安全性/可靠性要求擺第一　智慧型儀表電路保護學問大

此外，智慧型儀表為客戶提供進行即時用量分析所需的諸多資訊，從而使他們能夠及時地控制用量，瞭解用電品質，在過電壓或超載的情況下保護所連接的負載。

電路設計愈複雜 電路保護愈不可少

智慧型儀表是雙向、基於通訊的元件，含有用電量(用氣量或用水量)測量控制以及處理通訊和其他所需智慧功能的複雜電子電路。由於不斷增加的複雜性，這些儀表受到諸如瞬變、靜電放電、電能品質擾動等電氣威脅性也隨之增大。為確保這些儀表持續正常地工作，即使是在惡劣的工作條件下，強大的電路保護技術是不可或缺的。

不同類型的智慧型儀表所面臨的威脅是各種各樣的。例如，電表的最大威脅是輸入瞬變和電源線的干擾。然而，水表和氣體表設計重點在於對本身的電池迴路進行保護，而不是在強大的前端保護。同樣地，具有人機介面(HMI)的能量檢測設備必須針對靜電放電(ESD)進行保護。所有這些系統都會採用不同的通訊介面，其中許多還需要電路保護。

因應不同儀表類型　提出有效保護對策

接下來，探討每一種智慧型儀表解決方案的具體保護要求(圖1)，如下所述。

圖1 智慧型儀表框圖

輸入電源部分

如果是一個電表，那麼它將透過輸入電源供電，非常容易受到因雷擊或電網擾動所產生的高能量瞬變的威脅。金屬氧化物壓敏電阻(MOV)被用以防止抵抗這些瞬態浪湧事件。在電源的輸入前端還會使用保險絲，以防止線路在電源中的災難性破壞引起短路的情況下出現火災隱患。

計量能量部分

微控制器(MCU)或數位訊號處理器(DSP)通常用於能量測量和處理。儘管針對瞬態浪湧對微控制器的電源進行了保護，為測量電源和電流，微控制器的類比訊號檢測腳位依然與輸入電源相連接。雖然這些訊號連埠腳位通常具有高電阻值和出於濾波的高值電容器，一些快速上升的瞬變能夠透過這些過濾階段而到達對瞬變極其敏感的微控制器。為防止對微控制器造成損壞，在訊號腳位上會使用非常小的瞬態保護二極體，將任何進入的瞬變鉗制到安全水準。

通訊連接埠

取決於儀表應用，可使用多種通訊連接埠，包括RS-232/RS-485/乙太網路/GSM-GPRS、電力線通訊(PLC)或光埠。因為每種埠類型具有不同的工作速度和規格，它們將需要不同的保護方案(表1)。

表1 通訊連接埠保護

其中，電力線通訊是透過電力線傳輸類比和數位訊號的特殊技術(圖2)，也被稱為電力線載波通訊或電力線聯網。

圖2 電力線通訊示例

耦合電容器被用以將發射器和接收器連接到高壓線路。這位載波能量提供一條通往高壓線路的低阻抗路徑。然而，它阻擋了高阻抗路徑的電源頻率電路。

在智慧型儀表應用中，自動讀表系統(AMR)通常透過電力線通訊配置，從而在讀取系統產生的資料時無需額外的通訊線。

此外，由於電力線上存在電雜訊、尖峰或瞬態電壓，如果不對其加以抑制，將會降低傳輸品質和速率。

舉例來說，圖3中的SIDACtor元件P0220MC(15伏特)或SDP0180(18伏特)被用以(從A到B連接)吸收這些雜訊、尖峰和有害的瞬態浪湧。可以使用工作電壓在15伏特到18伏特的SIDACtor連接到變壓器的一次測上(線路上)以防止那些比載波訊號尖峰電壓更大的電壓。實際保護元件的額定值取決於每個國家的抗浪湧標準要求。

圖3 採用SIDACtor保護的典型電力線通訊電路

篡改檢測

公用事業公司使用智慧型儀表來追蹤使用情況，進而能夠根據用量向使用者收取費用。然而，這會導致一些使用者試圖篡改儀表中的讀數。因此，這些儀表的設計通常採用許多篡改檢測技術。

最簡單、最常見的篡改方法是打開表蓋對儀表進行破壞。透過在設計中使用一個帶有磁體或微動開關的舌簧開關，這種感測器會在表蓋打開時進行檢測並向微控制器發送觸發訊號。在識別出篡改企圖後，微控制器會通知公共事業公司的監控支援人員，從而向用戶開出篡改罰款。

另一種儀表篡改方法是把磁鐵靠近表體，這會使磁變壓器飽和或影響其他元件。如果設計中採用了霍爾效應(Hall Effect)感測器，它能夠對磁體的磁場進行檢測，並向微控制器發送觸發訊號，以記錄篡改事件並通知公共事業公司。

另一種嚴重的篡改方法是使用火星塞或CRT-EHT發生器對表體產生靜電放電。在這種情況下，使用塑膠材質製造儀表殼體能夠完全隔離外來的電子電路並減少這種靜電放電的影響。微控制器的電源和訊號檢測腳位會採用靜電放電保護二極體以保護微控制器，防止任何依然能夠耦合到微控制器的靜電放電。

針對前兩種篡改方法，微控制器可以向控制/監控站發送關於篡改企圖的詳細資訊，以評定應處以違約罰款或只是保護儀表的機構因故受損。

輔助電源部分

智慧型儀表有時具有一個接入使用者室內的擴展單元，而主儀表被安裝在建築物的集中位置。

針對這些應用，室內擴展單元可能會設有乙太網路供電(PoE)適配器。這種通訊電纜將需要額外的保護，因為它很容易受到建築物中誘發浪湧的損害。

因應輸入瞬變/浪湧衝擊　慎選MOV規格

電力儀表很容易受到輸入瞬變以及因雷擊事件或電能品質擾動產生的浪湧的影響。在程度上可高達30仟伏特(KV)的這些瞬變取決於多種因素，包括地理位置、在附近連接的負載的類型等等。MOV是用於防止這些浪湧的主要元件。要求浪湧抗擾的保護等級決定了MOV的額定值和尺寸。對於基本的2∼4仟伏特浪湧保護，14毫米(mm)的MOV可能就足夠。然而，對於30仟伏特的保護級別，可能需要更大尺寸的32毫米或34毫米MOV。

因為它們是使用壽命有限的被動元件，MOV存在與其使用壽命結束階段相關的一些原有的問題。例如，一旦壽命終結，它們可能會對自身造成損壞並對其電子電路構成威脅。MOV在失效之前所能承受多次浪湧衝擊，而這種浪湧衝擊承受能力取決於MOV尺寸和MOV能量吸收設計的浪湧的等級。所以，在選擇MOV時，除了要考慮所需的峰值浪湧抗擾度，系統的預期壽命同樣也要注意。

舉例來說，假設一個系統的預期壽命為5年，並且需要6仟伏特的保護。即使一顆20毫米的MOV能夠滿足6KV/3KA、15次衝擊的標準，然而為了在儀表整個壽命週期內提供承受更多浪湧衝擊的能力，將會使用25毫米或更大尺寸的MOV。為確保系統能夠達到其期望壽命，必須對所用的MOV進行足夠的降額。

一些較新的規範同樣要求針對壽命結束時的失效對MOV進行保護。對於這些應用，使用熱保護的MOV(TMOV)以在其使用期內繼續為電路提供保護。一旦它們達到壽命結束階段，便會將自己從電路中斷開以防止災難性的破壞。TMOV也可以具有指示功能，以提醒儀表保護器出現故障並且需要更換(圖4)。

圖4 TMOV和iTMOV電路保護

快速上升的瞬變也可能會損壞供電部分的設計，瞬態電壓抑制(TVS)二極體通常與MOV結合使用。這些TVS二極體元件會鉗制快速上升的瞬變，而前端MOV會吸收這些瞬變中大部分高能量。

水表/煤氣表設計　電池壽命至關重要

自來水和天然氣公用事業應用中使用的儀表通常有固定安裝的內部電池，壽命在5∼10年。最常用的化學電池是鋰離子(Li-Ion)電池。因為這些電池具有顯著的容量，會使用正常的或自復式保險絲以防止電路故障所引起的短路。

這些儀表中最重要的資源是電池的壽命，必須對其加以保存和保護以延長儀表的壽命。這些儀表會透過磁性編碼器並使用舌簧開關感測器來產生感測訊號，然後這種訊號被饋送至微控制器(圖5)。

圖5 使用磁性編碼器和舌簧開關感測器的儀表應用

智慧型儀表設計成「微控制器只有在舌簧開關感測到脈衝時啟動」。在記錄脈衝計數後，重新回到睡眠模式，這有助於延長電池壽命，進而讓儀表具有更長的工作壽命。

智慧型電表設計實務及對策

為了說明設計單相智慧型電表的過程，可參看使用以下規格的例子。

輸入浪湧保護

以輸入浪湧保護為例，當混合波條件為15次開路電壓(1.2μS/50μS)10KV、短路電流(8μS/20μS)5KA衝擊的差分模式，而環形波為100kHz，0.5μS，6KV/0.5KA時，MOV將用以防護浪湧。

由於混合波具有比環形波更多的能量，設計時必須考慮到它的要求。針對15次10KV/5KA浪湧的防護，可以使用20毫米的MOV。然而，如果儀表預計在其壽命週期內承受更多的浪湧，25毫米或更大尺寸的MOV將是首選。如果還需要壽命終期保護，應選擇使用TMOV。

由於這是一種單相設計，輸入電壓為220 VAC標稱電壓，最大可達265 VAC或277 VAC。因此，可以使用275伏特或320 VAC MOV。如果儀表預計將承受輸入電壓的兩倍(高達440 VAC)，那麼應使用更高電壓的460 VAC MOV，使TMOV在以上測試條件下不會啟動或失靈。

表蓋打開時的篡改檢測

要對儀表蓋打開進行監測，可以使用舌簧開關或微動開關；若想監測是否有高功率磁體靠近儀表，則可以使用霍爾效應感測器(圖6)。

圖6 智慧型儀表篡改監測和保護示例

整合封包無線服務(GPRS)、電力線通訊和RS-485通訊介面需要不同類型的保護裝置，例如SIM卡需要四通道或五通道元件、RS-485介面須具有更高工作電壓的雙通道元件。

優異電路保護設計　確保儀表使用壽命

考慮到智慧型儀表複雜監控和管理功能的優勢，它們在日常生活中似乎註定將發揮重要的作用。安裝這些儀表所需的投資，比傳統儀表顯然要高，因此關鍵在於更長的使用壽命及更高的可靠性，而這意味著設計強大的電路保護將至關重要。

(本文作者為力特印度和南非事業部現場應用經理)