智能電能表故障現(xiàn)象分析

陳 敏

（舟山電力局，浙江 舟山 316021）

隨著電能表更新?lián)Q代速度越來越快，功能更全面和智能化的同時(shí)，電能表的故障也更加多樣化。為了能夠準(zhǔn)確判斷故障產(chǎn)生的原因，要針對(duì)不同的情況進(jìn)行具體的分析處理，改進(jìn)工藝，逐步減少不良品的產(chǎn)生。

1 單相智能電能表工作原理

單相智能電能表主要由計(jì)量系統(tǒng)和單片處理系統(tǒng)組成。表計(jì)有兩路相互隔離的工作電源，一路為CPU、液晶驅(qū)動(dòng)芯片、計(jì)量芯片供電，另一路為RS485供電。計(jì)量系統(tǒng)由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)完成電壓信號(hào)取樣，錳銅繼電器完成電流信號(hào)取樣，取樣后的電壓、電流信號(hào)送入計(jì)量芯片，通過乘法器轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)并以脈沖信號(hào)輸出。單片機(jī)系統(tǒng)采樣脈沖信號(hào)并同步輸出表計(jì)的校表脈沖。零線電流的采樣信號(hào)來自零線電流互感器。單片機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)采樣到的脈沖信號(hào)進(jìn)行累加，同時(shí)根據(jù)設(shè)定的時(shí)區(qū)、時(shí)段、費(fèi)率實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率計(jì)量，將最終處理的數(shù)據(jù)送往存儲(chǔ)器保存，并在LED顯示器上顯示。單片機(jī)可通過SPI總線讀出計(jì)量芯片中的電壓、電流、功率、零線電流等數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)下發(fā)的拉/合閘命令對(duì)表計(jì)進(jìn)行拉/合閘控制；內(nèi)部的數(shù)據(jù)可以用掌機(jī)或PC軟件通過RS485和紅外接口進(jìn)行讀取。電能表原理如圖1所示。

圖1 電能表原理

2 超差類故障分析方法

在室內(nèi)檢定過程中，超差類故障可分為計(jì)量精度超差、多功能口故障和時(shí)鐘超差。

2.1 計(jì)量精度超差

（1）加電壓和電流，誤差值不顯示，但脈沖燈閃爍：首先判斷表計(jì)計(jì)量部分是否正常；檢查脈沖線夾是否正確連接；打開電能表，檢查脈沖輸出部分是否有明顯的連焊、虛焊，元器件是否有損壞現(xiàn)象。

（2）加電壓和電流，脈沖燈不閃，誤差不顯示：檢查計(jì)量部分是否有虛焊、連焊現(xiàn)象；檢查有無明顯元器件損壞現(xiàn)象；若無上述現(xiàn)象，則考慮電壓、電流采樣有無輸入。

（3）誤差和超差：檢查計(jì)量部分電路有無明顯故障。如阻性誤差正常、感性超差，應(yīng)檢查計(jì)量部分片式電容是否有虛焊、連焊、錯(cuò)焊、開裂；在生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中，如果表計(jì)受到劇烈震動(dòng)，也有可能會(huì)導(dǎo)致采樣電阻阻值偏移。在網(wǎng)運(yùn)行的電能表，由于周圍環(huán)境惡劣，運(yùn)行一段時(shí)間后采樣電阻也會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，電阻阻值偏移，導(dǎo)致誤差超差。

（4）加電壓電流，其它功能正常，但不計(jì)電量：這種情況一般是由于計(jì)量芯片CF（校驗(yàn)脈沖輸出）腳未能把有功功率脈沖信號(hào)送往MCU處理造成的。

2.2 多功能口故障

（1）無日計(jì)時(shí)脈沖：檢查多功能口螺絲是否松動(dòng)；測(cè)試時(shí)鐘晶體是否起振；打開表計(jì)目測(cè)相關(guān)電路有無明顯連焊、虛焊現(xiàn)象。觀察表計(jì)運(yùn)行是否正常，然后查看表內(nèi)時(shí)鐘運(yùn)行情況，如果均無問題，一般認(rèn)為主要是日計(jì)時(shí)輸出電路故障，可通過測(cè)試電路找到故障點(diǎn)。

（2）日計(jì)時(shí)誤差超差：日計(jì)時(shí)脈沖輸出正常但超差時(shí)，主要觀察時(shí)鐘部分電路有無虛焊、搭錫等現(xiàn)象，32.768 kHz晶體頻率值是否在規(guī)定范圍內(nèi)，負(fù)載電容值是否正常；如果是外部時(shí)鐘芯片，可直接測(cè)量輸出頻率是否超差。

（3）時(shí)段投切不合格：首先檢查多功能口硬件電路是否正常；檢查RS485通訊是否正常；若均正常，則重新測(cè)試時(shí)段投切功能。如果時(shí)段投切輸出口和日計(jì)時(shí)輸出口復(fù)用，一般情況下只要日計(jì)時(shí)有脈沖輸出，時(shí)段投切都能合格，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)少量不良品，一般都是與臺(tái)體配合的問題，重測(cè)即可解決。但也有因內(nèi)部元器件焊腳脫落引起的故障。

3 電池故障分析

鋰電池電量耗盡時(shí)，會(huì)造成程序和數(shù)據(jù)丟失，因此鋰電池的質(zhì)量對(duì)整個(gè)智能表的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

鋰電池的常見故障是電池?zé)o電，原因可能是產(chǎn)品本身質(zhì)量問題，也可能由電路板漏電產(chǎn)生。

電池正常時(shí)，用萬用表測(cè)兩端電壓應(yīng)為3.66±0.02 V，若小于3.64 V則為不合格產(chǎn)品。隨著貯存時(shí)間的加長(zhǎng)和環(huán)境溫度的升高，質(zhì)量較差的電池在高溫長(zhǎng)時(shí)間貯存后可能因電壓不足而失效，造成數(shù)據(jù)丟失。電池接頭接觸不良或連接電池的跨接器開路，也會(huì)造成斷電后電池因電源無法供入而失效。

4 顯示類故障分析

4.1 死機(jī)故障

死機(jī)表現(xiàn)為通電后電能表無反應(yīng)。此時(shí)應(yīng)先檢查電源部分。智能電能表大多采用電源變壓器降壓方式供電，首先要排除變壓器是否有以下故障：

（1）因變壓器繞組出現(xiàn)斷線或匝間短路或變壓器燒壞，造成顯示器不顯示。

（2）變壓器插頭未與主要線路印刷板連通，或者工作電源的連線斷線，造成電壓不正常，引起相關(guān)元件損壞，導(dǎo)致死機(jī)故障。

（3）運(yùn)行中的電能表出現(xiàn)諸如因雷電感應(yīng)而產(chǎn)生的過電壓，可能使電路元器件損壞、加速老化或干擾電路的工作。為解決這個(gè)問題，通常在電源電路中采用壓敏電阻來抑制浪涌電壓，在變壓器初級(jí)串聯(lián)1個(gè)熱敏電阻。如果熱敏電阻燒壞或壓敏電阻擊穿都會(huì)引起顯示器不顯示，更換熱敏電阻或壓敏電阻即可排除故障。

4.2 液晶顯示故障

液晶顯示故障表現(xiàn)為接通/斷開電源時(shí)電液晶屏不顯示、通電時(shí)液晶屏正常而斷電時(shí)液晶屏不顯示、液晶屏缺筆畫、液晶屏淡、液晶屏閃爍。

用萬用表測(cè)量電池是否欠壓，檢查MCU相關(guān)管腳有無虛焊和連焊，MCU是否有程序，晶振是否起振，如果都正常，可能是液晶顯示屏本身的質(zhì)量問題。液晶顯示屏中的數(shù)字缺筆，一般都是因?yàn)樘摵冈斐?，主要檢查芯片和液晶管腳是否有虛焊和搭錫。由于液晶的特殊特性，在表計(jì)存放時(shí)應(yīng)避免高溫、高濕，否則會(huì)損傷偏光片或蝕斷電極。

4.3 背光故障

背光故障表現(xiàn)為背光不亮、背光長(zhǎng)亮、背光顏色差異。此時(shí)應(yīng)檢查背光電路有無虛焊、連焊、錯(cuò)件，元器件是否損壞。長(zhǎng)期過負(fù)荷會(huì)使LED壽命減短。LED亮度輸出與溫度成反比，所以在使用時(shí)應(yīng)盡量減少電路發(fā)熱，并做好散熱處理。

5 通信故障分析

5.1 RS485不通信

（1）通信波特率設(shè)置不正確。智能電表出廠后波特率應(yīng)設(shè)置為2 400 bps，而一般電能表是1 200 bps，如波特率設(shè)置不正確則無法通信。

（2）檢查表地址是否正確。

（3）檢查輔助端子RS485線是否有接反、表計(jì)485接口是否有松動(dòng)，以及RS485部分元器件是否連焊、虛焊、裝反，插頭是否插緊。485的電壓是否正確，如電壓不正常則可能有器件損壞。

5.2 紅外通信故障

（1）用掌機(jī)抄表時(shí)，如果有通信符號(hào)但抄表失敗，初步判斷紅外接收正常，則主要檢查紅外發(fā)射部分，紅外發(fā)送/接收電路如圖2所示。檢查紅外發(fā)射電路時(shí)先查看紅外發(fā)射管是否裝反、虛焊或損壞；再查看Q2，R80，R78，R79等元器件是否有虛焊、連焊；查看MCU的18管腳TXHW和其他管腳之間是否虛焊或連焊，MCU的18管腳到R80之間是否斷路。如果檢查都正常，可通過更換紅外發(fā)射管來確定其是否損壞。

圖2 紅外發(fā)送/接收電路

（2）紅外抄表通電，如果通信時(shí)出現(xiàn)通信符號(hào)但抄表失敗，或者電能表抄表無反應(yīng)，說明電能表沒有收到紅外信號(hào)，應(yīng)先著重檢查紅外接收部分電路，更換紅外接收管。要考慮紅外抄收器的軟件是否對(duì)應(yīng)符合，DL/T 645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》選擇是否正確（2007規(guī)約與1997規(guī)約不通用）。若通信規(guī)約正確，則可用萬用表測(cè)量紅外接收管輸入、輸出管腳電壓。如果電壓及線路均正常，再用示波器測(cè)量波形，如果波形正常，可能是紅外接收管到MCU的部分線路有問題；如果波形不正常，則可能是紅外接收管損壞。

6 費(fèi)控類故障分析

6.1 身份認(rèn)證不合格

身份認(rèn)證不合格主要是ESAM芯片問題，應(yīng)檢查其是否插反或插錯(cuò)，有無折腳。在密鑰下裝時(shí)如果中間突然中斷，可能會(huì)發(fā)生后面的密鑰不能下裝的情況，所以在密鑰下裝時(shí)電能表的狀態(tài)應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。

6.2 遠(yuǎn)程費(fèi)控不合格

首先考慮控制電路和繼電器兩方面，若電路部分無明顯故障，可以用另一個(gè)好的繼電器來檢測(cè)，以確定是繼電器故障還是電路故障，縮小故障范圍。

智能表使用磁保持繼電器，磁保持繼電器常見故障原因有：

（1）超過極限工作溫度。高溫條件下絕緣材料會(huì)軟化甚至熔化；低溫條件下材料會(huì)龜裂，絕緣抗電性能下降，以致失效。高、低溫交替作用下，造成結(jié)構(gòu)松動(dòng)，活動(dòng)部件位置發(fā)生變化，導(dǎo)致吸合、釋放失控。

（2）繼電器控制電路元器件連焊、虛焊。

（3）繼電器觸點(diǎn)接觸不良或不接觸。

（4）接觸電阻不穩(wěn)定，導(dǎo)致運(yùn)行中的電表溫升逐漸增大，嚴(yán)重的會(huì)燒毀電能表。

（5）繼電器負(fù)載兩端硬連接或安裝受到約束，產(chǎn)生應(yīng)力。由于繼電器產(chǎn)品比較精密，產(chǎn)生應(yīng)力后會(huì)造成繼電器工作失誤。

（6）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝衛(wèi)生不符合要求，產(chǎn)生金屬垃圾，通過手動(dòng)開關(guān)散熱孔進(jìn)入繼電器內(nèi)部，造成繼電器失效。

（7）瞬間大電流燒壞繼電器。

7 結(jié)語

從以上故障分析可知，在生產(chǎn)過程中人為因素造成的故障是最多的，例如器件開裂、破損、錯(cuò)件、漏件等，不合理的生產(chǎn)工藝、元器件的故障其次，其他故障還有包裝、搬運(yùn)、運(yùn)輸?shù)冗^程中導(dǎo)致的損壞；軟/硬件不匹配（主要是設(shè)計(jì)上的缺陷和不同軟硬件的錯(cuò)誤搭配產(chǎn)生的）；環(huán)境溫度、濕度造成元器件失效導(dǎo)致的故障等。解決措施是除了在表計(jì)驗(yàn)收、樣品測(cè)試、全性能實(shí)驗(yàn)和平時(shí)的實(shí)驗(yàn)室檢定過程中嚴(yán)格把控質(zhì)量外，還需注意檢定后和待裝的智能表在運(yùn)輸過程中應(yīng)采取有效的防震、防雨、防塵、防止長(zhǎng)時(shí)間陽光直射等措施，經(jīng)過劇烈震動(dòng)和撞擊后，應(yīng)重新對(duì)智能表進(jìn)行檢定。

檢定人員應(yīng)仔細(xì)深入研究各種智能電能表的故障，及時(shí)找出故障原因并找到對(duì)策，提高智能電能表的穩(wěn)定性與可靠性。

[1]DL/T 645-2007多功能電能表通訊協(xié)議[S].北京：中國電力出版社，2008.

[2]陳向群.電能計(jì)量技能考核培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]Q/GDW 364-2009單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

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