降低檢定流水線電流源故障率方法的研究與應(yīng)用

唐 哲，劉 水

（1.國(guó)網(wǎng)贛西供電公司，江西新余 338000；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

目前各網(wǎng)省電力公司的電能表、終端、集中器都將集中在各省計(jì)量中心采用自動(dòng)檢定流水線集中檢定。由于全省的計(jì)量器具實(shí)現(xiàn)了集中檢定，檢定流水線必須按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)劃進(jìn)行檢定才能滿足全省的計(jì)量器具需求。因此計(jì)量器具檢定流水線的故障率不能太高才能完成全省的檢定任務(wù)，通過對(duì)計(jì)量器具檢定流水線的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，平均每條檢定流水線故障次數(shù)約為30次，其中由程控電流源故障導(dǎo)致的次數(shù)高達(dá)24次，占整體故障的80%，所以現(xiàn)在迫切需要降低檢定流水線程控電流源的故障率。

1 故障原因分析

造成電流源故障的關(guān)鍵原因是功率管（IGBT）發(fā)熱被擊穿。

1.1 功率管（IGBT）的設(shè)計(jì)功率

以單相智能電表檢定流水線為例，檢定流水線一般有10個(gè)檢定單元，每個(gè)檢定單元120表位，一條檢定流水線共計(jì)1 200表位。每個(gè)檢定單元有獨(dú)立的功率源（包括電壓源和電流源），電流源通過功率管（IGBT）將小信號(hào)放大成檢定所需的大電流。IGBT功率管的技術(shù)參數(shù)為：UN=600 V，IB=40 A，IMAX=80 A，采用雙管并聯(lián)推挽工作方式，過流能力為3 000 VA。

1.2 每個(gè)檢定單元的正常負(fù)載

每塊單相智能電表的電流元件功耗不超過1 VA，每個(gè)檢定單元的IGBT只需帶120塊單相電能表和1塊標(biāo)準(zhǔn)表，加上回路的損耗，按10倍裕度設(shè)計(jì)，每個(gè)檢定單元IGBT的輸出功率約為1200VA。所以在正常情況下，輸出能力為3000VA的電流源供給1200 VA的負(fù)載是沒用問題的。

1.3 實(shí)際功率

計(jì)量器具檢定流水線常用最大輸出電流為100 A，因此在該條件下測(cè)試最能反映問題。通過測(cè)試得知每個(gè)檢定單元的實(shí)際功率為4 800 VA，遠(yuǎn)大于每個(gè)檢定單元的正常負(fù)載1 200 VA。經(jīng)分段測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)電流源輸出回路的接觸電阻太大，大部分功率消耗在接觸電阻上了。在智能電表檢定流水線的電壓、電流回路中，接觸電阻最大的就是檢定通電插針和智能電表接線孔之間的接觸電阻。這部分接觸電阻大的原因：一是電流回路為多表位串聯(lián)，回路接觸電阻也是120個(gè)表位串聯(lián)；二是每次檢定都要重新鏈接。由于插針和智能電表接線孔表面在微觀上都凹凸不平，不能充分接觸，并且每次接觸的方向、力度都有差異而造成接觸電阻又大小不一。用大電流電阻測(cè)試儀對(duì)接線通電插針和電能表接線孔之間進(jìn)行電阻測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，壓接接觸電阻的平均值為4.054 mΩ。檢定單元檢測(cè)表位為120個(gè)，合計(jì)接觸電阻為：4.054 mΩ×120=486.48 mΩ。當(dāng)檢定電流為100 A時(shí)，僅壓接電阻上所消耗的功率為：W=I2×R=4 864.8 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流源提供的3 000 VA的額定功率，因而造成IGBT功率管燒壞。

根據(jù)JJF1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》規(guī)定，檢定流水線需要進(jìn)行重新檢定后報(bào)主持考核的省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門審核批準(zhǔn)后才能使用。該流程過程長(zhǎng)，不光費(fèi)用不菲，時(shí)間消耗也非常大。

針對(duì)這一狀況，為降低計(jì)量器具檢定流水線電流源故障率偏高的難題，為節(jié)省檢定費(fèi)用及增加檢定流水線的有效工作時(shí)間，確保按時(shí)、保質(zhì)、保量地完成檢定任務(wù)。本實(shí)用新型提出了一種全新的思路：設(shè)計(jì)一種降低計(jì)量器具檢定流水線電流源故障率的裝置，即在檢定通電插針插入智能電表接線孔前，將檢定通電插針表面均勻搽上電接觸導(dǎo)電脂，即可增強(qiáng)檢定通電插針和智能電表接線孔的接觸，又可防止檢定通電插針生銹或被氧化，用以大幅降低檢定通電插針和智能電表接線孔之間的接觸電阻，從而降低計(jì)量器具檢定流水線電流源的故障率。

插針和智能電表接線孔接頭處即使采取其它各種措施，也不能做到“天衣無縫”。如果接觸面積小于導(dǎo)體截面積，則根據(jù)電阻和導(dǎo)電面積成反比的道理可知，連接點(diǎn)接觸面積愈小，電阻愈大；電阻愈大，則消耗功率越大，IGBT越易發(fā)生燒壞。另外，在外面有振動(dòng)的情況下，還會(huì)出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)連的狀態(tài)，那就可能在接頭處出現(xiàn)電火花，則容易引起附近可燃物燃燒。

2 設(shè)計(jì)原理

降低計(jì)量器具檢定流水線電流源故障率的裝置的原理為：在檢定通電插針插入智能電表接線孔前，將檢定通電插針表面均勻搽上電接觸導(dǎo)電脂，即可增強(qiáng)檢定通電插針和智能電表接線孔的接觸性能，又可防止檢定通電插針生銹或被氧化，用以大幅降低檢定通電插針和智能電表接線孔之間的接觸電阻，大大減少電流功率源的輸出功率，避免功率管IGBT被燒壞，從而降低計(jì)量器具檢定流水線電流源的故障率。

2.1 產(chǎn)生接觸電阻原因

1）由于接觸面的凹凸不平，金屬的實(shí)際接觸面減小了，這樣，當(dāng)電流流過導(dǎo)體時(shí)，使電流線在接觸面附近發(fā)生了嚴(yán)重的收縮現(xiàn)象，即在接觸面附近導(dǎo)體有效的導(dǎo)電截面大大縮小，因而造成電阻的增加，這個(gè)電阻稱為收縮電阻。

2）接觸面在空氣中可能迅速形成一層導(dǎo)電性能很差的氧化膜附著于表面，也使電阻增大了，這部分電阻稱為膜電阻。因此，接觸電阻是由收縮電阻和膜電阻組成。

電接觸導(dǎo)電脂以復(fù)合皂稠化非矽酮類為載體，再添加超導(dǎo)電銅粉、抗氧化劑、抗磨損劑、防銹蝕劑等合成的均勻油脂。導(dǎo)電性能極好，接觸電阻極低。因電接觸導(dǎo)電脂為半流質(zhì)膠狀，可填補(bǔ)檢定通電插針和智能電表接線孔接觸面的凹凸不平，增大金屬的實(shí)際接觸面。因添加了銅抗氧化劑，抗氧化性及防銹性強(qiáng)，可防水、防腐、抗鹽霧、耐腐蝕。所以可防止通電插針的銅氧化，避免通電插針和電表接線孔接觸不良。電接觸導(dǎo)電脂具有良好的高低溫性能及與熱塑性能，可使接觸器、開關(guān)節(jié)點(diǎn)和連接器活動(dòng)潤(rùn)滑，改善通電插針伸縮、開關(guān)閉合、連接器金屬載流面的電氣接觸性能、提高使用壽命，不僅可防止接點(diǎn)處炭化物的積聚功能，還具有滅弧等性能優(yōu)點(diǎn)。

2.2 工作原理

計(jì)量器具檢定流水線正常運(yùn)行時(shí)都依靠控制氣泵氣壓推動(dòng)通電插針插入電表接線孔通電對(duì)電表進(jìn)行檢定。本裝置由計(jì)算機(jī)、夾具、電接觸導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶、涂抹件、氣壓控制機(jī)和彈簧等組成，先控制夾具攜帶涂抹件夾住通電插針，將電接觸導(dǎo)電脂均勻涂抹在檢定單元的每個(gè)通電插針上，見圖1，具體工作原理如下。

1）計(jì)算機(jī)由計(jì)量器具檢定流水線的原有的控制計(jì)算機(jī)擔(dān)任。計(jì)算機(jī)根據(jù)正常檢定的業(yè)務(wù)流程，在檢定單元已將備件電能表傳送到位時(shí)，控制該檢定單元所有通電插針全部斷電。

2）氣壓控制機(jī)1和彈簧1通過一路氣管控制夾具夾緊或松開通電插針。要加緊通電插針時(shí)，氣壓控制機(jī)1加大氣壓，當(dāng)氣壓推力大于彈簧1的伸張力時(shí)，夾具帶動(dòng)涂抹層夾緊通電插針。要松開時(shí)，氣壓控制機(jī)1減少氣壓，當(dāng)彈簧1伸張力大于氣壓推力時(shí)，夾具松開。

圖1 夾具夾緊和松動(dòng)插針工作原理

3）氣壓控制機(jī)2和彈簧2通過另一路氣管控制夾具前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將電接觸導(dǎo)電脂均勻涂抹在檢定單元的每個(gè)通電插針上。

4）每個(gè)檢定單元配有一套電接觸導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶，電接觸導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶通過管道和每個(gè)表位每根通電插針的涂抹件相通。電接觸導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶的工作原理就像一個(gè)注射推進(jìn)器，通過氣泵氣壓的推進(jìn)可為每個(gè)涂抹件源源不斷地提供電接觸導(dǎo)電脂，存儲(chǔ)瓶可通過打開瓶蓋添加電接觸導(dǎo)電脂，見圖2。

5）涂抹件實(shí)際上就是安裝在每個(gè)通電插針的夾具內(nèi)側(cè)的2塊海綿，海綿源源不斷地從導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶吸收導(dǎo)電脂，再均勻地涂抹在每個(gè)表位的通電插針上。

圖2 在插針上涂抹電接觸導(dǎo)電脂工作原理

6）通電插針表面涂抹上電接觸導(dǎo)電脂后，檢定流水線原有的氣壓控制機(jī)將已涂抹電接觸導(dǎo)電脂的通電插針插入每個(gè)表位的電能表接線孔，這是檢定流水線就可以通電壓、電流開始檢定了。

本方法與現(xiàn)有技術(shù)比較，有益的效果是：本裝置在檢定通電插針插入智能電表接線孔前，將檢定通電插針表面均勻搽上電接觸導(dǎo)電脂，即可增強(qiáng)檢定通電插針和智能電表接線孔的接觸，又可防止檢定通電插針生銹或被氧化，大幅降低了檢定通電插針和智能電表接線孔之間的接觸電阻，從而降低計(jì)量器具檢定流水線電流源的故障率。節(jié)省了IGBT燒壞后的檢定費(fèi)用，增加檢定流水線的有效工作時(shí)間，確保計(jì)量器具檢定流水線能按時(shí)、保質(zhì)、保量地完成檢定任務(wù)。

3 具體實(shí)施

3.1 降低檢定流水線電流源故障率方法

1）目前計(jì)量器具檢定流水線都已配有氣泵和氣源，都是通過氣壓控制器控制氣壓推動(dòng)檢定通電插針插入電表接線孔完成接線。完成檢定后再通過負(fù)壓將檢定通電插針退出電表接線孔完成與電表的斷開和分離。本實(shí)用新型利用檢定流水線的現(xiàn)有氣泵和氣源，在原有氣泵輸出上增加2路氣管輸出，并分別用2個(gè)氣壓控制器控制。一路與彈簧1配合，用于控制夾具加緊或松開檢定通電插針；另一路與彈簧2配合，用于推進(jìn)或拉回夾具帶動(dòng)涂抹件夾住檢定通電插針往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將電接觸導(dǎo)電脂涂抹在檢定通電插針上，詳見圖1、2。

2）利用計(jì)量器具檢定流水線現(xiàn)有結(jié)構(gòu)支撐，每個(gè)檢定單元安裝一個(gè)導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶。導(dǎo)電脂存儲(chǔ)瓶通過油管將導(dǎo)電脂輸送到每個(gè)表位的夾具上，為通電插針準(zhǔn)備導(dǎo)電脂。

3）由于電接觸導(dǎo)電脂并非良導(dǎo)體，它在導(dǎo)體接觸面的導(dǎo)電性是利用隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因此電接觸導(dǎo)電脂在插針表面不能涂抹的太厚，一般厚度為0.05~0.1mm，涂太厚會(huì)影響效果。因此夾具海棉對(duì)插針需加緊。

3.2 實(shí)施效果

按照本方法實(shí)施后，對(duì)檢定流水線電流輸出回路電阻重新進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試每根插針與電表之間的平均接觸電阻為1.3mΩ，整個(gè)電流回路一共120個(gè)表位，接觸電阻總計(jì)為：1.3×120=156mΩ。輸出100A電流時(shí)電流源的負(fù)載功率為：1×121+1002×0.156=1681W，小于檢定流水線的設(shè)計(jì)負(fù)載能力。

4 結(jié)語

在檢定通電插針插入智能電表接線孔前，將檢定通電插針表面均勻搽上電接觸導(dǎo)電脂，即可增強(qiáng)檢定通電插針和智能電表接線孔的接觸，又可防止檢定通電插針生銹或被氧化，大幅降低了檢定通電插針和智能電表接線孔之間的接觸電阻，從而降低計(jì)量器具檢定流水線電流源的故障率。

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