工频磁场对单相电能表的影响谢永明，李英莲（华立仪表集团股份有限公司，浙江杭州 310023）摘要：针对单相电能表在0.5mT工频磁场干扰下存在误计量的问题，分析其主要原因在于工频磁场在电能表电流采样回路上产生了大于电能表起动的感应电流。
对此，本文通过定量分析0.5mT工频磁场的影响量，根据磁通在交错的环中产生的感应电压是可抵消的，提出在不改变原有电路设计基础上，仅通过对分流器穿孔及改变双绞线焊接方式，来减小电能表电流采样回路上的感应电流。
经外部工频磁场影响试验测试证明了该方法的可行性。
关键词：0.5mT工频磁场；电流采样回路；感应电流；分流器；双绞线Power Frequency Magnetic Field Effects on Single PhaseElectricity MeterXie Yong-ming, Li Ying-lian（Holley Metering LTD , Hangzhou 310023，zhejiang, China）Abstract: Regarding the measurement error problem exists in the single phase electricity meter under the 0.5mT power frequency magnetic field interference, this paper concludes the main reason is that the current generated by the power frequency magnetic field is larger than the start current in the current sampling circuit of electricity meter. This paper analyzes quantitatively the value interfered by the 0.5mT power frequency magnetic field, based on the theory of “the induced voltage generated by magnetic flux in the alternating loop offsets each other", and proposes the method of only perforating the shunt and changing the welding position of twisted-pair cable to reduce the induced current in the current sampling circuit , but not changing the original circuit design. Actual experiments in the external power frequency magnetic field demonstration proved the feasibility of this method.Key words:0.5mT power frequency magnetic field; Current sampling circuit; Induced current; Shunt; Twisted pair0 引言电能表工作现场常因安装和布线不合理，使电能表处于空间工频磁场中，引起误计量，给用户带来额外的电费。
为保证电能表在现场复杂的工频磁场环境中可靠工作，2013年国网新标准Q/GDW1364-2013（代替Q/GDW 364-2009）新增了一条：“0.5mT工频磁场无负载，电能表电压线路通以115%Un，电流回路无电流，将0.5mT工频磁场施加在电能表受磁场影响最敏感处，在20倍的理论起动时间内电能表不应产生多于一个的脉冲输出”[1]。
工频磁场对电能表的影响主要是工频磁场产生的磁通在电能表的电流采样回路中产生感应电动势，使电能表误计量。
最不利的方向即最敏感处为电磁场与电能表电流测量回路正交方向[2]。
尤其是单相电能表采用分流器采样，电流采样信号小，容易受干扰。
那么为什么会选用磁感应强度为0.5mT的工频磁场对电能表进行试验，其对电流测量回路的具体影响量有多少？怎样才能减小这些影响量？本文针对分流器采样的单相电能表进行了讨论（以下未特殊说明，电能表特指分流器采样的单相电能表）。
1 0.5mT工频磁场的产生电能表安装到现场后，L、N上接额定电压，电能表处于工作状态，在电流线路无电流的情况下，若电能表附近有一根大电流线路靠近电能表时，如图1所示，对电能表测量会造成怎样的影响呢？首先介绍一下电能表测量的原理：电能表通过计量芯片采集输入电能表的电压信号和电流信号，并将采集到的信号变换成数字信号进行运算处理并输出显示。
其中电压线路通过电阻分压采样；电流线路通过分流器电阻采样。
由于电压线路采样信号比较大(几百mV)，故工频磁场对电压采样回路的影响可以忽略。
而电能表的计量芯片一般采用集成芯片，所以受工频磁场的影响小。
且电能表内传输的信号都是数字信号，因此工频磁场对控制和输出显示部分的影响小。
而采用分流器采样的电流线路信号很小，对起动电流的采样只有几µV，故工频磁场产生的感应电流很容易大于电能表的起动电流（通常折算后为几十毫安），因此，本文主要研究工频磁场对分流器电流采样回路的影响。
图1 大电流对电能表的影响Fig.1 Large current’s influence on the electricity meter 如图1所示。
当大电流线距电能表分流器距离为r，根据右手螺旋定则，可得感应磁场方向。
最不利的情况是分流器与大电流线平行，即分流器采样电阻全部正交感应磁场。
下面我们分析在最不利情况下该感应磁场产生的磁感应强度。
根据安培环路定理[3－4]：Il dHl∑=∙∙⎰（1）式中：∙H－磁场中某点A处的磁场强度；∙l d－磁场中A点附近沿曲线微距离矢量；I∑－闭合曲线所包围的电流代数和。
其中：HrHll dHl⨯==∙∙⎰π2INI=∑式中：r－闭合路径半径；N－线圈匝数。
则：rINHπ2＝（2）由于磁感应强度HBμ＝，式中µ为磁导率，且分流器的磁导率和真空磁导率大致相同，即µ=mH7104-⨯=πμ,那么：rINHHBπμμμ2==＝（3）因此，分流器处磁感应强度与干扰电流成正比，与距分流器距离成反比。
由于电能表内部的分流器距安放电能表表箱的最小安装距离约为40㎜，而工作在电能表外部的大电流走线不大于100A，且N＝1，则：mTB5.01040210010437=⨯⨯⨯⨯=--ππ因此，0.5mT工频磁场的产生在现场中可以视为100A电流线路以40mm安装距离靠近电能表电流采样分流器的情况。
那么当电能表工作在0.5mT工频磁场中时，它在测量电路的电流采样回路上产生多大的折算后的感应电流呢？下面我们对此进行详细的分析。
2 工频磁场对电流采样回路的影响工频磁场对电能表电流采样回路的影响如图2所示，我们主要研究电磁场与被测电能表测量回路正交的情况。
图中分流器与电路板之间的连线，我们采用双绞线。
使用的双绞线比较短且两根线紧密的扭绞在一起，将其扭绞成偶数环，则相邻环中产生的感应电压的极性相反，在每根导线上的感应电流是相互抵消的[5]；再加上计量芯片为差分输入，所以图2中的双绞线基本不受工频磁场的影响。
因此，电流采样回路上被干扰的主要是图2中S1、S2、S3三块面积组成的闭合环路。
工频磁场在该闭合环路中产生的感应电压可根据式（4）电磁感应定律[3]求出。
dtdBNAdt d Ne u ==-=φ （4） 式中：N －线圈匝数；A －磁通通过的截面积；B －磁感应强度。
如图2所示，截面积A 主要由三部分组成S1、S2、S3。
其中S1为分流器电流采样电阻部分，我们认为该面积内磁场是均匀的，故该区域磁场闭合回路包围的面积为S1/2，则：3212s s s A ++=（5） 图3中，S1、S2、S3均为一匝线圈，即N ＝1，设t B B ωsi n 20＝，代入式（4）有dtt B d s s s u )sin (2)2(0321ω⨯++= （6）图2 工频磁场对电流采样回路的影响Fig.2 Power frequency magnetic field’s influence on the current sampling circuit由于计量芯片内阻通常>10K ，远远大于采样电阻、双绞线和匹配电阻之和，故工频磁场在整个闭合回路中产生的感应电动势可认为全部集中在计量芯片上。
由工频磁场感应出来的电压被计量芯片误认为是电流流过采样电阻产生的电压。
如果令S1上采样电阻值为R1，则根据欧姆定律可得折算后的电流值为：tB R s s sdtt B d R s s sR u i ωωωcos 2)2()sin (2)2(01321013211⨯++=⨯++== （7）其有效值为：ω01321)2(B R s s s I r m s⨯++＝ （8） 由式（8）可见，在工频磁场的影响下，采样电阻越小，电路中产生的感应电流越大；测量电路的闭合回路面积越大，产生的折算后的感应电流也越大。
假设电能表工作频率为50Hz 、基本电流Ib=5A 、采样电阻R1=250µΩ、S1＝100㎜2、S2=S3=15㎜2，工作在工频磁场B 0＝0.5mT 时，计量芯片采样到的电流有效值为：mA I rms 24.5010250105.05021080636=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---π 因此该电能表长时间放入0.5mT 工频磁场中时，产生了大于4‰Ib （20mA)电能表启动电流，电能表将输出电能脉冲。
通过以上分析，结合公式（8）可知，只有减小测量电路的闭合回路面积或提高采样电阻值，才可减小0.5mT 工频磁场对电能表的影响。
对于电能表来说，要减小0.5mT 工频磁场对电能表的影响，提高采样电阻是不可行的。
因为当电能表通过大电流（一般为60A 或100A ）时，分流器上采样电阻会因自热引起误差变大，影响电能表正常工作。
在电能表设计时，采样电阻值一般定为100~350uΩ。
因此本文主要讨论通过减小电流采样回路面积来改善0.5mT工频磁场对电能表的影响。
3 电流采样回路改进设计如图2所示，电流采样回路中面积最大的是S1，它越小，则受工频磁场影响越小，但S1面积太小，在电能表过大电流时，其自热和散热问题影响更严重；对于S2和S3，由于需要焊接双绞线，在生产时它的面积不可能太小，特别是S3，它在电路板上的面积是不可变的。
