（CS37 浙江正泰电器股份有限公司）

电器开关在完成其控制功能的同时，应尽可能地减小功率消耗。磁保持继电器就是适应这种新技术发展要求而产生的一种继电器。它具有功耗低、灵敏度高、体积小和触电接触稳定性好等优点，在航空、卫星等领域应用广泛。智能电能表在西方国家的设计中最初都是采用小型断路器的控制方案，断路器对短路电流具有较高的分断和接通能力使其在电能表中得到了广泛的应用。随着电能表的发展，断路器因体积大、温升高、价格贵、不能实现远程抄表和控制等劣势逐渐被磁保持继电器所替代，磁保持继电器近几年已成为电能表中不可缺少的重要部件。为配合电能表的安装使用，要求磁保持继电器具有体积小、负载能力强、功耗小、温升低等特点，并且已形成接线方式的多样化和个性化。目前，磁保持继电器在电能表应用上主要分为单相、两相和三相。其中两相主要用在欧美市场，国内市场常用的是单相和三相。

三相四线制预付电能表一般由专用电气参数计量芯片对目标信号进行数字化处理，单片机采集和处理数据，并且完成通信、显示、校正、读写IC卡和控制电能通路通断等功能。电路总体结构如图1所示。计量芯片ATT7022B采集电信号，转换成数字信号后经SPI接口后传给单片机，单片机实时判断剩余电量的多少。单片机D口发出控制信号，经光耦隔离和R2110组成的驱动电路，触发负载为继电器线圈的H桥电路对桥臂导通，实现继电器的双稳态转换。电能通路通过磁保持继电器实现通断功能。

图1 电路总体结构

磁保持继电器是将内部的磁钢引入磁回路，使其拥有较强的磁保持能力，能在脉冲的作用下进行动作；并在无能消耗的情况下长期保持在一定的位置，即保持在最后一个脉冲指令的状态，具有记忆和双稳态功能。鉴于以上优点和特性，将磁保持继电器引入到预付费电能表电能通路中，会增加系统的稳定可靠性和降低自身的电能消耗。磁保持继电器属于节能产品，世界在节能方面进行推广，故在预付费电能表中得到普遍的应用。目前市场上的磁保持继电器品牌较多，质量参差不齐，运行中各种故障及安全事故时有发生。究其原因，关键是产品未能严格按IEC标准要求进行试验。这里根据个人对IEC标准的理解、磁保持继电器的结构以及本公司磁保持继电器在意大利CESI试验室的测试情况，谈谈磁保持继电器在产品设计上如何全面满足电能表标准的各项要求。磁保持继电器在电能表中用作负载开关，IEC电能表标准中对于负载开关的要求主要有：

1）功耗：继电器的控制线圈是接在电表的电压回路里的，它似乎会对电压回路的功耗产生较大影响，但实际上磁保持继电器只在电能表切换电路的不大于100ms的短时间内才消耗电能，所以它对电能表电压回路的长期功耗没有任何影响，IEC62055-31也明确指出，在电路切换时允许电压回路的功耗短时增加。这也就是磁保持继电器节能在付费电能表中得到广泛应用的根本原因。可能电能表厂因为价格原因，在对电能表设计时考虑电子元件的成本，其中也希望磁保持继电器的功耗越小越好。在片面追求降低成本时，低功耗继电器同时也带来许多负面影响。为了满足电能表厂商对小功耗的要求，继电器生产商只能尽量降低触头压力和状态保持力。这种情况下，对于刚生产出厂的继电器，用来做进厂检验还可能没有显著影响，当继电器用过一段时间后接触电阻会显著上升；触头压力的降低还会显著降低触头回路承受短路电流的能力。状态保持力的降低会导致状态保持可靠性的降低，直接损害了电能表使用的可靠性。为了使电能表性能经久可靠，建议不要将继电器线圈的功耗作为主要指标加以考核，必要时还应适当放宽对功耗的要求。

IEC 62055-31规定电流回路视在功率不大于0.08％U_nI_max，它主要取决于电流回路阻抗。用在电能表中的磁保持继电器触头回路电阻是很小的，电能表对电流回路损耗的要求是1VA，一般要求继电器触头电阻在0.5mΩ以下，一般新继电器满足这一要求问题不大，但工作一段时间后，往往电阻变大，损耗超标，电能表的误差也跟着超标。

2）热影响：电能表标准要求在满载下外壳表面温升不应大于25K；计量偏差符合IEC62053-21的要求。继电器触头电路在通过负载电流时的功耗是电能表的主要发热源之一。如果继电器装在电能表内部，那么降低这种发热的办法只能是减小触头回路的欧姆电阻。所以，组成继电器触头回路的导体材料的电阻率应很小，导体的横截面应该足够大，触头闭合后的接触电阻应该足够小。为了减小接触电阻，触头必须选用电阻率小且不易氧化的材料，如银合金。触头闭合后的压力还必须足够大，以增加触头的接触面积，从而降低电流密度。至于继电器设计规定的触头压力，各厂家会有较大差异。压力偏小时，对于刚生产出厂的继电器，接触电阻可能不会很大，若库存放置或使用一段时间后，接触电阻增大的概率就会显著增加。

继电器一个相当重要的机械参数“超程”必须要有足够量。继电器的超程是依靠压力弹簧变形大小来保证的。如果继电器在设计、生产时，超程很小或没有，刚生产出厂继电器的压力和接触电阻可能能满足要求，若库存放置或使用一段时间后，因产品长期闭合和使用中发热，使压力弹簧永久变形，因而失效使触头没有了超程，这时触头闭合后的压力变小或似通非通，使接触电阻显著增大导致发热或烧表，严重时有可能触头不接通而发生断相的。

3）继电器的触头回路接入电能表负荷电路里，所以继电器的绝缘性能应不低于电能表的绝缘性能。

4）作为电能表负载开关的磁保持继电器，其触头承受和切换电流的能力至关重要，对电能表的使用安全起到重要作用。IEC的有关标准主要是IEC 62055-31、IEC 62052-11和IEC 6205-21，对负载开关触头回路的性能作了详细的规定，这些规定的基本内容如下：(www.daowen.com)

①触头回路的短时过电流能力要达到电能表最大电流的30倍，持续半个周波，而后电能表仍能正常工作。

②UC2、UC3和UC4类别的负载开关还要分别能接通和短时承载2.5kA、3.0kA和4.5kA的故障电流或短路电流，而后电能表应仍能正常工作；UC2、UC3和UC4类别的负载开关分别承载4.5kA、6.0kA和10kA的短路电流半个周波后允许开关本身损坏，但电能表的其余部分不得受到危害。

③正常接通和断开电能表的最大电流和扩展电压上限（＝1.15U_n）。总次数，UC1是6000次，UC2、UC3和UC4是10000次（详情见后）。目前大部分磁保持继电器的短路电流接通和承载能力都不能令人满意，对此许多磁保持继电器的生产厂家没有对产品进行深入的研究和电能表使用厂家尚未重视。按目前现有磁保持继电器的结构设计，要达到UC3要求有些困难，UC4的要求就更困难了。

短路电流试验中的主要失效模式是触头熔焊在一起或者触头被完全烧坏，其原因并非是触头接触电阻太大，而是触头闭合时的回跳和大电流下触头之间的电动斥力，这两个因素能使触头短时断开或短时减小压力，产生强大的电弧能量或电阻发热，从而使触头熔化而焊在一起；而当电弧能量非常大时，则可将触头烧毁。要避免这种失效，继电器的设计要从以下三条来考虑：

ⓐ 合理分配触头压力和磁保持力；

ⓑ 优化触头结构设计；

ⓒ 提高触头的抗熔焊性能。

5）电气寿命：电能表负载开关的电气寿命试验中，触头切换电压是电能表标准电压的1.15倍。UC1的电气寿命是6000次，其中前3000次为纯阻性负载，切换电能表最大工作电流，后3000次切换功率因数为0.4的电感负载，电流为10A（UC1适用于最大工作电流不大于100A的电能表）。UC2、UC3、UC4的寿命是10000次，其中前5000次切换纯阻性负载，后5000次切换功率因数为0.5的电感负载，切换电流均为电能表最大工作电流。

国内生产的大多数磁保持继电器只做纯阻性负载的寿命试验，未做感性负载寿命试验。寿命试验中最常见的失效模式是触头熔焊，如果触头材料质量没有问题，则主要的失效原因是触头闭合时的回跳时间长、幅度大。所以减小触头回跳，对继电器切换负载的可靠性是非常重要的。

随着电能表的发展，磁保持继电器已成为智能电能表中不可缺少的重要部件。磁保持继电器具有省电、性能稳定、体积小、负载能力强，比其他继电器具有更优越的性能。该方案从设计上能有效避免磁保持继电器体积大、故障率高、控制不可靠、电寿命低等缺点，达到预期的功能和效果，适应电能表技术的飞速发展和市场的日益扩大。