觸點不同步會產生漏電流，導致RCD動作，有些情況下甚至會導致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。

實驗解釋了直接旁路法失效的可能，那為什么漏電保護器會爆炸呢，這就要進一步對剩余電流保護器的工作機制進行分析。

目前，國內低壓配網所使用的漏電保護器主要為剩余電流保護器電子式漏電保護器采用分立元件電路或者集成電路組成電子電路，對漏電信號放大、處理比較后，觸發(fā)晶體管開關電路使漏電保護器動作，其原理如圖14所示。

圖14 剩余電流保護器原理圖

圖中L為繼電器線圈，得電時驅動開關K1斷開，D1為單相全橋整流電路，每個橋臂用兩只二極管串聯以提高耐壓，R3、R4為整流電路的輸出負載，阻值較大，當K1合上時，線圈L上的電流不足1mA,不足以驅動電磁鐵動作，此時用電設備正常運行，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為非導通狀態(tài)，L線圈電流不變，電磁鐵不會動作。若發(fā)生漏電時，漏電電流經漏電旁路，而未經互感器的一次線圈，致使互感器中出現了剩余電流，如式2。二次線圈感應到剩余電流，a、b兩端就有電壓輸出，此電壓觸發(fā)T2導通，C2經R6、R5、T2放電，R5上產生電壓，使得T1導通。T1、T2都導通后，相當于D1整流輸出經兩晶體管短路，L線圈中電流迅速增大，電磁鐵動作，K1斷開，D1的輸入側斷電，剩余電流保護器在漏電發(fā)生后通過斷開K1將電源切除了。按壓K2相當于模擬R2處漏電，R1為壓敏電阻，起到RCD的過壓保護作用。

在直接旁路換表電路中，如圖10所示，在換表時，先合上旁路的KM，然后手動斷開KK1,在斷開KK1的過程中，KK1的A、B、C、N四個觸點分合不同步，因為旁路已經合上，此時先行斷開的觸點的電流流經旁路，未斷開的觸點依然從主電路流過，對于RCD而言相當于發(fā)生單相對地短路的漏電流，RCD的執(zhí)行機構會動作。RCD斷開到切換成旁路供電這段時間為Ts1，晶體管T1、T2因為主電路斷電后，電流迅速減小，關斷的時間為Ts2。若Ts1<Ts2時晶體管T1、T2未能關斷，旁路供電則已經恢復，盡管RCD中K1已經斷開，但是旁路供電使得RCD下端口有電，D1整流輸出電路長時間接入T1、T2，線路中電流大，且一直持續(xù)，此時就會燒毀L線圈或引起晶體管T1、T2過流爆炸；若Ts1>Ts2時，晶體管T1、T2成功關斷，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，故不會損壞RCD。若要避免Ts1<Ts2這種情況，需要改進當下RCD的設計，即K1斷開，RCD動作后，就應當迅速斷開T1、T2，確保T1、T2可靠關斷。

由以上分析可知，直接旁路電路，因為分合主電路中空開，甚至旁路電路中交流接觸器分合時開關觸點不同步到位的問題，會導致主電路中RCD動作，此時已經造成用戶處斷電，且掉電時間肯定超過了10ms，這個觸點合閘的同步性差異時間與造成的漏電流大小都是不確定的，因此RCD有時跳閘有時不跳閘。當RCD跳閘后，若旁路電路繼續(xù)供電，此時Ts1與Ts2競爭，有很大概率發(fā)生RCD爆炸?？梢娫诤琑CD的表箱中并不適用直接旁路法進行換表。

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

如何在有旁路的情況下，開關觸點不同步的情況下，不產生漏電流，如果采用旁路電路，可以采用隔離變壓器，不產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雜，實施成本相對比較高，且重量雖比隔離變壓器輕一些，但依然較重，不方便推廣與實施。

如果主電路與旁路電路是互斥的，就是主電路分合時，旁路電路實際是斷開的，旁路電路分合時，主電路是斷開的，能夠避免產生漏電流，但切換過程中是有斷電的。如何盡可能的控制斷電時間，在無縫切換標準中，在半個工頻周期內完成電路切換，用戶幾乎是無感知的，即10ms內完成切換，采用晶閘管進行切換控制，是能完成無縫切換的。

在TBD101不停電換表輔助裝置的系統(tǒng)拓撲圖中可見，即圖2中間部分為表箱內主電路示意圖,用黑線標注，主要有三相交流進戶線、空開KK1、電表、漏保、負載組成。圖2下部為主旁路電路采用藍線標注，主要有漏保、可控硅SCR1、反并聯的電力二極管、電表，主旁路電路接入主電路中的1、3號接線點，1號接線點為空開KK1上方，3號接線點為漏保下方。圖2上部為輔助旁路電路采用紅線標注，主要有跟空開KK1并聯的可控硅SCR2，接入主電路中的1、2號接線點，2號接線點為空開KK1下方。主旁路中反并聯的電力二極管主要作用是增加主旁路電路的可控導通電阻，在二極管導通時，其有二極管的導通壓降，比主電路導通電阻大，當主電路與主旁路同時導通時，主旁路電路實際是斷開的。圖中綠色部分為裝置的信號采集、相序檢測與控制電路。

基于可控硅的不停電換表輔助裝置TBD101通過合理操作流程可實現用戶無感知不停電換表，具體操作流程如下:

1、夾具分別接到對應的空開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)啟動后進行自動相序檢測，通過分別檢測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行下一步操作。若相序錯誤，蜂鳴器持續(xù)，并在TBD的液晶屏給出相序錯誤提示。

3、手動分空開KK1，控制器檢測到KK1下端2處三相相電壓均異常掉電，發(fā)出PWM脈沖控制SCR1導通。此過程中負載有短暫掉電時間，掉電時間主要是檢測KK1從某相斷開到三相全部斷開的時間，以及開通SCR1的時間，該過程自動檢測，自動控制，實際掉電時間在10ms內。主回路可靠斷開后，旁路才導通，因此避免了旁路電路產生漏電流，RCD不會動作。交流接觸器直接旁路的設備因為缺少這樣的互斥自動控制，在旁路投入時，會導致主電路中RCD產生漏電流，從而導致RCD動作，此時旁路電路已經轉供，RCD下端口有電，進而導致RCD爆炸或者燒毀。

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

5、換表結束后，手動合RCD，控制器檢測到接線點1處 三相相電壓由掉電狀態(tài)轉換到有電狀態(tài)后延時50ms，這里的延時是確保漏保可靠閉合，控制SCR1觸發(fā)電路斷電，同時給輔助旁路SCR2觸發(fā)電路通電，SCR2導通，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，若主旁路已經斷開，手動合空開KK1，手動操作會導致用戶斷電時間較長，不滿足無縫不停電換表的要求，若主旁路沒斷電，這樣又因為KK1觸點合閘的不一致性導致漏電流，RCD動作，因為旁路還有電，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有短暫掉電，但切換過程是自動控制的，由晶閘管完成，切換時間較短，實際斷電時間是毫秒級的，符合無縫切換要求。

6、根據UI程序提示，手動合主電路上空開KK1,SCR2被空開短路后因為電流小于其維持電流自然斷開，控制器檢測到接線點1、2電壓差為0，即KK合上后，延時40ms,控制SCR2觸發(fā)器電路斷電。

7、換表過程結束，拆除相關夾具。

現場用戶工況復雜，功率等級多樣，在實驗室中充分驗證該裝置的可行性。實驗室內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，通過真實表箱對其供電，然后TBD接入進行換表操作，換表過程中示波器采集漏電流，以及負載端電壓，經反復實驗確認，沒有漏電流產生，負載端因為不同負載，換路時電壓恢復時間不一樣，但基本都在10ms內。在主電路與旁路切換過程中負載端各類工況下電壓波形如圖所示，圖15為1200W純電阻負載，圖16為500VA純電感負載，圖17為500VA純電容負載，圖18為1200W電阻負載加500VA電感負載，圖19為1200W電阻負載加500VA電感負載加500VA電容負載，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，但這個時間都小于10ms，即滿足無縫切換的要求。

 圖15 1200W電阻負載時電壓波形

圖16 500W電感負載時電壓波形

圖17 500W電容負載時電壓波形

圖18 1200W電阻、500W電感并聯負載時電壓波形

圖19 1200W電阻、500W電感、500W電容負載時電壓波形