基于可控硅的不停电换表辅助装置TBD101

智能电能表是电网电量数据采集重要基础设备，是公平、公开电力交易的基础。根据《电能计量装置技术管理规程》规定，必须对在运行的电能计量装置进行定期抽检，抽检后不合格率达到阈值时就要进行批量更换。 随着双碳目标的落实，对电能计量也提出了更新的要求，需更换新技术的电能表。现场大量的更换给运维人员带来了很大的工作量，为了保障运维人员安全，一般规程都要求进行停电更换。频繁的停电换表作业影响到部分用户正常用电，甚至会导致个别用户大量的经济损失，引起的相关投诉居高不下。

经过调研以及资料查询，目前国内不少电网公司都已研制了不停电换表辅助装置，但是都有一定的局限性，一种是带不停电换表模块的新型表箱，这类装置通过在传统表箱中加入不停电换表底板模块，以此实现不停电换表功能。这类装置需要对整个表箱进行更换的，存在以下缺点：

1）针对的范围为新装电表，对于存量用户很少更换新表箱。

2）成本高，如果对存量用户批量更换表箱，按浙江省每年更换50万存量表计，每个表箱成本约1000元，产生的表箱更换费用将达到5亿元。

另一种是耗材型不停电换表装置，这类装置通过对表计下端导线进行短接的方法，实现不停电换表功能。这类装置较为简便，但存在以下缺点：

1）安全性差，需要进行穿刺连接，造成绝缘层的破坏，并且仍然是带电换表，给换表工作带来较大的安全风险。

2）成本高，为耗材型装置，每更换一个表都需一定设备成本。按浙江省每年50万存量表计更换，每个装置成本约20元，每年产生的换表费用将达到1千万元。

3）智能化差，缺少不停电换表期间电量计量、错相接线诊断、保护等智能化功能的实现。

现有方案虽然能实现不停电换表功能，但是在更换表计时表计处仍然带电，员工的安全风险高，换表辅助设备成本高，难以满足国网公司对于安全生产、经济效益、社会效益等方面的要求。

针对目前行业内不停电换表方案的局限性，要么需要更换表箱底板，仅适用于新装用户，成本较高，要么需要耗材，安全性较低，都没有得到大规模推广应用。国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司以推广应用为目标，联合南京研旭电气科技有限公司研制了基于电力电子技术研制一种基于可控硅的不停电换表辅助装置TBD101，解决目前不停电换表存在的漏电保险跳闸爆炸、错相智能诊断等技术难题，不仅适用于目前存量用户，不用更换表箱，而且不需要额外耗材，综合成本低。TBD101不停电安全换表辅助装置，真正意义实现换表用户不停电，换表操作人员不带电，具备接线错相智能诊断、保护等功能，技术含量高，不但解决生产中不停电换表实际问题，而且具有良好的推广前景，满足国网公司对于安全生产、经济效益、社会效益等方面的要求。

TBD101实物图如图1所示

图1 TBD101不停电换表辅助装置实物图

TBD101不停电换表辅助装置的系统拓扑与原理

图2 TBD101不停电换表辅助装置系统拓扑原理

TBD101不停电换表辅助装置内部控制器原理如图3所示

图3 TBD101不停电换表辅助装置控制器原理框图

TBD101不停电换表辅助装置内部主要结构如图4所示

图4 TBD101不停电换表辅助装置实物结构图

TBD101不停电换表辅助装置接入夹具如图5所示

图5 TBD101不停电换表辅助装置接入夹具

TBD101不停电换表辅助装置夹具安装示意如图6所示

图6 TBD101不停电换表辅助装置夹具安装

TBD101不停电换表辅助装置表箱连接如图7所示

图7 TBD101不停电换表辅助装置表箱连接

TBD101不停电换表辅助装置操作引导界面如图8所示

图8 TBD101不停电换表辅助装置操作引导界面

TBD101不停电换表辅助装置应用场景如图9

图9 装置应用场景

要了解装置主要工作原理，首先要了解一下目前换表辅助装置直接旁路法为什么会失效。

直接旁路换表法的失效分析

直接旁路换表法是比较典型的方法，采用穿刺夹具直接旁路或者通过接入夹具后，在旁路电路上通过交流接触器来进行切换，其典型接法如图10所示，图中KK1表示空开， RCD表示剩余电流保护器，KM表示接触器 ,负载为0-1.8kW可调负载 ,CT1、CT2、CT3为穿心式电流互感器。

图10直接旁路换表接线示意图

实验 ：KK1、RCD、KM 在合位，负载 250 瓦，分 KM，RCD 有时跳闸，典型漏电流波形如图 2所示 ，有时不跳闸，如图3所示。主回路和旁路并联通路，分KM时，主电路产生了漏电流。从图11波形放大部分可以看出，在分接触器时主回路最大剩余电流达到 1.4A，漏保几个毫秒后就跳闸； 而同样工况如图12所示，分接触器时主回路最大剩余电流为 0.22A，由于电流小且持续时间比较短（10ms 左右），没能达到RCD保护时限。反复实验中发现，在旁路电流接近过零点分闸时，剩余电流小，反之剩余电流大，跟实际合闸时机有一定关联，重复多次后剩余电流保护器还可能爆炸，损毁的剩余电流保护器如图13所示。

图11 RCD跳闸时剩余电流波形

图12 RCD没跳闸时剩余电流波形

图13损毁的剩余电流保护器

由实验可以看出，在有旁路电路时，断开主电路空开，空开分合触点不同步会产生漏电流，导致RCD动作，有些情况下甚至会导致RCD爆炸。通过交流接触器直接旁路的方法在有RCD的情况下并不适用。

实验解释了直接旁路法失效的可能，那为什么漏电保护器会爆炸呢，这就要进一步对剩余电流保护器的工作机制进行分析。

目前，国内低压配网所使用的漏电保护器主要为剩余电流保护器电子式漏电保护器采用分立元件电路或者集成电路组成电子电路，对漏电信号放大、处理比较后，触发晶体管开关电路使漏电保护器动作，其原理如图14所示。

图14 剩余电流保护器原理图

图中L为继电器线圈，得电时驱动开关K1断开，D1为单相全桥整流电路，每个桥臂用两只二极管串联以提高耐压，R3、R4为整流电路的输出负载，阻值较大，当K1合上时，线圈L上的电流不足1mA,不足以驱动电磁铁动作，此时用电设备正常运行，线路中电流呈平衡状态，如式1，互感器中电流矢量之和为零。电流互感器一次线圈中没有剩余电流，因此二次线圈也没有电流，T1、T2为非导通状态，L线圈电流不变，电磁铁不会动作。若发生漏电时，漏电电流经漏电旁路，而未经互感器的一次线圈，致使互感器中出现了剩余电流，如式2。二次线圈感应到剩余电流，a、b两端就有电压输出，此电压触发T2导通，C2经R6、R5、T2放电，R5上产生电压，使得T1导通。T1、T2都导通后，相当于D1整流输出经两晶体管短路，L线圈中电流迅速增大，电磁铁动作，K1断开，D1的输入侧断电，剩余电流保护器在漏电发生后通过断开K1将电源切除了。按压K2相当于模拟R2处漏电，R1为压敏电阻，起到RCD的过压保护作用。

在直接旁路换表电路中，如图10所示，在换表时，先合上旁路的KM，然后手动断开KK1,在断开KK1的过程中，KK1的A、B、C、N四个触点分合不同步，因为旁路已经合上，此时先行断开的触点的电流流经旁路，未断开的触点依然从主电路流过，对于RCD而言相当于发生单相对地短路的漏电流，RCD的执行机构会动作。RCD断开到切换成旁路供电这段时间为Ts1，晶体管T1、T2因为主电路断电后，电流迅速减小，关断的时间为Ts2。若Ts1<Ts2时晶体管T1、T2未能关断，旁路供电则已经恢复，尽管RCD中K1已经断开，但是旁路供电使得RCD下端口有电，D1整流输出电路长时间接入T1、T2，线路中电流大，且一直持续，此时就会烧毁L线圈或引起晶体管T1、T2过流爆炸；若Ts1>Ts2时，晶体管T1、T2成功关断，旁路供电后，RCD虽下端口有电，D1整流输出电路接入的是R3、R4大电阻，电流很小，故不会损坏RCD。若要避免Ts1<Ts2这种情况，需要改进当下RCD的设计，即K1断开，RCD动作后，就应当迅速断开T1、T2，确保T1、T2可靠关断。

由以上分析可知，直接旁路电路，因为分合主电路中空开，甚至旁路电路中交流接触器分合时开关触点不同步到位的问题，会导致主电路中RCD动作，此时已经造成用户处断电，且掉电时间肯定超过了10ms，这个触点合闸的同步性差异时间与造成的漏电流大小都是不确定的，因此RCD有时跳闸有时不跳闸。当RCD跳闸后，若旁路电路继续供电，此时Ts1与Ts2竞争，有很大概率发生RCD爆炸。可见在含RCD的表箱中并不适用直接旁路法进行换表。

如果在有效断开主电路KK1时，再合闸旁路KM，也就是KK1断开与合上时实际是没有旁路电路的，此时不会有漏电流的发生。如何在有效断开KK1时，瞬时合上KM？为了使得中间的过程尽可能的短，就需要采用快速检测与快速切换开关。

如何在有旁路的情况下，开关触点不同步的情况下，不产生漏电流，如果采用旁路电路，可以采用隔离变压器，不产生主电路中的剩余电流，但是大功率的隔离变压器太笨重，也可以采用电力电子变压器或者高频变频器隔离方案，但这两者控制方案比较复杂，实施成本相对比较高，且重量虽比隔离变压器轻一些，但依然较重，不方便推广与实施。

如果主电路与旁路电路是互斥的，就是主电路分合时，旁路电路实际是断开的，旁路电路分合时，主电路是断开的，能够避免产生漏电流，但切换过程中是有断电的。如何尽可能的控制断电时间，在无缝切换标准中，在半个工频周期内完成电路切换，用户几乎是无感知的，即10ms内完成切换，采用晶闸管进行切换控制，是能完成无缝切换的。

在TBD101不停电换表辅助装置的系统拓扑图中可见，即图2中间部分为表箱内主电路示意图,用黑线标注，主要有三相交流进户线、空开KK1、电表、漏保、负载组成。图2下部为主旁路电路采用蓝线标注，主要有漏保、可控硅SCR1、反并联的电力二极管、电表，主旁路电路接入主电路中的1、3号接线点，1号接线点为空开KK1上方，3号接线点为漏保下方。图2上部为辅助旁路电路采用红线标注，主要有跟空开KK1并联的可控硅SCR2，接入主电路中的1、2号接线点，2号接线点为空开KK1下方。主旁路中反并联的电力二极管主要作用是增加主旁路电路的可控导通电阻，在二极管导通时，其有二极管的导通压降，比主电路导通电阻大，当主电路与主旁路同时导通时，主旁路电路实际是断开的。图中绿色部分为装置的信号采集、相序检测与控制电路。

基于可控硅的不停电换表辅助装置TBD101通过合理操作流程可实现用户无感知不停电换表，具体操作流程如下:

1、夹具分别接到对应的空开KK1上端1处，空开KK1下端2处，漏保下端3处，夹具上的引线分别插入到TBD的1、2、3接线处。

2、合上TBD上的漏保，系统启动后进行自动相序检测，通过分别检测1、2、3处电压，判断相序正确后，由控制蜂鸣器给出提示音进行下一步操作。若相序错误，蜂鸣器持续，并在TBD的液晶屏给出相序错误提示。

3、手动分空开KK1，控制器检测到KK1下端2处三相相电压均异常掉电，发出PWM脉冲控制SCR1导通。此过程中负载有短暂掉电时间，掉电时间主要是检测KK1从某相断开到三相全部断开的时间，以及开通SCR1的时间，该过程自动检测，自动控制，实际掉电时间在10ms内。主回路可靠断开后，旁路才导通，因此避免了旁路电路产生漏电流，RCD不会动作。交流接触器直接旁路的设备因为缺少这样的互斥自动控制，在旁路投入时，会导致主电路中RCD产生漏电流，从而导致RCD动作，此时旁路电路已经转供，RCD下端口有电，进而导致RCD爆炸或者烧毁。

4、手动分主回路中RCD，RCD断开后，电表的上下端都已经从电路断开，保证拆装电表过程中不带电操作。

5、换表结束后，手动合RCD，控制器检测到接线点1处 三相相电压由掉电状态转换到有电状态后延时50ms，这里的延时是确保漏保可靠闭合，控制SCR1触发电路断电，同时给辅助旁路SCR2触发电路通电，SCR2导通，SCR1断开。主回路通电，主旁路断电。这一过程中如果不存在辅助旁路SCR2，若主旁路已经断开，手动合空开KK1，手动操作会导致用户断电时间较长，不满足无缝不停电换表的要求，若主旁路没断电，这样又因为KK1触点合闸的不一致性导致漏电流，RCD动作，因为旁路还有电，RCD下端口有电，线圈与晶体管有可能因短路烧毁与爆炸。这一过程中SCR2与SCR1的互斥切换过程中会有短暂掉电，但切换过程是自动控制的，由晶闸管完成，切换时间较短，实际断电时间是毫秒级的，符合无缝切换要求。

6、根据UI程序提示，手动合主电路上空开KK1,SCR2被空开短路后因为电流小于其维持电流自然断开，控制器检测到接线点1、2电压差为0，即KK合上后，延时40ms,控制SCR2触发器电路断电。

7、换表过程结束，拆除相关夹具。

现场用户工况复杂，功率等级多样，在实验室中充分验证该装置的可行性。实验室内采用南京研旭的可编程RLC作为模拟用户，通过R、L、C不同组合模拟各种工况，通过真实表箱对其供电，然后TBD接入进行换表操作，换表过程中示波器采集漏电流，以及负载端电压，经反复实验确认，没有漏电流产生，负载端因为不同负载，换路时电压恢复时间不一样，但基本都在10ms内。在主电路与旁路切换过程中负载端各类工况下电压波形如图所示，图15为1200W纯电阻负载，图16为500VA纯电感负载，图17为500VA纯电容负载，图18为1200W电阻负载加500VA电感负载，图19为1200W电阻负载加500VA电感负载加500VA电容负载，可观察到切换过程中有短暂掉电或者电压不稳定的情况，但这个时间都小于10ms，即满足无缝切换的要求。

 图15 1200W电阻负载时电压波形

图16 500W电感负载时电压波形

图17 500W电容负载时电压波形

图18 1200W电阻、500W电感并联负载时电压波形

图19 1200W电阻、500W电感、500W电容负载时电压波形