數字化電能表可靠性試驗平臺研究與應用

陳瑜，鄒航，胡玉松，冉長青

(云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650073)

數字化電能表可靠性試驗平臺研究與應用

陳瑜，鄒航，胡玉松，冉長青

(云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650073)

設計開發了一種適用于數字化電能表的可靠性試驗平臺，可模擬現場運行環境中的各種力學環境試驗，并采用自動控制切換各種方式，通過程序控制試驗過程。基于該試驗平臺，提出了針對性試驗實施方案，試驗應用發現該試驗平臺可加速可靠性試驗過程，更易激發在可靠性試驗中難以發現的故障隱患，進一步提高了數字化電能表可靠性水平。

數字化電能表；可靠性；試驗平臺

0 前言

隨著智能電網的發展，數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備，數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研究，并未形成相關可靠性試驗方案[1-2]。目前，不斷加強產品的試驗檢測，已開展環境試驗、電磁兼容 (EMC)試驗等國家或行業標準要求的常規試驗，在數字化電能表樣機設計與生產階段進行擴展試驗，以達到提高產品可靠性的目的[3-5]。

以下通過研究可靠性問題產生原因，從可靠性的角度設計了一種多應力可靠性試驗平臺，以快速暴露在型式試驗中不可能發現的產品潛在可靠性問題。

1 現場應力對數字化電能表影響

1.1 環境應力

溫度：電能表運行環境溫度較高，溫度過高會使電子元器件的結構發生物理和化學變化，導致性能參數退化，絕緣失效、電特性變化、焊點熔化、機械應力增加、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電性，使漏電流增加，加速金屬的電化學反應，影響電子元器件的性能和功能。

鹽霧：鹽與潮濕空氣結合形成鹽霧，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，導致元器件破壞。

1.2 電應力

過壓：電網從一個狀態轉換到另一個狀態都會產生振蕩過壓，因此電網過壓經常發生。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，對電能表電源將產生很大的威脅。

過流：電機啟動和電容投切時，均會產生較大沖擊電流，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生諧波電流，諧波主要影響計量和使電源變壓器發熱。

1.3 電磁干擾

開關投切瞬間會產生很大的復雜干擾現象，將對表計和終端程序產生致命影響。

電磁輻射：如果電網電流發生突變，則會產生電磁輻射，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，當他觸摸表計和終端時，可能產生靜電放電。另外，掛在室外的表計和終端可能會受到雷電靜電感應的影響，當雷電突然泄放，感應電荷會產生沖擊電流，這種沖擊電流會損傷表計和終端。

工頻磁場：一些用電設備會產生較強工頻磁場，例如電磁鐵、直流電機、交流電機等，會產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 多應力可靠性試驗平臺設計

按國內已經發布的各種技術標準，數字化電能表主要試驗檢測內容主要包括誤差測試、電磁兼容測試、環境試驗等，一般采用尚未針對可靠性形成相關試驗技術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力，難以模擬電能表現場運行中存在的各種真實環境情況，部分故障隱患難以得到充分暴露。

2.1 試驗平臺結構設計

多應力可靠性試驗平臺總體結構如下圖1所示。

圖1 多應力試驗平臺結構圖

該平臺主要由隔離變壓器、環境試驗箱、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。因為需要對產品施加各種干擾，會通過電網傳到其它設備正常運行，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。

環境試驗箱：采用特制的雙開門大型環境試驗箱，可模擬現場的環境應力，如高溫、低溫、濕度等。內置一臺可掛60表位的電表走字臺，為電能表提供電壓和電流，使產品在試驗工程中保持運行狀態。

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

低壓載波控制器：是系統的控制核心，控制各種負載的投入和斷開，按照設定的步驟把各種應力施加給試驗設備。

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。

煙霧報警和保護設備：裝有短路跳閘開關，而且需裝設煙霧報警跳閘裝置，當傳感器檢測到煙霧立刻跳閘斷電。

2.2 應力模擬方法

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

1)高溫、低溫、濕熱交變等環境應力采用環境試驗箱實現，通過程序設定，按要求曲線控制箱內試驗環境變化。

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

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

5)電能表在現場可能會受到各種輻射干擾，電網自身電流突變也會產生很強的電磁輻射。可采用高頻發生器和功率放大器，實現從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 多應力自動切換控制

本試驗平臺采用低壓載波為核心實現可編程自動控制。低壓載波主要用于工業自動控制裝置，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，對產品施加各種應力，其控制原理如圖2所示。

圖2 控制器原理圖

溫度、濕度應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

按規程規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。試驗平臺模擬現場走字環境，采用高溫70℃、低溫-40℃、濕度90%，其它應力由低壓載波控制循環加入。

在實驗過程中，按規定時間 (兩周一次)對受試產品進行性能監測，并將累積試驗時間和累積失效數不斷地與規定的接收、拒收或繼續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，然后作出結論。

4 結束語

按以上試驗方案，采用設計開發的多應力可靠性試驗平臺對數字化電能表進行了多次試驗，發現了故障隱患：

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

2)在潮濕和過電壓的多應力環境中，開關電源模塊中功率器件工作特性變差，容易出現擊穿燒毀現象，在設計時需考慮組織的容量裕度。

3)在群脈沖干擾、開關投切的多種電磁干擾環境作用下，設備更易出現電量數據紊亂現象。

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，則會出現端子排融化現象，造成設備絕緣損壞。以上故障在一般可靠性試驗中發生的概率較低，短時間難以出現。

本文所述的試驗平臺具有試驗產品數量多、試驗時間長、多應力循環變化等特點，使發現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.標準電能表檢定結果的測量不確定度評定 [J].河北電力技術，2011，30(1).

[6] JB/T6214-1992.儀器儀表：可靠性驗證試驗及測定試驗(指數分布)導則 [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，云南電網有限責任公司昆明供電局，從事電能計量技術研究工作 (e-mail)908175185＠qq.com。

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

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