數(shù)字化電能表可靠性試驗平臺研究與應(yīng)用

陳瑜，鄒航，胡玉松，冉長青

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650073)

數(shù)字化電能表可靠性試驗平臺研究與應(yīng)用

陳瑜，鄒航，胡玉松，冉長青

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650073)

設(shè)計開發(fā)了一種適用于數(shù)字化電能表的可靠性試驗平臺，可模擬現(xiàn)場運行環(huán)境中的各種力學(xué)環(huán)境試驗，并采用自動控制切換各種方式，通過程序控制試驗過程?；谠撛囼炂脚_，提出了針對性試驗實施方案，試驗應(yīng)用發(fā)現(xiàn)該試驗平臺可加速可靠性試驗過程，更易激發(fā)在可靠性試驗中難以發(fā)現(xiàn)的故障隱患，進一步提高了數(shù)字化電能表可靠性水平。

數(shù)字化電能表；可靠性；試驗平臺

0 前言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)字化電能表成為了智能用電信息采集和控制的主要終端設(shè)備，數(shù)字化電能表是主要電能計量器具，但尚未開展針對性的系統(tǒng)研究，并未形成相關(guān)可靠性試驗方案[1-2]。目前，不斷加強產(chǎn)品的試驗檢測，已開展環(huán)境試驗、電磁兼容 (EMC)試驗等國家或行業(yè)標準要求的常規(guī)試驗，在數(shù)字化電能表樣機設(shè)計與生產(chǎn)階段進行擴展試驗，以達到提高產(chǎn)品可靠性的目的[3-5]。

以下通過研究可靠性問題產(chǎn)生原因，從可靠性的角度設(shè)計了一種多應(yīng)力可靠性試驗平臺，以快速暴露在型式試驗中不可能發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品潛在可靠性問題。

1 現(xiàn)場應(yīng)力對數(shù)字化電能表影響

1.1 環(huán)境應(yīng)力

溫度：電能表運行環(huán)境溫度較高，溫度過高會使電子元器件的結(jié)構(gòu)發(fā)生物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致性能參數(shù)退化，絕緣失效、電特性變化、焊點熔化、機械應(yīng)力增加、壽命縮短甚至燒毀。同時，低溫也會對液晶和電解電容等器件性能易受低溫影響。

濕度：潮濕是腐蝕電子元器件的最重要因素，水汽增加材料表面的導(dǎo)電性，使漏電流增加，加速金屬的電化學(xué)反應(yīng)，影響電子元器件的性能和功能。

鹽霧：鹽與潮濕空氣結(jié)合形成鹽霧，其中氯離子活性強，可附著于電子元器件表面，降低電極間的絕緣性能，加速金屬腐蝕和絕緣材料老化，導(dǎo)致元器件破壞。

1.2 電應(yīng)力

過壓：電網(wǎng)從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)都會產(chǎn)生振蕩過壓，因此電網(wǎng)過壓經(jīng)常發(fā)生。過壓一般分操作過壓和諧振過壓，過壓達到額定電壓3倍的概率較大，有的甚至達到6～7倍，特別是雷電襲擊，電壓更高、能量更大，對電能表電源將產(chǎn)生很大的威脅。

過流：電機啟動和電容投切時，均會產(chǎn)生較大沖擊電流，可達額定電流的5～6倍，其長期作用在表計和終端的采樣電路，會對其產(chǎn)生危害。另一種危害更大的沖擊電流是短路故障沖擊電流，在十多毫秒內(nèi)將有幾千安以上瞬間電流作用于表計和終端，容易損傷表計和終端。

諧波：非線性負載往往會產(chǎn)生諧波電流，諧波主要影響計量和使電源變壓器發(fā)熱。

1.3 電磁干擾

開關(guān)投切瞬間會產(chǎn)生很大的復(fù)雜干擾現(xiàn)象，將對表計和終端程序產(chǎn)生致命影響。

電磁輻射：如果電網(wǎng)電流發(fā)生突變，則會產(chǎn)生電磁輻射，突變的上升沿越陡，輻射越大，強輻射可能會干擾表計和終端數(shù)字電路正常運行。另外，無線電臺、對講機、火花塞點火等也可能干擾表計和終端正常運行。

靜電放電：人體可能會帶上靜電，當(dāng)他觸摸表計和終端時，可能產(chǎn)生靜電放電。另外，掛在室外的表計和終端可能會受到雷電靜電感應(yīng)的影響，當(dāng)雷電突然泄放，感應(yīng)電荷會產(chǎn)生沖擊電流，這種沖擊電流會損傷表計和終端。

工頻磁場：一些用電設(shè)備會產(chǎn)生較強工頻磁場，例如電磁鐵、直流電機、交流電機等，會產(chǎn)生恒定磁場和交變磁場。工頻磁場主要影響表計和終端計量和電源變壓器磁路。

2 多應(yīng)力可靠性試驗平臺設(shè)計

按國內(nèi)已經(jīng)發(fā)布的各種技術(shù)標準，數(shù)字化電能表主要試驗檢測內(nèi)容主要包括誤差測試、電磁兼容測試、環(huán)境試驗等，一般采用尚未針對可靠性形成相關(guān)試驗技術(shù)標準和試驗方案要求，不能對電能表可靠性進行試驗驗證。部分單位參照電子產(chǎn)品加速老化試驗，嘗試開展電能表可靠性試驗，但主要為溫度和濕度應(yīng)力，難以模擬電能表現(xiàn)場運行中存在的各種真實環(huán)境情況，部分故障隱患難以得到充分暴露。

2.1 試驗平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

多應(yīng)力可靠性試驗平臺總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 多應(yīng)力試驗平臺結(jié)構(gòu)圖

該平臺主要由隔離變壓器、環(huán)境試驗箱、電表走字臺、負載箱、通信抄表臺和低壓載波控制器等組成。

隔離變壓器：為試驗平臺提供隔離的三相四線電源。因為需要對產(chǎn)品施加各種干擾，會通過電網(wǎng)傳到其它設(shè)備正常運行，所以需要增加一個大約20 kW的三相隔離變壓進行干擾隔離。

環(huán)境試驗箱：采用特制的雙開門大型環(huán)境試驗箱，可模擬現(xiàn)場的環(huán)境應(yīng)力，如高溫、低溫、濕度等。內(nèi)置一臺可掛60表位的電表走字臺，為電能表提供電壓和電流，使產(chǎn)品在試驗工程中保持運行狀態(tài)。

負載箱：由感應(yīng)電機、電抗器、電容器、可控硅、升壓變壓器和真空短路器組成，可模擬現(xiàn)場過壓、過流、諧波、開關(guān)投切和工頻磁場等電應(yīng)力和電磁干擾。

低壓載波控制器：是系統(tǒng)的控制核心，控制各種負載的投入和斷開，按照設(shè)定的步驟把各種應(yīng)力施加給試驗設(shè)備。

通信抄表臺：通信抄表有RS 485口、載波通信等方式，可進行頻繁抄表、亂碼干擾等方式測試電表通信壓力表現(xiàn)。

煙霧報警和保護設(shè)備：裝有短路跳閘開關(guān)，而且需裝設(shè)煙霧報警跳閘裝置，當(dāng)傳感器檢測到煙霧立刻跳閘斷電。

2.2 應(yīng)力模擬方法

數(shù)字化電能表在現(xiàn)場所受到高溫、低溫、濕熱交變、過壓、過流、電磁干擾等多種應(yīng)力影響，模擬和重現(xiàn)這些現(xiàn)場應(yīng)力是可靠性加速試驗平臺的關(guān)鍵所在。

1)高溫、低溫、濕熱交變等環(huán)境應(yīng)力采用環(huán)境試驗箱實現(xiàn)，通過程序設(shè)定，按要求曲線控制箱內(nèi)試驗環(huán)境變化。

2)過電壓采用升壓變壓器模擬，控制器控制升壓變壓器的接通時間試驗施加的過電壓時間，電壓接通采用繼電器輸出。電容在接通瞬間會產(chǎn)生很大的沖擊電流，因此，可利用三相電力電容作為負載進行電流沖擊模擬。

3)電網(wǎng)開關(guān)在斷開感性負載時，在觸點會產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，會產(chǎn)生上升沿很陡的脈沖干擾。采用真空開關(guān)來切斷感性負載，則會產(chǎn)生很高的過壓脈沖沖擊，可采用三相電動機作為感性負載，并通過投切模擬現(xiàn)場開關(guān)投切產(chǎn)生的脈沖干擾。

4)現(xiàn)場諧波電流一般是由非線性負載產(chǎn)生，可加可控硅進行電流控制，產(chǎn)生諧波電流模擬現(xiàn)場非線性負載情況。

5)電能表在現(xiàn)場可能會受到各種輻射干擾，電網(wǎng)自身電流突變也會產(chǎn)生很強的電磁輻射?？刹捎酶哳l發(fā)生器和功率放大器，實現(xiàn)從80 M到2 G頻率掃描，強度可達30 V/m，找到電能表的頻率敏感點。

2.3 多應(yīng)力自動切換控制

本試驗平臺采用低壓載波為核心實現(xiàn)可編程自動控制。低壓載波主要用于工業(yè)自動控制裝置，具有可編程、操作維護方便、抗干擾能力強、可靠性高等特點。試驗平臺各種負載通過低壓載波控制接入系統(tǒng)，對產(chǎn)品施加各種應(yīng)力，其控制原理如圖2所示。

圖2 控制器原理圖

溫度、濕度應(yīng)力控制由高低溫試驗箱完成，低壓載波有串行通行口，可通過高低箱的通信口對高低溫箱進行程序控制。

3 試驗方案

按規(guī)程規(guī)定的中截尾序貫試驗方案4：6(α= 20%，β=20%，Dm=2.0)進行，實驗的平均故障間隔時間上限m0取50 000小時。試驗平臺模擬現(xiàn)場走字環(huán)境，采用高溫70℃、低溫-40℃、濕度90%，其它應(yīng)力由低壓載波控制循環(huán)加入。

在實驗過程中，按規(guī)定時間 (兩周一次)對受試產(chǎn)品進行性能監(jiān)測，并將累積試驗時間和累積失效數(shù)不斷地與規(guī)定的接收、拒收或繼續(xù)試驗的判定標準進行比較，直至與截尾接收線或截尾拒收線相交，然后作出結(jié)論。

4 結(jié)束語

按以上試驗方案，采用設(shè)計開發(fā)的多應(yīng)力可靠性試驗平臺對數(shù)字化電能表進行了多次試驗，發(fā)現(xiàn)了故障隱患：

1)在高溫和電流沖擊的綜合應(yīng)力環(huán)境中，采樣電阻更易沖壞，參數(shù)漂移情況加劇，造成智能表計誤差超差。

2)在潮濕和過電壓的多應(yīng)力環(huán)境中，開關(guān)電源模塊中功率器件工作特性變差，容易出現(xiàn)擊穿燒毀現(xiàn)象，在設(shè)計時需考慮組織的容量裕度。

3)在群脈沖干擾、開關(guān)投切的多種電磁干擾環(huán)境作用下，設(shè)備更易出現(xiàn)電量數(shù)據(jù)紊亂現(xiàn)象。

4)電能表端子排絕緣材料在高溫、濕度、過電壓作用下，如果端子排材料不純，則會出現(xiàn)端子排融化現(xiàn)象，造成設(shè)備絕緣損壞。以上故障在一般可靠性試驗中發(fā)生的概率較低，短時間難以出現(xiàn)。

本文所述的試驗平臺具有試驗產(chǎn)品數(shù)量多、試驗時間長、多應(yīng)力循環(huán)變化等特點，使發(fā)現(xiàn)隱患的概率大大提高，故障隱患得到充分的暴露，為可靠性改進指明方向，使產(chǎn)品可靠性得到提高。

[1] 劉慧敏，張慧賢.電能計量標準量值傳遞體系及傳遞精度控制的研究 [J].電測與儀表，2010(9).

[2] 孫健.檢定三相交流電能表檢定裝置的測量不確定度分析與評定 [J].電測與儀表，2008(8).

[3] 藺菲，王俊偉，倪凌露，等.電能計量標準測量結(jié)果的不確定度評定與驗證 [J].電測與儀表，2009(2).

[4] 譚茂茜.電力諧波對電能計量的影響 [J].廣東電力，2006(12).

[5] 張麗偉，龐劍玲.標準電能表檢定結(jié)果的測量不確定度評定 [J].河北電力技術(shù)，2011，30(1).

[6] JB/T6214-1992.儀器儀表：可靠性驗證試驗及測定試驗(指數(shù)分布)導(dǎo)則 [S].

Research and Application of Digital Watt-hour Meter Reliability Test Platform

CHEN Yu，ZHOU Hang，HU Yusong，RAN Changqing
(Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650073，China)

This paper has designed and developed a multi-stress reliability test platform for smart meters，which can simulate a variety of stresses in operating environment，uses the automatic control to switch between the various stresses and controls test process by program.Based on the test platform，this paper presents the implementation of the corresponding test program.Through the test application，the test platform can accelerate the reliability test process，and excites hidden faults more easily compared to a single stress reliability test.The Platform can further improve the reliability level of smart meters.

digital meter；reliability test；test platform

TM 932

B

1006-7345(2015)03-0001-03

2014-11-21

陳瑜 (1971)，女，高級工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，從事電能計量技術(shù)研究工作 (e-mail)908175185＠qq.com。

鄒航 (1970)，男，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，從事繼電保護及計量技術(shù)研究工作。

胡玉松 (1989)，男，助理工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，從事數(shù)字式電能計量器具研究工作。