智能電能表計(jì)量故障原因分析

賀星，申麗曼，陳浩(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司計(jì)量中心，湖南長(zhǎng)沙410007)

智能電能表計(jì)量故障原因分析

賀星，申麗曼，陳浩
(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司計(jì)量中心，湖南長(zhǎng)沙410007)

本文從軟件、硬件設(shè)計(jì)、制造工藝以及工作質(zhì)量等方面，分析總結(jié)計(jì)量故障產(chǎn)生的現(xiàn)象和原因，并通過列舉案例對(duì)計(jì)量故障進(jìn)行實(shí)例分析。最后針對(duì)這類故障產(chǎn)生原因，提出了對(duì)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施。

智能電能表；計(jì)量異常；電壓

隨著智能電能表大量推廣和使用，其電網(wǎng)地位日趨重要。準(zhǔn)確計(jì)量是智能表的基本要求，而且智能電能表的應(yīng)用過程中，計(jì)量故障類型繁多，危害極大。包括電量倒走、電量飛走、電量走快、電量停走等，因此有必要對(duì)計(jì)量異常產(chǎn)生原因總結(jié)分析。從歷年計(jì)量異常的故障中歸納出四大故障原因，并從最可能的故障點(diǎn)排查故障，找出故障產(chǎn)生的直接原因。這利于進(jìn)一步推進(jìn)智能表的生產(chǎn)與運(yùn)維，促進(jìn)其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)、安裝上的完善。

1 故障原因分類

從對(duì)故障表鑒定的實(shí)例中來看，引起電能表計(jì)量異常的原因主要有軟件故障、硬件故障、制造工藝以及現(xiàn)場(chǎng)工作質(zhì)量和竊電等方面。

1)軟件故障引起的計(jì)量異常主要包括兩種。一是供應(yīng)商進(jìn)行軟件校表時(shí)，電流增益、電壓增益、相位補(bǔ)償?shù)扔?jì)量芯片中用于電量計(jì)算的參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致輸出的電壓、電流、功率與實(shí)際不符。這類故障通常在出廠檢測(cè)時(shí)能發(fā)現(xiàn)，如果供應(yīng)商未按要求對(duì)每塊表進(jìn)行的出廠檢測(cè)，這類故障表將會(huì)流向各省強(qiáng)檢定線，從全檢的基本誤差檢測(cè)項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，并作為不合格產(chǎn)品退貨。二是計(jì)量芯片和MCU沒有抗干擾設(shè)計(jì)，計(jì)量芯片死機(jī)或計(jì)量芯片與MCU進(jìn)行通信時(shí)受到外界干擾，以及MCU對(duì)存儲(chǔ)芯片(如EEPROM)進(jìn)行寫數(shù)據(jù)時(shí)受到干擾或瞬間斷電，導(dǎo)致電量丟失或電量存儲(chǔ)錯(cuò)誤。這類故障表重新上電后一般恢復(fù)正常，難以復(fù)現(xiàn)。

2)硬件故障引起的計(jì)量異常。主要包括三方面。一是元器件質(zhì)量不佳，常見于元器件技術(shù)參數(shù)不滿足電能表技術(shù)要求，在極端環(huán)境下運(yùn)行后，元器件電氣性能改變，元器件加速老化。二是安裝有質(zhì)量問題的元器件，如在電壓、電流采樣，基準(zhǔn)電壓電路安裝已損壞的高頻濾波用貼片電容，造成電壓、電流、功率示值異常；晶振不穩(wěn)定或晶振串聯(lián)的雜散電容損壞，造成計(jì)量芯片不啟動(dòng)。三是硬件抗干擾性差。PCB設(shè)計(jì)應(yīng)采用強(qiáng)弱電分開，來消除數(shù)字信號(hào)回路的電磁干擾；區(qū)分?jǐn)?shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)、數(shù)字地與模擬地，防止相互串?dāng)_；計(jì)量芯片外接晶振引線應(yīng)盡量短等，如果電路板不滿足這些PCB設(shè)計(jì)原則，電能表就不能很好的抑制干擾源。

3)制造工藝引起的計(jì)量異常。主要包括四方面。一是分壓電阻、錳銅分流片兩端引線、采樣回路、外接基準(zhǔn)電壓回路濾波用的貼片電容虛焊，造成輸入到計(jì)量芯片的采樣值不正確，或者計(jì)量芯片用于ADC的基準(zhǔn)電壓不正確，都會(huì)引起計(jì)量芯片電能量計(jì)算不準(zhǔn)確，同時(shí)會(huì)引起電壓、電流、功率示值異常。二是生產(chǎn)過程中電路板清潔不到位，殘留的錫渣未清理趕緊，造成引腳短接，比如晶振引腳短接會(huì)引起計(jì)量芯片不工作，基準(zhǔn)電壓引腳與接地引腳短接會(huì)引起電壓電流示值均不正常；三是生產(chǎn)過程中損壞元器件。電能表生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括貼片、回流焊、波峰焊、清洗、人工焊、檢測(cè)、三防、烘干、裝配等，其中裝配環(huán)節(jié)屬于人工流水線，人員不熟練或操作不規(guī)范，容易誤碰電路板元器件，造成元器件損傷。四是電路板三防措施不到位。電路板三防包括防潮、防鹽霧、防霉，主要通過噴涂三防漆實(shí)現(xiàn)，使用的三防漆質(zhì)量差或配比不正確、噴涂環(huán)境不滿足要求或噴涂前未進(jìn)行干燥都會(huì)引起三防措施失效。電能表置于潮濕環(huán)境中易短路燒壞元器件或芯片。

4)現(xiàn)場(chǎng)工作質(zhì)量和竊電造成計(jì)量不準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)工作質(zhì)量包括電能表接線錯(cuò)誤，造成電壓電流反相；不同用戶的進(jìn)線集中布線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，造成電表走快和潛動(dòng)；批量安裝過程中，電能表串戶造成計(jì)量不準(zhǔn)等。竊電引起的計(jì)量不準(zhǔn)常見有短接電流端子、改變電壓采樣電阻阻值等。

2 計(jì)量異常故障案例分析

某電表廠生產(chǎn)的單相智能電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)曾發(fā)生電壓突然增高，電表飛走的故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排除無接線問題、無電磁干擾、無竊電痕跡。除電壓突高現(xiàn)象外還出現(xiàn)電表潛動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)拆回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定。加220 V電壓后，屏幕顯示的電壓是785.7 V、火線電流0.113 A、功率0.088 kW。按額定電流，功率因數(shù)1.0對(duì)故障表進(jìn)行基本誤差試驗(yàn)，誤差達(dá)到3 575%。電壓突增導(dǎo)致電表飛走，且電能表電壓短時(shí)間會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值，改變環(huán)境或進(jìn)行移動(dòng)后，電壓數(shù)值有變化，推斷設(shè)備硬件故障嫌疑大。

排查影響電壓異常的幾個(gè)方面:分壓電阻到計(jì)量芯片電路、基準(zhǔn)電壓電路。即測(cè)量分壓電阻、分壓后電壓值、基準(zhǔn)電壓外部引腳接地回路。發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓外部引腳接地回路C18，C19貼片電容在電路板上的阻值異常，從圖1看出正常情況阻值為∝，而測(cè)量得到阻值為463Ω，說明C18，C19至少有一個(gè)貼片電容已擊穿。

圖1 計(jì)量芯片電路板接線圖

將故障表C18，C19電容更換成正常電容，并且電表加入220 V電壓，測(cè)量REFV引腳電壓恢復(fù)至1.25 V，顯示電壓220 V。電能表恢復(fù)正常。

C18，C19貼片電容位于計(jì)量芯片(RN8209C)REFV外接基準(zhǔn)電壓引腳與GND之間。起到去耦作用，防止外界干擾進(jìn)入計(jì)量芯片，以確保基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定。從圖2 RN8209C計(jì)量芯片內(nèi)部原理圖可知，采樣電壓、電流進(jìn)入計(jì)量芯片后，經(jīng)過ADC時(shí)，需要接入基準(zhǔn)電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過DSP處理器，計(jì)算出計(jì)量的數(shù)據(jù)。電能表經(jīng)過校準(zhǔn)后，基準(zhǔn)電壓為1.25 V。接入220 V電壓時(shí)，經(jīng)過分壓、濾波電路，輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)約0.3 V，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換及校表系數(shù)的修正，得到數(shù)值2 200，即220.0 V。當(dāng)故障表基準(zhǔn)電壓因發(fā)生硬件問題變?yōu)?.35V時(shí)，輸入電壓為220 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換前端的信號(hào)還是0.3 V，而因基準(zhǔn)值變小，得到的數(shù)據(jù)值會(huì)增大1.25/0.35倍，因此，按照校表系數(shù)計(jì)算后，得到的數(shù)值是7 857，即785.7 V，產(chǎn)生超大數(shù)據(jù)。

REFV引腳器件發(fā)生損壞，拉低了基準(zhǔn)電壓，相對(duì)得出的信號(hào)數(shù)據(jù)就會(huì)變大。造成電壓數(shù)據(jù)超大現(xiàn)象。

圖2 計(jì)量芯片內(nèi)部原理圖

外接退耦電容短路，沒有起到退耦的效果時(shí)，會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)定，也會(huì)帶來電能表潛動(dòng)、計(jì)量數(shù)據(jù)(電壓、電流、功率等)偏差。

進(jìn)一步對(duì)元器件供貨、貼片、回流焊、波峰焊、人工焊、裝配、出廠檢測(cè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)問題出在裝配環(huán)節(jié)，由于C18，C19電容在電路板邊緣，個(gè)別新工人不規(guī)范操作造成工作失誤，碰撞C18，C19電容，使電容發(fā)生破損，圖3為C18，C19電容在電路板上的位置。

圖3 電路板故障點(diǎn)

3 改進(jìn)措施

進(jìn)一步分析故障產(chǎn)生的原因，可改進(jìn)的措施，一是在出廠檢測(cè)和計(jì)量中心強(qiáng)制檢定的過程中發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓異常；二是從源頭上杜絕此類故障的發(fā)生。

1)貼片電容自身體積很小，外力損壞產(chǎn)生的裂紋也極小，需要擴(kuò)大到一定程度才能失效。電表上電后，貼片電容兩端具有壓降，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)大，且運(yùn)輸或其他振動(dòng)時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電容裂紋擴(kuò)大或縮小，所以產(chǎn)生電壓突增值不定，和時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象。此類故障最大的危害就在于能躲過出廠檢測(cè)和強(qiáng)檢，因此需要從源頭上杜絕此類故障發(fā)生。

2)改進(jìn)檢測(cè)電表硬件可靠性試驗(yàn)的方法，比如增加潮濕或高溫環(huán)境下過壓或過流試驗(yàn)，篩選出計(jì)量芯片周圍存在故障隱患電能表?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)個(gè)別廠家開始研究多應(yīng)力可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，我國(guó)電測(cè)行業(yè)也對(duì)電能表質(zhì)量一致性和可靠性試驗(yàn)提出了要求。

4 結(jié)語(yǔ)

從本文所述的基準(zhǔn)電壓異常導(dǎo)致計(jì)量故障可以看到，計(jì)量故障的查找、鑒定工作要深入到器件生產(chǎn)、電表裝配、配送等環(huán)節(jié)，找到根源才能對(duì)癥下藥。但是，電能表檢測(cè)和故障表鑒定兩方面存在漏洞和短板，常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目不能檢測(cè)出不同廠家不同批次電能表能承受環(huán)境的極限能力，不能檢測(cè)出電能表的薄弱環(huán)節(jié)，然而正是電能表存在的薄弱環(huán)節(jié)決定電能表的壽命；而且針對(duì)電能表故障鑒定沒有統(tǒng)一合理的鑒定方法，不同的故障需要不斷探索、總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)。因此探索電能表新的檢測(cè)方法和故障表鑒定方法越來越重要。

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Reason Analysis of Intelligent Energy Meter's Measure Fault

HE Xing，SHEN Liman，CHEN Hao
(State Grid Hunan Electric Power Corp.Measuring Center，Changsha 410007，China)

This paper analyzes and summarizes measurement and reasons of measure fault in some aspects which include software and hardware design，manufacturing process and working quality.This paper gives an example to analyze measure fault.At last，in allusion to this type of fault，improvementmeasures are proposed in production，design and application link.

intelligent energymeter；measure fault；voltage

TM933.4

B

1008-0198(2017)03-0083-03

賀星(1982)，女，湖南湘潭人，主要從事電能表檢測(cè)及新技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.023

2016-12-22