肖丽
国网四川省电力公司计量中心 610000
内容摘要
现代智能电能表是电能量结算的依据，保障法制计量的器具。保证电能表的准确度及可靠性是保证居民用电公平、电网收益合法的重要前提。
超级电容作为一种能源存储器件已在各个行业广泛应用，具有安全环保、可重复利用的优势和特点。在电能表中，超级电容作为时钟电池的后备能源，使表计停电后可靠运行，确保表计时钟误差可控。
本文以超级电容器在智能电能表上的应用为切入点，介绍超级电容的特点、原理及内部构成，评估超级电容器在表计运行中的可靠性。
关键词：电能表；超级电容；可靠性；储能
ABSTRACT
Modern smart energy meter takesgreat responsibility to guaranteethelegal metrology as well as to be the basis of energy calculation. Ensuring the accuracy and reliability of electricity meters ensures the fairness of citizen electricity consumption and the legitimacy of grid revenue.
As an energy device, supercapacitorhas the advantages and characteristics of safety, environment-friendliness and reusability, which have made it widely used in various industries.Super capacitor is used to be the backup for RTC battery when using in smart meters. It will powerthe RTC blockin case of power failure, to make the meter operate reliably and make the error of the clock controlled.
Based on the application of super capacitor in smart energy meter, this paper introduces the characteristics, principles and internal structures of super capacitor, and discusses the reliable operation scheme of its use in meter.
Keywords: smart energy meter, super capacitor, reliability, energy storage
0引言
智能电能表作为智能电网信息系统结构体系中最基本的采集设备，一般由测量单元、数据处理单元、通信单元、供电单元等组成, 具有电能量计量、数据处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能[1]。
时钟准确性作为评估电能表性能的重要指标之一，关系到冻结电量数据的准确性，随着我国阶梯电价和分时电价政策的推行，时钟偏差过大引发的冻结电量错误将导致阶梯计费错误，无法保证居民用电公平。
电能表挂网正常运行期间，时钟模块由电网提供能量驱动；电网维修或停电期间，电能表采用内置时钟电池供电以保障时钟模块正常运行。但在实际应用中因电池质量不过关、应用设计不合理造成的电池欠压问题偶有发生[2]，因此超级电容器作为区别于锂电池的可循环能源存储器件，被广泛应用于电子式电能表，作为后备能源，保障时钟模块的精度。
1超级电容简介
1957年，通用电气公司一篇使用多孔碳电极的电解质电容器专利出现后，超级电容作为一种双电层电容器，开始被实际应用[3]。
超级电容是由两个隔开的绝缘多孔电极，和含有大量离子的电解液组成。其原理与普通电解电容不同，储能过程中只存在静电产生的离子迁移，不发生氧化还原反应。
1.1结构组成
超级电容一般由电极、电解液、隔膜及其他辅材构成。
电极作为超级电容最重要的部分，一般由集流体、活性材料、导电胶组成。集流体作为结构支撑活性材料，用于电子的输出，不与电解液发生化学反应，一般使用导电金属，最常用铝制造。
活性材料一般采用活性炭，用于吸附离子、储存能量，具有较大的比表面积，由木材基活性炭、椰壳基活性炭等构成。
导电胶用于改善活性炭的导电性能，便于将能量输送给集流体，目前为止，制造商一般采用炭黑作为超级电容的导电添加剂。
电解液也叫电解质，提供了双电层的阴阳离子，其性能直接影响超级电容的寿命，分为水系电解液与有机电解液两类。其关键参数在于导电性、电化学稳定性、热稳定性和安全性。
隔膜具有离子穿透性，将正负电极隔开，以免存有离子的碳迁移发生短路，允许电解液的阴阳离子自由通过。隔膜一般是纤维类材质制成，形成了超级电容30%的阻抗[3]。
1.2工作原理
充电时，电极被施加电压，电解液中的阴阳离子受电极的静电作用通过隔膜，存储到活性炭致密的孔洞中。放电时，通过集流体上的电子从外侧回路迁移，达到输出电流的作用，放电后阴阳离子结合恢复到电解液状态。
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图1 超级电容组成及工作原理
1.3应用特性
超级电容具有的优点包括：
（1）功率密度高，是普通电池的10~100倍，可达10kW/kg。可瞬间释放较大能量，充电速度也较快。
（2）循环寿命长，长时间工作容量不易衰减，满足电能表寿命要求。
（3）工作温度宽，普通电池低温下化学反应微弱，而超级电容一般可在-40℃~70℃温度范围内工作，满足电能表工作环境要求[4]。
缺点主要有：
（1）端电压变化浮动大，由于超级电容存储的电能与端电压平方成正比，所以当释放能量时端电压相应减小，难以作为恒压源使用。
（2）能量密度低，储能靠物理方式，难以比拟化学电池。
2超级电容在电能表的应用
2.1应用电路
以国网单相智能电能表为例，电源系统一般采用线性变压器将市电变压整流，再经过LDO、DCDC等直流电压变换器件，供给单片机及其他功能模块。超级电容一般采用恒压串电阻充电，简化后的电路示意图如下：
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图2 超级电容充电电路
电源VRTC通过限流电阻Rs给超级电容充电，随着超级电容电压的升高，Rs两端电压减小，充电电流逐渐减小，完成充电后，此回路不产生功耗。超级电容供电时直接输出电流给RTC电源，保证时钟正常工作。
2.2选型推荐
小型超级电容按照制作工艺不同，用于电能表上的类型可分为扣式与柱式两种。
（1）扣式超级电容：正负极壳由不锈钢制成，既能作为集流体又起到容器的作用。将活性炭电极分别粘在正极壳和负极壳上。正极，隔膜和负极浸润电解液后叠放成三明治形，加装密封圈后压合密封。
扣式超级电容密封性较好，漏电流较小，但正负电极采用垫片隔离，卷绕铆接，存在因极片生锈造成的短路风险。
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图3 扣式超级电容
（2）柱式超级电容：将正负极电极与隔膜卷绕成圆柱形的卷芯，并与盖板连接好后装入铝壳内。在浸渍灌注电解液后，将铝壳和盖板密封。制造工艺与普通铝电解电容相似。
柱式超级电容由于卷绕的活性炭电极面积较大，一般容量比扣式电容大，但因极板距离较近，自放电现象较扣式活跃。
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图4 柱式超级电容
2.3耐压特性
超级电容的耐压由电解液决定，一般水系电解液分解电压在1.0~1.6V，有机电解液在2.8V左右。为满足电能表应用，超级电容应采用有机电解液，多片串联的形式。一般电能表采用5V供电，2片串联后耐压5.5V左右，3片串联后耐压7.5V左右，为保证运行可靠性，至少采用2片串联。
2.4容量取值
按国网实验要求：无时钟电池情况下，上电10分钟用于超级电容充电，需满足48h时钟误差精度<2s。就此实验条件可计算电能表所需超级电容的最小容值。
超级电容充电公式：
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其中，Uc为超级电容端电压随充电时间tc变化的瞬时值，充电时长取t=600s。U为充电电压值，电能表采用5V供电。Rs为充电电阻值，防止因电容充电导致瞬时电流过大，取Rs=100Ω。
超级电容给时钟模块供电时，作为恒流源，有电容恒流放电公式：
考虑高温时超级电容自放电现象，时钟模块功耗Io取10μA，标准要求放电48h。表计时钟电源在2V以上方可正常工作，超级电容的端电压随容量减小，故Umin取2V。
两式联立，可算出正常状态下，国网单相表使用超级电容时，取值应大于0.58F。
3超级电容在电能表的可靠运行研究
3.1失效机理
由于超级电容正常工作通过静电吸附效应来实现，因此不应存在化学反应。超级电容常见的失效原因有活性炭表面氧化、隔膜氧化、电解液损耗等，其根源在于不合适的温度及电压造成的化学反应加速。
常见的超级电容失效原理：
（1）经过高温试验后，有机电解液发生电化学沉淀，产生气体，使电容器内部压力过大而造成破裂漏液。
（2）经过长期使用，有机电解液的分解导致的离子总数减少，以及活性炭表面氧化造成离子存储量减低，最终导致容量衰减。
3.2可靠性应用
对于智能电能表来说，其规定工作条件一般在-40℃~70℃之间：
（1）在-40℃低温条件下，超级电容因电解液粘度高，电容值及放电效率相比常温下低[5]，但满足时钟电路的供电需求。
（2）在+70℃高温条件下，由于化学反应的发生，寿命会相应衰减。一般认为工作电压每上升0.2V或工作温度每上升10℃寿命减半。由于单个超级电容的耐压为定值，所以在电能表设计时，应考虑多片串联使用，以此降低单片超级电容承受的电应力，从而保障其工作寿命。
3.3实验研究
双85实验（温度85℃湿度85%）是一种工业上常用于产品的加速寿命测试，对于超级电容的可靠性应用也具有指导意义。
针对2片串联与3片串联的超级电容进行双85整机实验，每隔100小时使用恒流放电法，对容值进行测算。
实验中电能表采用5V充电电路持续给超级电容供电，如采用2片单元串联，则在每个单元的电压值为2.5V，如采用3片单元串联，则在每个单元的电压值为1.67V。
通过分析双85实验数据：
（1）2片串联在200小时后容量衰减超过50%，出现漏液的现象，已明显失效。
（2）3片串联的超级电容经过500小时双85实验后容值为实验前的60%，且外观完好。
因此可以得出结论：3片串联的超级电容比2片串联的超级电容寿命更高。
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图5 超级电容双85寿命对比实验
4结束语
如今超级电容已在智能电能表上广泛应用，在合理的工作条件下，完全可以满足作为时钟电池的备用能源需求。本文从超级电容构造及原理出发，介绍其在智能电能表中的应用研究，最后分析了其可靠性的设计方案，为超级电容在电能表上可靠运行提供了设计经验。
参考文献
[1]陈盛, 吕敏. 电力用户用电信息采集系统及其应用%Power Usage Information Acquisition System and Its Application[J]. 供用电, 2011, 028(004):45-49.
[2]章欣, 段晓萌, 江小强,等. 智能电表时钟电池欠压故障剖析及防范措施研究[J]. 电测与仪表, 2014, 051(010):24-27.
[3]FrancoisBeguin, ElzbietaFrackowiak, 弗朗索瓦, et al. 超级电容器:材料、系统及应用[M]. 机械工业出版社, 2014.
[4]余丽丽, 朱俊杰, 赵景泰. 超级电容器的现状及发展趋势[J]. 自然杂志, 2015, 37(3):188-196.
[5]邴雪峰, 王际童, 乔文明,等. 电解液对活性炭基超级电容器低温性能的影响[J]. 电源技术, 2016(11):2201-2205,共5页.