传输电缆中寄生电感对于电路本安特性的影响

…………………………一皇王研　一　＿　传输电缆中寄生电感对才电路本安特性的影响　天地（常州）自动化股份有限公司　张兴华　【摘要】煤矿井下安全监控系统中本安电源供电的传感器传输距离差异较大，而本安设备评价系统中采用的关联火花试验是建立在传感器与本安电源就近供电的基础上，　与现场实际情况不一致，本人对本安电源供电传输电缆中寄生电感最大能量的计算，得出了符合本安要求的电缆临界长度值的存在，对于构建本安供电关联试验提供了实　际的借鉴意义。　【关键词】寄生电感；短路；最小点燃曲线；临界长度　１引言　联接。　ｉ　＾；　中流过电流，此电流随着电缆长度的不同，即　本安电路是指即使线路发生短路或电火　花，也不足以点燃周围的易燃易爆气体，这样　的电路称为本质安全电路。目前国内对本安电　路的评估主要通过两种方式，理论计算及爆炸　试验，其中爆炸试验即火花点燃试验，通过该　需要认证为“本安”的设备与其关联的本安电　源进行火花点燃试验，如不爆炸即认证该设备　电路为本安电路，试验中往往是本安电源与本　安设备就近供电，供电距离一般不超过５米。　而对于煤矿井下安全监控系统现场使用的实际　情况是本安电源与其关联的本安设备，如传感　器，传输供电距离可达３ｋｍ，由于电缆中存在　定的寄生电容、电感，即实际上使用中存在　定的能量叠加传输，因此不能一概而论的判　一一不同电感值时的电流值。从图中可以看出曲　线（ｉｖ）比较接近（ｉｉｉ），但能量曲线远但当曲　线（ｉｉｉ）为电缆长度为零时的最小点燃电流曲　无限长度的电缆连接也无任何点燃危险。　　线，这就意味着曲线（ｉｉｖ）所示的电路，即使在　　！图１电缆供电传输时寄生电感等效电路　电感Ｌ和电阻Ｒ的参数随电缆长度的变化而　变化，如在最远的短路时，其最大电流值为：　，：　Ｒ＋Ｒ　（１）　一　当切断此电路时，其火花放电的最大能量　为：　ＬＩ２＝０５Ｌ＊．定该本安设备是否符合本安电路特性。　本人通过计算长距离传输中最大能量是否　符合最小点燃曲线为条件，从而得出电缆的寄　生电感能量对于本安电源远距离传输安全特性　的影响，得出电源在感性电路中临界长度的存　在。　志　（Ｒ＋Ｒ　）‘　图２电源电感随电缆长度变化的短路电流与本安曲线　对式（２）求导，则当Ｒ－Ｒ　时其最大能量Ｗ值　最大，即当上诉电路中电缆长度的电阻等于供　电电源的内阻时ｗ值最大，将存储最大电感能　量的特定电缆长度称为临界长度。　曲线（ｖ）为在２４Ｖ，２４（）的电源与２００ｕＨ／Ｑ　２．电缆的寄生感性能量及电缆临界长度　本安电缆的寄生电阻、电感和电容一　般是均匀分布的，其对电缆参数的评估一般　可以视作一条输出线，但其数学模型较为复　杂，如直接引入到对本安型设备的直接评估　较为困难，本文中以集中的电缆参数表示，　以达到不同电气参数电路中的最大能量，采　用此方式可很快得出寄生电容的能量０．５ＣＶ　是随电缆长度的增加而增加，但由于电缆中　寄生电阻的影响，其电缆能量０．５ＬＩ　是在某特　定长度的电缆达到最大值。如图１所示的线路　中，Ｖ　表示无电感电源的开路电压，Ｒｃ为限流　电阻，与一个存在寄生电感Ｌ和电阻Ｒ的电缆相　段（包含了２００ｍＡ）来观察ＰＳＭ与ＰＷＭ的切换　过程。从图５中可以看到，当负载电流从５０ｍＡ　慢慢增大到３５ＯＩＩｌＡ的过程中，由于引入了ＰＳＭ技　术，功率开关管的驱动波形在２００ｍＡ时发生了　变化，即负载电流小于２００ｍＡ时，驱动波形出　现了一些空白区域，也就是“跳过”了一些周　期，这就是所谓的ＰＳＭ模式。这样在相同的间　一３．电缆临界长度时电流值与最小点燃曲线　下图中曲线（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）为电源电　压分别在１８Ｖ，２２Ｖ，２４Ｖ时的电感与电压关系　的实际最小点燃曲线（未考虑安全系统１．５），　上诉曲线的电路均为电源串联电阻值为Ｒ的不　变阻值及可变电感Ｌ，从电源电压２４Ｖ的曲线　（ｎｉ）中可以看到，当电路中电感小于４５０ｕＨ　时，无任何点燃危险，与最小点燃电流无影　响，即远距离供电的电缆寄生电感小于４５０ｕＨ　时无任何点燃危险；曲线（ｉｖ）为２４Ｖ电压，电　阻为２４　Ｑ的电源，连接一可改变长度的电缆的　最大点燃能量曲线，其电感与电阻的比值为　３０ｕＨ／Ｑ，当电缆在远端发生短路时，在电缆　轴表示效率大小。从图５和图６都可以看出，随　着负载的减小，电源的效率都会减小。对比　两种情况下的转换效率，由于ＰＳＭ调制模式的　引入，当负载电流小于２００ｍＡ，大于９０ｍＡ时，　转换效率可以稳定在８０％以上，在３０￣ｌＪｇ０ｍＡ区　间，ＰＳＭ模式下，转换效率也能保持６０％以上。　但对于ＰＷＭ单模工作的情况，如图６所示。当　的电感电缆相连接，在各种电感值时的短路电　流，亦即各种电缆长度时的短路电流值，从图　２中可见当电流约在电感值１．６ｍＨ￣ｌＪ１０ｍＨ范围内　超过其最小点燃电流。　从式（２）中可知电缆参数为３０ｕＨ／０电缆最　大存储能量的电感值为：　３Ｏ×２４＝０．７２ⅡＩＨ　（３）　对于参数为２００ｕＨ／Ｑ电缆最大存储能量的　电感值为：　２００×２４＝４．８ｍＨ　（４）　由图２可知，３０ｕＨ／Ｑ电缆最大储存能量　（０．７２ｍＨ）的电流低于２４Ｖ的点燃曲线，２００ｕＨ／Ｑ　电缆最大储存能量（４．８ｍＨ）的电缆长度时的电　流在曲线（ｖ）中超过了曲线（ｎｉ）的最大点燃电　参考文献　ｌ１＿何全涛高效率大负载降压型ＤＣ—ＤＣ转换器的研究与　设计【Ｄ】西安：西安电子科技大学，２０１０　【２］王晓晓高效同步降压式ＤＣ／ＤＣ控制芯片的研究与　设计ｐ】．西安：西安电子科技大学，２００８．　『３应建华，张玺，３］李唯，等．高频ＰＷＭ　ＤＣ／ＤＣ转换器设计　【Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），２００６，３４（ｉＩ）：６７—６９．　【４］常昌远，陈瑶，李俊等．基于双频ＰＦＭ控制模式的　升压式ＤＣ—ＤＣ变换器Ｕ］东南大学学报（自然科学　版），２０１３，４３（４）：７０１　７０５．　内，有效的减少了功率开关管的开通和关断次　数，从而提高了轻载效率。而那些没被“跳　过”的周期（黑色区域）仍然可看成频率没变　的ＰＷＭ调制，有效地保证了输出电压纹波。　当负载电流大于２００ｍＡ时，电路又自动切　换到了ＰＷＭ模式下工作。在两种模式过渡的过　程中，从第一幅波形可以看到对输出电压的冲　击是比较平稳的，变化不Ｎ０．４Ｖ，而且很快地　又稳定到了确定的输出电压值。另外，值得重　视的是，由于ＰＳＭ模式的引入，输出电压的纹　波明显的增大了，但是通过计算表明，纹波电　压还是在５％以内，是满足指标要求的。ＰＷＭ模　式工作时，输出电压纹波在２％以内。　３．２　ＰＷＭ与ＰＷＭ—ＰＳＭ效率比较　负载电流小于１６０ｍＡ转换效率就下降到了８０％以　下，同样从３０￣ｌＪ９０ｍＡ变化时，其转换效率比　ＰＳＭ要低ｉ０％一２０％左右。说明ＰＳＭ有效地提高了　轻载时Ｄｃ—Ｄｃ变换器的转换效率。仿真结果验　证了本文提出的ＰＷＭ—ＰＳＭ双模控制方案的可行　性。　４．结束语　［５陈东坡，５］何乐年，严晓浪，等一种具有７５０ｍＡ输出电流，　双模式ＰＷＭ／ＰＦＭ控制的高效率直流一直流降压转换器　Ⅱ】半导体学报，２００８，２９（８）：１６１４—１６１９　【６］ＬＩＵ　Ｘｉｎ，ＧＵＯ　Ｓｈｕ—ＸＢ，ＣＨＡＮＧ　Ｙｕ—ｃｈｕｎ等Ｓｉｍｐｌｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ＰＷＭ　ａｎｄ　ＰＳＭ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＤＣ　ＤＣ　ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　本文根据ＰＳＭ￣Ｎ的高效率以及ＰＷＭ￣Ｎ的　低纹波特性，有效地提把两种模式结合起来，　实现双模自动切换来驱动功率开关管。研究结　果表明，对提高轻载时电源的转换效率的效果　十分明显，与传统的ＰＷＭ—ＰＦＭ技术相比，克服　了负载范围小，输出纹波大的缺陷。电路结构　也相对比较简单，适合应用到工程中。但由于　ＰＳＭ的引入还是不可避免的增大了输出电压的　纹波，希望在之后的研究中，能进一步降低输　出电压纹波。　ｆｏｒ　ｌｕｍｉｎａｎｃｅ—ｒ　ｇｕｌａ忙ｄ　ＷＬＥＤ　ｄ￣ｉｖｅｒ［Ｊ］中国邮电高校学　报（英文版），２００９，１６（２］：９８—１０２．　【７］袁冰，来新泉，叶强，等．集成于电流模降压型ＤＣ—ＤＣ　变换器的电流采样电路［Ｊ］．半导体学报，２００８，２９（８）：１６２７—　１６　１　用０ＲＩＮＧＩＮ８拟合曲线，ＰＳＭ—ＰＷＭ双模￣ｎＰＷＭ　单模情况下的转换效率曲线分别如图５和图６所　示。图６中横轴表示负载由０逐渐增大到１Ａ，纵　作者简介：刘雪飞（１９８８），男，重庆人，硕士　主要研究方向：模拟集成电路设计，开关电源。　申早．ｔ｜再　一　ｑ一　ｌ　一皇王贸宴…………………………一　智能电网环境下的电能计量　广州供电局有限公司　蔡秀玲　【摘要】随着科学技术的发展和智能电网建设的逐步完善，智能技术在电能计量领域得到了有效运用，数字化、智能化、标准化、系统化和网络化成为现代电能计量系统　的发展趋势。本文简要介绍了智能电能计量系统，论述了智能电网中电能计量的特点，同时指出了当前智能计量系统发展中存在的一些问题，最后针对我国智能电能计量　系统发展现状提出建议。　【关键词】智能电网；智能化；电能计量　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｇｒａｄｕａｌ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｍａｒｔ　ｇｒｉｄ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｈｅｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｙ　ｍｅｔｇｅｒｉｎｇ，ｄｉｇｊｔａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｉｅｃｍａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，ｓｙｓｔｅｍａｔｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｍａｒｔ　ｇｒｉｄ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｎｑｅ　ｔｉｍｅ，　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｆｉｎａｌｌｙ，ｍａｋｅｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｔｏｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｓｍａｒｔ　ｄ；ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　引言　全球资源环境问题曰趋严峻，能源价格波　动剧烈，电力负荷快速增长，为全面支持清洁　能源和低碳经济发展，提升供电质量和服务水　平，国家电网公司在２００９年提出建设以特高压　电客户，并自动生成电量电费清单、故障处理　指令以及各种统计分析报告　’　。图１是智能　电能计量系统结构图。　电网为骨架网络　。　，各级电网协调发展，具　有信息化、数字化、自动化、互动化特征的坚　强智能电网，建成坚强可靠、经济高效、清洁　环保、友好互动的现代电网。　电能是国民经济和人民生活极为重要的二　次能源。电能计量贯穿了发电、输电、变电、　配电、用电各个环节，电能计量的公平、公　１．９１亿户，不仅为生产、运营监控分析系统提　正、公开直接关系到发电企业、电网企业和用　供实时数据，还为大数据管理、云计算应用提　户的利益，同时还涉及许多技术、社会和经济　供了海量数据　。　２．１完善电能计量信息系统　问题　。传统的电能计量已经无法满足分时电　智能电能计量系统运用先进计算机技术、　价、网上缴费等需求，随着智能电网建设的推　电子技术和通信技术，具有信息传输快、处理　进，势字化、智能化、标准化、系统化和网络　化　成为电能计量的发展方向。　１．智能电能计量系统　智能电能计量系统是利用高级测量、高　速通信，高效控制等技术，实现数据采集、分　析、存储及信息反馈发布的伞程数字化和自动　化，构建起数字信号传输、高度信息化、操控　２．智能电网中电能计量的特点　智能电能计量系统是智能电网的重要组　成部分，是实现智能电网的信息化、数字化、　自动化和互动化的强大数据支撑。目前，国家　电网公司供区的智能电能表应用量占全球的一　半，用电信息采集系统成为世界上最大的电能　计量自动化系统。截至２０１３年年底，国家电网　公司累计安装智能电能表１．８２亿只，实现采集　管理终端网络分布广泛，可以搭建电力用户与　供电公司之间交流、互动的平台，构建电力公　司与电力用户能量流、信息流、业务流双向互　动的新型供用电关系。通过电能计量系统的数　据信息网络，电力用户可以了解近期的用电信　息，适当调整用电安排，改变用电消费行为。　供电公司可以根据用户的建议和需求，适当　调整供电管理策略，实现用电客户科学、经　济用电，供电公司优质、高效服务　。同时　这也促进了电网通信、分布式电源、微网　、　高级计量架构（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍｅｔｅｒｉｎｇ　Ｉｎｆｒａ—　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＡＭＩ）　…、需求侧管理（Ｄｅｍａｎｄ　Ｓｉｄｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＤＳＭ）　”　等相关技术领域电　能计量的发展，极大地丰富了电能计量的研究　范围，有利于电能计量系统的完善。　２．３提高检定效率和检定质量　计量检定中应用智能技术的数字化、自　动化能力，将彻底改变传统计量检定作业模　式　”　。室内检定的全部工作将由封闭式　全自动检定流水线来完成，实现室内检定工作　速度快、传输准确、抗干扰能力强等特点，使　计量信息的获取、传输和处理实现了一体化和　实时化　。它通过先进、安全、智能的信息　采集和测量技术，提供准确实时、详实可靠的　数字化测量数据信息，为实现智能电网的信息　化和智能化提供强大的数据支撑““。　。发达的　的全程自动化。在全封闭智能检定室内，检定　台自动完成智能电能表和互感器接拆线、检定　和打封，检定数据由计算机进行计算和判定，　智能化的开放式计量系统　’　。智能计量系统　主要由智能电能表、通信系统以及控制系统三　大部分组成。　数字化信息网络具备大信息流量和高速信息处　并自动存储、上传，生成检定证　。其检定过　理能力，有效地解决了目前运行监测数据传输　程无人工干预，杜绝了人工测量误差，节约人　　慢、存储量小的问题，极大地提高了电能计量　力和空间，极大地提高检定效率和检定质量。装置运行监测水平，有效防止窃电行为、破坏　现场检验将实现远程化和智能化　。在　计量设备行为的发生。对随时发生的计量设备　故障和运行安全隐患可及时上传计量参数、故　障现象等信息，方便计量人员及时准确地判断　和处理设备故障和事故隐患，提高电能计量可　靠性和安全性。　２．２实现智能化管理　计量系统强大的数据信息网络，能够从各　高压计量中　ｊ，电能表以智能互感器提供的　数字式信号作为测量对象，经通信网络传回实　验室，再通过检测设备进行检验。计量人员无　需携带校验设备奔赴现场，通过智能电能计量　系统进行远程控制，就能完成电能表的现场检　验工作。提高了工作效率，避免人员现场工作　存在的安全风险。　２．４全过程规范管理计量器具　国家电网公司在公司系统全面实施“三　图１智能电能计量系统结构图　智能电能表、互感器采集的数字化计量信　息，通过高速通信网络上传至信息分析处理中　经分析整理后的数据传送给供电公司和用　，个不同的计量节点提取需要的信息，然后根据　提取的信息制定或改进相关的管理策略，促进　各个发电厂、变电站、输电线路和配变台区间　的深入合作，最终为电力用户提供更加完善的　电能服务　Ｊ。智能电能计量系统中智能用电　尽管本安电源关联火花试验很多接近于点　燃的条件下，不一定取决于电缆中储存的最大　电感的能量，但当电缆处于临界电缆长度时的　最大能量对于检验关联设备是否达到最小点燃　曲线是有一定的借鉴意义的。　参考文献　…１国家标准化管理委员会．ＧＢ３８３６．４—２０１０［Ｓ］北京：北京　标准出版社，２０１０　【２】孟庆海，牟龙华．本质安全电路低能电弧放电特性及　参数Ⅱ］．电工技术学报，２０００（３）：２８—３０　［３】孟庆海，牟龙华．本质安全电感电容复合电路电弧放　集五大”（即人力资源、财务、物资的集约化　管理，大规划、大建设、大运行、大生产、大　营销的五大管理体系）建设工作，电能计量作　电特性的研究ＵＪ煤炭学报，２００４（４）：２９　３１　【４１刘健，刘树林．ＢＵＣＫ变换器的输出本质安全特性分析　及优化设计Ｏ】．电机工程学报，２００５（１０）：５２—５７　［５］孟庆海，牟龙华．电感性本质安全电路伏安特性参数　的确定Ｕ】．中国矿业大学学报，２００１（￣：５１—５３　项目来源：天地（常州）自动化股份有限公司科研基　金项目（项目编号：１３ＳＹ００５）。　流。　由此可见在本安电源长距离供电中电缆长　度（电缆）的增加并不意味着最大储存能量的增　加，由此可见电缆临界长度的存在。　４．总结与展望　曲线（ｖｉ）是供电电源ｌ８Ｖ，阻值为６　Ｑ，　电缆参数１ＯＯｕＨ／Ｑ的短路电流曲线，根据式　（２）可知存储最大能量的电缆长度是寄生电缆　阻值为６　Ｑ时，其电感值为０．６ｍｆｌ，本安电源在　实际使用时取１．５倍的安全系数，则所取得短　路电流值将比图２中（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）曲线低　３３％。　作者简介：张兴华，男，辽宁锦州人，硕士，主要从　事本安电源开发。　４０一屯子世界