一起單相電能表故障的實驗分析

陸 艷，沈孝賢

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314000）

嘉興電力局2009年開始推廣使用智能電能表，目前已實現(xiàn)了城區(qū)的全覆蓋。嘉興電力局客戶服務(wù)中心計量組收到抄表員反映，在現(xiàn)場核抄時候發(fā)現(xiàn)一戶空置房屋的電能表上的燈閃爍得很快。根據(jù)檢定規(guī)程對該表進行了計量檢定，誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，在用紅外掌機抄見電量時發(fā)現(xiàn)表計存在一定量的反向有功電量，為探討這一現(xiàn)象，在征得用戶同意后取回進行了實驗分析。

1 實驗過程

首先將白熾燈和電源接入電能表，用萬用表測量電源電壓為225.1 V，200 W白熾燈的負載電流為0.888 A。操作電能表按鍵液晶上顯示電流為0.853 A，運行數(shù)10 min后，電流數(shù)次出現(xiàn)-12 A左右的波動，與所接的負荷性質(zhì)不符。

切斷電源后將電能表表蓋打開，檢查計量芯片的引腳焊接，發(fā)現(xiàn)在電路板上存在部分助焊劑殘留物，使用酒精清理后用電吹風(fēng)機將殘留部位吹干，再次接通電源觀察30 min后，未再出現(xiàn)反向電流的情況。

為進一步觀察是否已解決電流采樣波動的問題，將電能表和白熾燈帶電運行15 h，電量顯視見表1所示。電能表在17 h中依然產(chǎn)生了反向電量，可見清理了助焊劑殘留物后仍未排除故障。

表1 電能表帶負荷運行17 h的示值 kWh

為找到故障主因，用絕緣材料將主電路板墊高，在帶電情況下，用鑷鉗分別拉動錳銅采樣線，發(fā)現(xiàn)在拉動黑色和綠色線時，電能表明顯出現(xiàn)了反向電流的現(xiàn)象，電流上升至-24.54 A，此時，零線電流檢測顯示為-0.855 A，證明是火線取樣回路中存在問題導(dǎo)致取樣電流激增，并產(chǎn)生了反向電量。

2 單相智能電能表的采樣回路

智能電能表工作時，電壓、電流（包括零線電流）通過取樣（電壓可以通過電阻分壓器，電流通過錳銅分流器取樣），轉(zhuǎn)換為采樣信號通過濾波處理后送入計量芯片，計量芯片將電量信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號送到 CPU進行電量脈沖采集、電量累計和各項計算分析處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存貯中；同時CPU完成安全認證、紅外、485抄表、LCD顯示等功能處理。單相智能電能表原理框圖見圖1，顯然電流回路的誤差來源主要在電流采樣器。

圖1 單相智能電能表原理框圖

由于具有阻抗值?。ㄒ话銥閹装傥W）、線性好、無相位誤差、無磁飽和、體積小成本低的優(yōu)點，一般單相電能表都采用錳銅電阻取樣的方式完成電流回路采樣，電流采樣回路有缺陷會使電能表計量誤差超差。

圖2 錳銅采樣電阻與接線

3 采樣回路阻值變化來源

3.1 錳銅分流器電阻的變化

錳銅分流器的3個輸出引腳最左為基準點，另兩個是采樣點，實物及接線見圖2。

如圖2所示，錳銅片聯(lián)接在電流進線接線端鈕上，電流流過錳銅分流器，在黑色和綠色引線之間由于存在電阻，會形成兩個不同的電位而獲得電位差（電壓），從而將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。取樣信號分別經(jīng)過R1與R2限流，C1，C2，C3濾波和移相位，最后送入計量芯片的V1P和V1N引腳。常規(guī)使用的錳銅分流器取樣的電阻一般以μΩ為單位，所以獲得的降低倍數(shù)為分流器電阻值的倒數(shù)。以350 μΩ的分流電阻為例，則取樣降低倍數(shù)為1/350 μΩ=2 857倍。

一般采樣線與錳銅片之間采用碰接的工藝，連接性能良好，但需要先對采樣線的銅芯線安裝轉(zhuǎn)接線夾。由于線夾只能采用壓接的方式，如果壓接時力度不夠、壓入線皮或采樣線本身虛焊，存在導(dǎo)線芯斷裂、開路等情況將引起接觸不良。接觸電阻的增加會使電位漂移、電位差增加從而無法將電流按正確比例轉(zhuǎn)換為電壓信號。另一方面，由于單相電能表通過測量電流與零線電壓的相位夾角來獲得功率因數(shù)，從而判斷電流與功率方向，正如實驗案例中所示那樣，電位飄移后不僅在電流取樣上產(chǎn)生了很大的誤差，同時電流方向判斷錯誤，使正常使用產(chǎn)生的正向電量被計入電能表的反向值內(nèi)。

采樣電阻和電容存在一定范圍內(nèi)的溫漂，即在溫度改變時阻抗值有一定的變化。一般精密電阻的精度達到0.1%，溫度系數(shù)達到2×10-4/℃以內(nèi)。如果采用質(zhì)量低劣的電阻或電容，不僅無法確保精度，而且容易被外界環(huán)境所影響，甚至?xí)霈F(xiàn)電阻開路、電容擊穿的情況。

3.2 工藝質(zhì)量引起阻值

除了選擇優(yōu)質(zhì)的元器件變化外，還需要加強裝配工藝的控制，常見的問題主要有：計量芯片采樣用的電阻、電容及計量芯片引腳虛焊或搭錫，引起采樣信號變化。如果計量芯片的V1P和V1N引腳的焊錫絲過多，直接引起電流短接，無法將取樣電流送入計量芯片。如果電壓采樣地引腳的引腳虛焊，則相當于零電位漂移，無法正常取樣電壓值與相位角度，在功率方向判定上出現(xiàn)錯誤。

貼片電阻或貼片電容在焊接工藝上采用波峰焊。線路板經(jīng)過預(yù)熱后，通過傳送帶進入波峰焊機，經(jīng)過助焊劑涂敷裝置進行預(yù)熱后逐漸提高溫度，使助焊劑活化，蒸發(fā)可能吸收的潮氣或載體溶劑，焊面與高溫液態(tài)錫接觸焊接。

在波峰焊的過程中如果助焊劑中雜質(zhì)含量多，則在預(yù)熱過程中無法揮發(fā)；達不到預(yù)熱溫度則容易發(fā)生電路板表面有殘留或引腳腐蝕的情況。焊錫中雜質(zhì)超標、助焊劑活性不夠，走板速度與預(yù)熱配合不好，會導(dǎo)致虛焊、漏焊或連焊。波峰焊后如果沒有清洗干凈助焊劑等殘留物，在受潮后阻抗值會發(fā)生變化，同樣會引起采樣信號變化。

在電路板自檢后，一部分存在缺陷的電路板需要通過人工焊接的方式修復(fù)補償，一般貼片元器件有一定的焊接溫度，如果溫度不夠，將引起虛焊，溫度過高將直接造成貼片元器件的損壞，多次焊接也會造成焊點的脫落。

根據(jù)校表經(jīng)驗，貼片電容故障會造成基本誤差在功率因數(shù)感性0.5或容性0.8時超差，如果貼片電阻故障，則基本誤差均在功率因數(shù)1.0時超差。

雖然智能電能表的生產(chǎn)工藝大量采用了自動化設(shè)備，但在最后組裝時還需要依賴人工。如果裝配工人沒有按照規(guī)定安裝，易造成元器件擠壓損傷，在運行一段時間后引起阻值或容值變化，引起采樣信號變化。例如：由于錳銅片的頂針距離電壓采樣回路的1k電阻距離較近，在發(fā)生機械撞擊損傷后，會造成電阻應(yīng)力損傷，在一段時間后發(fā)生阻值變化，造成誤差超差。

4 結(jié)論

通過實驗與分析，筆者認為案例所示電能表出現(xiàn)反向功率空走的主要原因是采樣回路電阻增加。經(jīng)排查，同批次表計中未出現(xiàn)相同情況，不存在批量質(zhì)量隱患。為防范此類情況的發(fā)生，應(yīng)從以下方面加強單相電能表的質(zhì)量監(jiān)督與管控：

（1）應(yīng)督促廠家加強對元器件采購的質(zhì)量控制，加強工藝與操作管控，減少生產(chǎn)性損傷。針對南方梅雨季節(jié)濕度較大的情況，應(yīng)在計量芯片周圍涂三防漆，強化線路板超聲波清洗工藝，確保性能穩(wěn)定，不受環(huán)境條件影響；

（2）需要在日常的實驗室檢定與電能表抽檢中嚴把檢定質(zhì)量關(guān)，并加強統(tǒng)計分析，及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患與缺陷，借助采集系統(tǒng)定期開展反向電量的普查，及時發(fā)現(xiàn)運行中的異常情況；

（3）規(guī)范定期核定抄表的信息，建議多抄錄一項電流值。通過火線電流與零線電流比較的方式，發(fā)現(xiàn)電流回路中電流突變與計量失準的情況。

[1]吳福培，鄺泳聰，張憲民，等.基于模式匹配及其參數(shù)自適應(yīng)的 PCB 焊點檢測[J].光學(xué)精密工程，2009，17（10）：2586-2593.

[2]賀珍真，張憲民，鄺泳聰.電子元件的特征建模與檢查算法研究[J].機電工程技術(shù)，2008，37（6）：58-61.