工频磁场作用下电能表锰铜分流器感应电流的仿真分析

工频磁场作用下电能表锰铜分流器感应电流的

仿真分析*

李文文1，袁瑞铭1，吕言国1，叶雪荣2，鲁观娜1，杨怀庄3（1. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045；2.哈尔滨工业大学军用电器研究所，哈尔滨150001；3. 长沙中坤电气科技股份有限公司，长沙410000）

摘要：锰铜分流器作为单相智能电能表的电流采样装置，在工频外磁场干扰下会产生感应电流，进而影响电能表计量的准确性。文中先理论分析了锰铜分流器在工频磁场干扰下产生感应电流的物理原理，然后使用某公司的Flux软件对锰铜分流器进行有限元仿真分析，最后通过实验装置测量锰铜分流器在工频磁场中产生的感应电流，将仿真结果与实测结果作对比分析，验证了仿真结果的准确性。

关键词：电能表；工频磁场；锰铜分流器；感应电流

中图分类号：TM933 文献标识码：B 文章编号：1001-1390(2018)00-0000-00 Simulation analysis on induced current in manganese-copper shunt of energy meter under power frequency magnetic field

Li Wenwen1, Yuan Ruiming1, Lv Yanguo1, Ye Xuerong2, Lu Guanna1, Yang Huaizhuang3

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Beijing 100045,

China. 2. Military Apparatus Research Institute, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China. 3.

Changsha Zumkun Electrical Technology Co., Ltd., Changsha 410000, China)

Abstract:As a current sampling device of single-phase smart meter, the manganese-copper shunt is susceptible to the induced current by the interference of the frequency magnetic field, which affects the current on the metering load of the electric energy meter, thus affecting the accuracy of the meter. Firstly, the theoretical analysis that the physical principle of inducing current of manganese-copper shunt in power frequency magnetic field is carried out in this paper. Then, the finite element simulation analysis of manganese-copper shunt is conducted by using Altair's Flux software. Finally, the induced current of induced current in manganese-copper shunt under frequency magnetic field is measured, and the simulation results with the measured results for comparative analysis to verify the accuracy of the simulation results.

Keywords: energy meter, power frequency magnetic field, manganese-copper shunt, induced current

0 引言电能表作为电能交易系统中的终端计费装置，其

*基金项目：国家电网公司总部科技项目（52010116000N）

计量精度的准确性直接关系到用户和供电公司的利益。锰铜具有温度系数小、电阻率高、成本低等优点，常被用作采样电阻。在单相智能电能表中，通常采用锰铜分流器作为采样电阻测量火线电流。由于各种大功率非阻性设备的投入使用，工频磁场干扰严重[1-3]

，锰铜分流器在工频磁场的干扰下会产生感应电流，

影响计量精度。

目前，国内外关于锰铜分流器的仿真研究较少，文献

[4-6]

主要是理论分析锰铜分流器在工频磁场干扰

下的影响以及解决的措施。文献[5]利用有限元软件ANSYS ，仿真外界电磁干扰对智能电能表中的变压器、电压互感器和电流互感器的影响，并给出了屏蔽措施，但其未考虑外界磁场干扰对锰铜分流器的影响。文献

[8-9]

利用ANSYS 仿真研究了不同形状锰铜片电流

密度的分布规律，并设计了一种锰铜片电阻值校正方法，虽然提高了电阻阻值的一致性，但没有考虑锰铜分流器在单相智能电能表实际应用中受到外界磁场干扰产生的计量误差。

本文以某款主流单相费控智能电能表为例，利用某公司的有限元软件Flux ，建立了锰铜分流器的有限元模型，依据Q/GDW 1364-2013《单相智能电能表技术规范》

[10]

要求，建立了模拟外界工频磁场干扰的

Helmholtz 线圈，进行了锰铜分流器在工频磁场干扰下产生的感应电流的仿真分析工作，并通过单相电能表检定装置进行实验验证。

1 导体在工频磁场作用下产生感应电流的机理分析

由法拉第电磁感应定律可知，闭合回路中的感应电动势e 与穿过此回路的磁通m Φ随时间的变化率

d d m t

Φ

成正比，如式（1）所示：

d d d d d m S

e B S t t

Φ=-=-

⋅⎰

(1)

其中，规定感应电动势的参考方向与穿过该回路磁通的参考方向符合右手螺旋关系，式中S 是由闭合回路的周界l 所限定的面积，面积的正法线方向和l 的绕向应符合右手螺旋关系。

因此，由式(1)可知，回路中的感应电动势与构成回路的导体性质无关，也就是说，只要回路所围面积的磁通发生变化，就会产生感应电动势。

图1 锰铜分流器模型

Fig.1 Manganese-copper shunt model

图1为电能表中的锰铜分流器结构示意图。依据电磁感应定律，当电能表在工频磁场干扰下，锰铜分流器上会产生两个方向相反的感应电动势，使之相互抵消，降低工频磁场干扰对电能表计量精度的影响。

由于连接锰铜分流器两端的信号线材质较软，且信号线位置变化对工频磁场作用下的有效面积影响较为显著，因此为了保证有限元仿真计算的准确性，必须使锰铜两端信号线的实际位置和仿真模型位置完全一致。故本文通过实测锰铜两端信号线的实际位置，考虑导线在磁场中作用的有效面积，建立三维仿真模型，建模过程中忽略导线绝缘皮，只建立铜芯的仿真模型，并将导线和锰铜之间的连接关系合理简化。

2 基于Flux 的锰铜分流器感应电流仿真建模与求解

Altair Flux 是专业的电、磁、热有限元分析软件，软件以有限元法为基础，对产品进行电磁和电热优化设计，具有可靠、易用、精确、高效的特点，能够提供精确仿真结果，降低产品成本，缩短研发周期。

有限元仿真软件Flux 基于麦克斯韦电磁场理论，针对单相智能电能表中的锰铜分流器，采用三维矢量磁势有限元方法仿真研究锰铜分流器在工频磁场下产生的感应电流大小。

基于Flux 的锰铜分流器的仿真流程如图2所示。