单相智能电能表外置继电器电路的设计与应用

于 泳 牟向阳

（中电装备山东电子有限公司，山东济南250109）

0 引言

国家电网单相智能电能表对小于60 A的用户进行远程拉合闸操作是依靠智能电能表内置的负荷开关，如果负荷电流大于60 A，为了进行远程控制，需要智能电能表外置负荷开关。为简化电路，降低成本，满足使用要求，通过应用光耦可控硅对外置负荷开关进行控制。

1 设计方案

根据国家电网计量中心全性能试验检测公告4号补疑：按照智能电能表远程费控执行流程，结合现场使用情况，提出基于220 V AC电压的手动合闸和自动合闸的控制和反馈方案。对于继电器外置单相电能表，电能表硬件调整如图1所示，外置负荷开关输出控制信号C接辅助端子5，跳合闸输入反馈信号R接辅助端子6，这两个信号端子均以供电线路的零线（N）作为信号参考点。为防止人体触电，要求采用220 V AC串联100 kΩ的方式进行控制和反馈。

图1 辅助端子接线图

2 工作原理

该电路主要由三极管控制光耦可控硅的通断。以输入的控制信号R_OFF来实现光耦可控硅的通、断，控制信号高电平4.6～4.8 V，低电平0～0.5 V。当输入信号R_OFF=0时，Q5无驱动信号而截止，VCC提供给光耦可控硅需要的驱动电流使其导通；当输入信号R_OFF=1时，Q5获得驱动信号导通，光耦可控硅两端电压被拉低，光耦可控硅处于断开状态。电路如图2所示。

图2 光耦可控硅控制电路

3 主要元器件选型及参数计算

由于各个电力公司要求电能表上电时，应在500 ms（重庆要求20 ms）内输出允许跳闸信号，确保外置负荷开关不动作，当电能表满足控制条件时，需输出跳闸信号驱动外置负荷开关动作。从图3中可以看出当电压升到5 V时，光耦可控硅动作，上电延迟时间为12.6 ms（无法判断上电时间点），如果上电点是正弦波的下降沿，最多会增加5 ms的上升时间，上电最长延迟时间为17.6 ms，压降为1.8 V，能满足要求。

图3 电能表上电延时波形

光耦可控硅驱动电流为5 mA，正向压降受温度影响极限值为1.5 V，典型值是1.2 V，可控硅后端的漏电流最大为1 000 nA（在高温情况下），考虑上拉电阻1%精度、100ppm温度系数的影响，则最大上拉电阻为：

由于光耦可控硅能承受的最大驱动电流为20 mA，则最小上拉电阻为：

考虑到光耦可控硅10年衰减率为10%，则此时的最大上拉电阻为：

在这里则最小上拉电阻为：

由于10年衰减率才达到10%，年衰减率非常小，综合整机功耗等多方面，选择680 Ω，功耗为：

功耗在我们可接受的范围内，我们选择1/10 W的0603封装，1%精度贴片电阻。680 Ω的贴片电阻受温度和精度影响，变化范围为668.8～691.3 Ω。可算出：

控制信号R_OFF的电压为4.7 V，由图4可以算出三极管最小放大倍数：

限流电阻最大值为：

综合考虑各项因素选择常用的20 kΩ，功耗为：

图4 三极管放大倍数曲线图

考虑到输出端极端条件的两种状态是接到380 V电压上和短路，从光耦可控硅技术手册上得知输出端在关闭状态下能承受的最大电压为600 V（峰峰值），有效值为424.3 V，输出端在导通状态下的压降是1.8～3 V。当光耦可控硅在关闭的情况下，这两种状态光耦可控硅不受损坏。当光耦可控硅在导通的情况下，当接到380 V电压上，光耦可控硅两端是等电势；当短路时，光耦可控硅两端的最大压差是380 V，由于后端是由3个1206-33 kΩ/0.25 W±5%±100ppm贴片电阻串联，贴片电阻超负荷工作电压1206封装为400 V，最大长时间工作电压为200 V，根据电能表的可靠性要求，1206封装的电阻分压为100 V（按降额50%），能满足设计要求。

4 结语

外置继电器设计是智能电能表远程费控能够正确执行的根本保证，直接影响智能电能表的可靠性和稳定性。本文针对国网计量中心的要求，对外置继电器的原理进行分析与设计，提供了一种简单有效的解决方案。经批量运行验证，能够实现220 V AC电压的手动合闸和自动合闸的控制和反馈，安全可靠。