降低檢定流水線電流源故障率方法的研究與應用

唐 哲，劉 水

（1.國網(wǎng)贛西供電公司，江西新余 338000；2.國網(wǎng)江西省電力科學研究院，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量中心采用自動檢定流水線集中檢定。由于全省的計量器具實現(xiàn)了集中檢定，檢定流水線必須按照時間節(jié)點計劃進行檢定才能滿足全省的計量器具需求。因此計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，通過對計量器具檢定流水線的故障率進行統(tǒng)計調(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致的次數(shù)高達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）的設計功率

以單相智能電表檢定流水線為例，檢定流水線一般有10個檢定單元，每個檢定單元120表位，一條檢定流水線共計1 200表位。每個檢定單元有獨立的功率源（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 每個檢定單元的正常負載

每塊單相智能電表的電流元件功耗不超過1 VA，每個檢定單元的IGBT只需帶120塊單相電能表和1塊標準表，加上回路的損耗，按10倍裕度設計，每個檢定單元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的負載是沒用問題的。

1.3 實際功率

計量器具檢定流水線常用最大輸出電流為100 A，因此在該條件下測試最能反映問題。通過測試得知每個檢定單元的實際功率為4 800 VA，遠大于每個檢定單元的正常負載1 200 VA。經(jīng)分段測量和分析，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。用大電流電阻測試儀對接線通電插針和電能表接線孔之間進行電阻測試，經(jīng)測試，壓接接觸電阻的平均值為4.054 mΩ。檢定單元檢測表位為120個，合計接觸電阻為：4.054 mΩ×120=486.48 mΩ。當檢定電流為100 A時，僅壓接電阻上所消耗的功率為：W=I2×R=4 864.8 W，遠遠大于電流源提供的3 000 VA的額定功率，因而造成IGBT功率管燒壞。

根據(jù)JJF1033-2008《計量標準考核規(guī)范》規(guī)定，檢定流水線需要進行重新檢定后報主持考核的省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門審核批準后才能使用。該流程過程長，不光費用不菲，時間消耗也非常大。

針對這一狀況，為降低計量器具檢定流水線電流源故障率偏高的難題，為節(jié)省檢定費用及增加檢定流水線的有效工作時間，確保按時、保質(zhì)、保量地完成檢定任務。本實用新型提出了一種全新的思路：設計一種降低計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電脂，即可增強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體截面積，則根據(jù)電阻和導電面積成反比的道理可知，連接點接觸面積愈小，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，在外面有振動的情況下，還會出現(xiàn)時斷時連的狀態(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 設計原理

降低計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電脂，即可增強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，金屬的實際接觸面減小了，這樣，當電流流過導體時，使電流線在接觸面附近發(fā)生了嚴重的收縮現(xiàn)象，即在接觸面附近導體有效的導電截面大大縮小，因而造成電阻的增加，這個電阻稱為收縮電阻。

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。

電接觸導電脂以復合皂稠化非矽酮類為載體，再添加超導電銅粉、抗氧化劑、抗磨損劑、防銹蝕劑等合成的均勻油脂。導電性能極好，接觸電阻極低。因電接觸導電脂為半流質(zhì)膠狀，可填補檢定通電插針和智能電表接線孔接觸面的凹凸不平，增大金屬的實際接觸面。因添加了銅抗氧化劑，抗氧化性及防銹性強，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)點和連接器活動潤滑，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，不僅可防止接點處炭化物的積聚功能，還具有滅弧等性能優(yōu)點。

2.2 工作原理

計量器具檢定流水線正常運行時都依靠控制氣泵氣壓推動通電插針插入電表接線孔通電對電表進行檢定。本裝置由計算機、夾具、電接觸導電脂存儲瓶、涂抹件、氣壓控制機和彈簧等組成，先控制夾具攜帶涂抹件夾住通電插針，將電接觸導電脂均勻涂抹在檢定單元的每個通電插針上，見圖1，具體工作原理如下。

1）計算機由計量器具檢定流水線的原有的控制計算機擔任。計算機根據(jù)正常檢定的業(yè)務流程，在檢定單元已將備件電能表傳送到位時，控制該檢定單元所有通電插針全部斷電。

2）氣壓控制機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，氣壓控制機1加大氣壓，當氣壓推力大于彈簧1的伸張力時，夾具帶動涂抹層夾緊通電插針。要松開時，氣壓控制機1減少氣壓，當彈簧1伸張力大于氣壓推力時，夾具松開。

圖1 夾具夾緊和松動插針工作原理

3）氣壓控制機2和彈簧2通過另一路氣管控制夾具前后往復運動，將電接觸導電脂均勻涂抹在檢定單元的每個通電插針上。

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

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

圖2 在插針上涂抹電接觸導電脂工作原理

6）通電插針表面涂抹上電接觸導電脂后，檢定流水線原有的氣壓控制機將已涂抹電接觸導電脂的通電插針插入每個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電脂，即可增強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燒壞后的檢定費用，增加檢定流水線的有效工作時間，確保計量器具檢定流水線能按時、保質(zhì)、保量地完成檢定任務。

3 具體實施

3.1 降低檢定流水線電流源故障率方法

1）目前計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，用于推進或拉回夾具帶動涂抹件夾住檢定通電插針往復運動，將電接觸導電脂涂抹在檢定通電插針上，詳見圖1、2。

2）利用計量器具檢定流水線現(xiàn)有結(jié)構(gòu)支撐，每個檢定單元安裝一個導電脂存儲瓶。導電脂存儲瓶通過油管將導電脂輸送到每個表位的夾具上，為通電插針準備導電脂。

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

3.2 實施效果

按照本方法實施后，對檢定流水線電流輸出回路電阻重新進行測試。經(jīng)測試每根插針與電表之間的平均接觸電阻為1.3mΩ，整個電流回路一共120個表位，接觸電阻總計為：1.3×120=156mΩ。輸出100A電流時電流源的負載功率為：1×121+1002×0.156=1681W，小于檢定流水線的設計負載能力。

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電脂，即可增強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，從而降低計量器具檢定流水線電流源的故障率。

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