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

　　硬件設(shè)計

　　三相智能電表主要由參數(shù)測量模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲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量不準(zhǔn)的是測量模塊。測量模塊主要有計量芯片、采樣電阻、互感器三個部分組成，其中任何一個部分的性能下降都直接影響智能電表的計量準(zhǔn)確性，所以在器件選型、參數(shù)設(shè)計上都是整表設(shè)計的重點。

　　（1）計量芯片

　　計量芯片是智能電表計量部分的核心，芯片的“采樣動態(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荷的能力和運行穩(wěn)定性，不同計量芯片的參數(shù)見表1所示。

　　圖1智能電表框圖

      采樣動態(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量誤差范圍為1%Ib~12Ib，例如10(100)A規(guī)格的智能電表計量范圍為0.1~120A，理論上動態(tài)范圍為1200:1的計量芯片就能滿足設(shè)計要求，就能通過實驗室的測試。但在實際電網(wǎng)中存在用電高峰電流超量程的突發(fā)情況，也存在沖擊負荷（如沖擊鉆、電焊機等）瞬間超計量范圍的情況，而超過計量范圍的這部分電量就會丟失不計量，引起計量不準(zhǔn)。如果在設(shè)計上選擇動態(tài)范圍為5000:1的計量芯片，同樣10（100）A的表在瞬間電流達到400A時也能保證正確計量，有效防止了沖擊負荷引起的不計量問題。

　　參考基準(zhǔn)溫度系數(shù)

　　智能電表作為計量產(chǎn)品，在實驗室檢定時的溫度要求為23±2℃，在溫度變化時，《GB/T17215.322-2008靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定0.2S級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/℃的計量芯片在環(huán)境溫度改變50℃時，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)的計量芯片在同樣溫度改變的情況下誤差改變只有0.05%，遠遠小于標(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)境下對采樣電阻產(chǎn)生了較大的沖擊。為了提升表計的抗沖擊能力，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。

　　為了驗證兩者的差異，我們對片狀電阻和柱狀電阻從實際運行角度進行了可靠性模擬。

　　抗脈沖群能力試驗

　　模擬現(xiàn)場運行在強脈沖群環(huán)境后電表誤差的穩(wěn)定性，為了搭建更加嚴酷的現(xiàn)場環(huán)境，我們?nèi)藶榧哟蠡ジ衅饕欢蝹?cè)的分布電容，對互感器的一次回路和二次回路并一個47nF的Y電容進行群脈沖試驗（見圖2）。

　　在測試電壓4.4kV，頻率100k的實驗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

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

　　試驗標(biāo)準(zhǔn)按8kV，10kV，12kV，14kV正負各打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酷環(huán)境下計量誤差的準(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償?shù)姆绞竭M行修正，但線性的差異還是沒有很好的解決，這個差異直接決定了智能電表誤差的線性。以下通過對互感器角差和智能電表誤差的變化關(guān)系說明角差對表計誤差影響的重要性。如表4所示，互感器在不同電流點的角差如果為5'，這兩點之間的誤差就存在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量誤差能控制在0.15%之內(nèi)。另外互感器初級和次級之間存在的分布電容經(jīng)常被設(shè)計人員忽視，但它的存在對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調(diào)試的方法來滿足計量要求。對于一些誤差線性要求高，在不同溫度環(huán)境中對誤差一致性有特殊要求的用戶，軟件需要進行動態(tài)溫度補償，建議以10℃為間隔，分段修正誤差，以達到在不同的環(huán)境中誤差一致性。圖3是動態(tài)補償前后誤差數(shù)據(jù)的比對表，從表中可以看出補償后的誤差數(shù)據(jù)基本都控制在±0.05%之內(nèi)，補償流程圖見圖4。

      三防漆工藝

　　對影響計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變小，最終導(dǎo)致計量負誤差，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)計的智能電表抗沖擊負荷的能力大幅提高，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，對國內(nèi)智能電表的性能提升具有一定的借鑒意義。