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浅谈智能电表中继电器分流器改进方案和检测方法

集成电路应用杂志 2018-10-31 15:35 次阅读

1  引言

应用在智能电表[1]上的磁保持继电器分流片与接线端子的连接,均是依靠在分流片和接线端子打一个直径为 4~5 mm 的螺丝孔,然后靠螺丝和弹性金属垫片进行物理链接。但众所周知的是,金属导体因为打孔的存在,通电截面积下降,内部的导电性能必然下降,电阻变大;即使连接时所使用螺丝和垫片也是金属的,但由于金属材质的不同,加之螺丝表面不可能加工的十分光滑,所以很难保证其导电性良好;并且在运输的过程中,由于颠簸震动等因素的存在,螺丝接触很有可能变松,松动后,分流片和端子之间就变成了不良接触,这些原因,都会导致连接处的电阻变大[2-5]。

对于电表而言,通电端子会在使用中会传导比较大的电流,而根据电能产生热能的公式(1)。

Q = I2×R×t(1)

其中,I 为电流,R 为导体电阻,t 为通电时间。由于螺丝连接处的电阻变大,那么此处的发热也十分严重。给一只电表输入 60 A 的通电电流时,在室温 21 ℃ 的情况下,15 分钟后,螺丝的点的温度可以升高到 43 ℃。这个热能由于在电表壳体内密封,很难通过热导将其向外传递,因此,极大的会影响电表内部元件的正常使用。而如果用焊接方法解决的话,也会带来两个问题:

(1)继电器分流片与表壳所带端子通常为两个生产厂家,对于安装调试来说几乎是不可调和的,不论让哪一方完成焊接都难以实现,如果焊接,分流片出现问题则无法更换。

(2)即使是焊接,但是由于助焊剂、焊接工艺的问题,在长期的电流发热状况下,其焊接处会出现异常状况,这种状况既不可逆,又无法处理。

2  改进方案

为了解决智能电表上的磁保持继电器分流片与接线端子的连接发热问题,本方案改进现有的继电器分流片和端子的形状,并提供一种易行可靠的连接方法,使得继电器分流片和通电端子良好连接,不会因为连接问题而增加额外的阻抗,从而避免额外的发热。

2.1 方案构成

这种用于智能电表上分流片与接线端子的连接结构,其特征如图 1 所示,图 1(a)为弹性钢卡夹,其卡夹具有夹持部和接线端;图 1(b)为分流片的连接端子具有齿条结构,与所述端子连接图 1(c),接线端子具有齿条结构,连接端子的齿条结构与接线端子的齿条结构啮合连接,啮合连接处夹持所述卡夹的夹持部;图 1(d)为各主要结构原件组装完成后的效果图。

2.2 检测方法

以检测一只 5(60) A 使用 300 μΩ 继电器分流片的电表为例,结合图 1 中的(d)图。

(1)先安装在弹性钢卡上的检测线连接至电表MCU 的电压检测或者独立的 AD 检测处。

(2)通过实际测量,当一只电表选用一个 300 μΩ 继电器分流片时,与接线端子可靠连接后(我们选择焊接时测量的值作为参考量),从接线端子最下端(即接线端子 2 中的下方螺丝孔处)测量,其总电阻最大阻值不超过 500 μΩ。那么就说明,如果使用弹性钢卡将继电器分流片和接线端子连接后,其最大阻值应该在 500 μΩ 左右。

(3)在电表校验时需要接入最大电流 Imax =60 A 时,检测安装在两只弹性钢卡上的检测线之间的电压,计算过程如下。

一个 300 μΩ 的继电器分流片在 60 A 电流时分压的电压应该为(2)。

V1=(300×10-6 Ω)×60 A=0.018 V(2)

而其在最下端时,继电器分流片在 60 A 电流时分压的电压应该为(3)。

V2=(500×10-6 Ω)×60 A=0.030 V(3)

检测安装在两只弹性钢卡上的检测线之间,通过 MCU 或者独立的 AD 检测处,实际测量的电压为 V。

通过比较这三个量之间的关系得到以下关系。

当 V>V2 时,则说明继电器分流片的连接端子和接线端子没有可靠连接,因而阻值超过正常值,电表会有发热异常的隐患,应当重新连接或更换部件。

当 V1<V<V2,则继电器分流片的连接端子和接线端子连接可靠,弹性钢卡处的分压正常。

当 V3<V1 时,则继电器分流片的阻值偏小,为不合格产品。

通过实验,如果还按照原有的打孔螺丝链接,还在电表接入 60 A 时电流时,经测量最下端的电压可以达到 VL=0.092 V。通过和本方案的比较可以看出,如果用螺丝链接,发热量将是本方案的 VL/V2=0.092 V / 0.030 V=3.06 倍,可见,本方案是有效可以降低电表发热的一种方式。

2.3 方案变形

如果在 DRAM 中存在超标情况,例如:内部不论是否通过弹性钢卡连接,凡是通过测量继电器分流片两端电压而对继电器分流片连接异常进行判断的。本文档给出的是火线处继电器分流片的检测,对于零线处同样可以按此方式检测。结合图 2,即使在不适用继电器的分流器连接检测中,也同样可以采用这种方法。

3  结语

本方案与现有技术相比具有如下优点:(1)连接可靠,接触面积大,并且不需要打孔,不改变导体形状,不会因为生产安装的原因带来其接触部位的电阻变大,导致发热。(2)弹性钢卡为弹性材料,不会因为颠簸、震动等原因松动。(3)安装便捷,出现故障维修方便。(4)可以在校表过程中,检测出继电器分流片和端子连接的异常,从而判断出电表是否会在此处发热。(5)通过该方式,使得在生产过程中就能通过校表等过程直接筛选出可能会出现发热的表计,从而保证产品质量的稳定。

参考文献

[1] 王思彤,周晖,袁瑞铭,易忠林.智能电表的概念及应用[J].电网技术,2010,34(04):17-23.

[2] 王甲,阮颐,宋文博,杨兴智.一种基于M-BUS通信技术和图像识别算法的摄像式水表设计[J].仪表技术,2017(06):5-8.

[3] 王甲,阮颐.一种简化型M-BUS通信芯片设计[J].集成电路应用,2017,34(01):33-35.

[4] 王甲,宋文博,阮颐,宋清亮.磁阻传感器在电子式水表、气表中的应用研究[J].集成电路应用,2017,34(04):40-42.

[5] 王甲,傅代军,阮颐,宋文博.一种单IO口控制的继电器驱动芯片设计思路[J].集成电路应用,2017,34(05):27-29.

原文标题:智能电表中继电器分流器的改进设计

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