智能電能表計量故障原因分析

賀星，申麗曼，陳浩(國網湖南省電力公司計量中心，湖南長沙410007)

智能電能表計量故障原因分析

賀星，申麗曼，陳浩
(國網湖南省電力公司計量中心，湖南長沙410007)

本文從軟件、硬件設計、制造工藝以及工作質量等方面，分析總結計量故障產生的現象和原因，并通過列舉案例對計量故障進行實例分析。最后針對這類故障產生原因，提出了對生產、設計、應用環節的改進措施。

智能電能表；計量異常；電壓

隨著智能電能表大量推廣和使用，其電網地位日趨重要。準確計量是智能表的基本要求，而且智能電能表的應用過程中，計量故障類型繁多，危害極大。包括電量倒走、電量飛走、電量走快、電量停走等，因此有必要對計量異常產生原因總結分析。從歷年計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排查故障，找出故障產生的直接原因。這利于進一步推進智能表的生產與運維，促進其設計、生產、檢測、安裝上的完善。

1 故障原因分類

從對故障表鑒定的實例中來看，引起電能表計量異常的原因主要有軟件故障、硬件故障、制造工藝以及現場工作質量和竊電等方面。

1)軟件故障引起的計量異常主要包括兩種。一是供應商進行軟件校表時，電流增益、電壓增益、相位補償等計量芯片中用于電量計算的參數設置錯誤，導致輸出的電壓、電流、功率與實際不符。這類故障通常在出廠檢測時能發現，如果供應商未按要求對每塊表進行的出廠檢測，這類故障表將會流向各省強檢定線，從全檢的基本誤差檢測項目中發現，并作為不合格產品退貨。二是計量芯片和MCU沒有抗干擾設計，計量芯片死機或計量芯片與MCU進行通信時受到外界干擾，以及MCU對存儲芯片(如EEPROM)進行寫數據時受到干擾或瞬間斷電，導致電量丟失或電量存儲錯誤。這類故障表重新上電后一般恢復正常，難以復現。

2)硬件故障引起的計量異常。主要包括三方面。一是元器件質量不佳，常見于元器件技術參數不滿足電能表技術要求，在極端環境下運行后，元器件電氣性能改變，元器件加速老化。二是安裝有質量問題的元器件，如在電壓、電流采樣，基準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；晶振不穩定或晶振串聯的雜散電容損壞，造成計量芯片不啟動。三是硬件抗干擾性差。PCB設計應采用強弱電分開，來消除數字信號回路的電磁干擾；區分數字信號與模擬信號、數字地與模擬地，防止相互串擾；計量芯片外接晶振引線應盡量短等，如果電路板不滿足這些PCB設計原則，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、外接基準電壓回路濾波用的貼片電容虛焊，造成輸入到計量芯片的采樣值不正確，或者計量芯片用于ADC的基準電壓不正確，都會引起計量芯片電能量計算不準確，同時會引起電壓、電流、功率示值異常。二是生產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引起計量芯片不工作，基準電壓引腳與接地引腳短接會引起電壓電流示值均不正常；三是生產過程中損壞元器件。電能表生產環節包括貼片、回流焊、波峰焊、清洗、人工焊、檢測、三防、烘干、裝配等，其中裝配環節屬于人工流水線，人員不熟練或操作不規范，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現，使用的三防漆質量差或配比不正確、噴涂環境不滿足要求或噴涂前未進行干燥都會引起三防措施失效。電能表置于潮濕環境中易短路燒壞元器件或芯片。

4)現場工作質量和竊電造成計量不準。現場工作質量包括電能表接線錯誤，造成電壓電流反相；不同用戶的進線集中布線，產生感應電流，造成電表走快和潛動；批量安裝過程中，電能表串戶造成計量不準等。竊電引起的計量不準常見有短接電流端子、改變電壓采樣電阻阻值等。

2 計量異常故障案例分析

某電表廠生產的單相智能電能表現場運行時曾發生電壓突然增高，電表飛走的故障。經現場排除無接線問題、無電磁干擾、無竊電痕跡。除電壓突高現象外還出現電表潛動現象。現場拆回到實驗室進行鑒定。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1.0對故障表進行基本誤差試驗，誤差達到3 575%。電壓突增導致電表飛走，且電能表電壓短時間會穩定在一個數值，改變環境或進行移動后，電壓數值有變化，推斷設備硬件故障嫌疑大。

排查影響電壓異常的幾個方面:分壓電阻到計量芯片電路、基準電壓電路。即測量分壓電阻、分壓后電壓值、基準電壓外部引腳接地回路。發現基準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∝，而測量得到阻值為463Ω，說明C18，C19至少有一個貼片電容已擊穿。

圖1 計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，測量REFV引腳電壓恢復至1.25 V，顯示電壓220 V。電能表恢復正常。

C18，C19貼片電容位于計量芯片(RN8209C)REFV外接基準電壓引腳與GND之間。起到去耦作用，防止外界干擾進入計量芯片，以確保基準電壓穩定。從圖2 RN8209C計量芯片內部原理圖可知，采樣電壓、電流進入計量芯片后，經過ADC時，需要接入基準電壓進行模數轉換，再經過DSP處理器，計算出計量的數據。電能表經過校準后，基準電壓為1.25 V。接入220 V電壓時，經過分壓、濾波電路，輸入到模數轉換模塊的信號約0.3 V，經過模數轉換及校表系數的修正，得到數值2 200，即220.0 V。當故障表基準電壓因發生硬件問題變為0.35V時，輸入電壓為220 V，模數轉換前端的信號還是0.3 V，而因基準值變小，得到的數據值會增大1.25/0.35倍，因此，按照校表系數計算后，得到的數值是7 857，即785.7 V，產生超大數據。

REFV引腳器件發生損壞，拉低了基準電壓，相對得出的信號數據就會變大。造成電壓數據超大現象。

圖2 計量芯片內部原理圖

外接退耦電容短路，沒有起到退耦的效果時，會產生基準電壓不穩定，也會帶來電能表潛動、計量數據(電壓、電流、功率等)偏差。

進一步對元器件供貨、貼片、回流焊、波峰焊、人工焊、裝配、出廠檢測環節進行了調查，發現問題出在裝配環節，由于C18，C19電容在電路板邊緣，個別新工人不規范操作造成工作失誤，碰撞C18，C19電容，使電容發生破損，圖3為C18，C19電容在電路板上的位置。

圖3 電路板故障點

3 改進措施

進一步分析故障產生的原因，可改進的措施，一是在出廠檢測和計量中心強制檢定的過程中發現基準電壓異常；二是從源頭上杜絕此類故障的發生。

1)貼片電容自身體積很小，外力損壞產生的裂紋也極小，需要擴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，產生的熱效應會導致裂紋擴大，且運輸或其他振動時也會導致電容裂紋擴大或縮小，所以產生電壓突增值不定，和時好時壞的現象。此類故障最大的危害就在于能躲過出廠檢測和強檢，因此需要從源頭上杜絕此類故障發生。

2)改進檢測電表硬件可靠性試驗的方法，比如增加潮濕或高溫環境下過壓或過流試驗，篩選出計量芯片周圍存在故障隱患電能表。現在國內個別廠家開始研究多應力可靠性試驗平臺，我國電測行業也對電能表質量一致性和可靠性試驗提出了要求。

4 結語

從本文所述的基準電壓異常導致計量故障可以看到，計量故障的查找、鑒定工作要深入到器件生產、電表裝配、配送等環節，找到根源才能對癥下藥。但是，電能表檢測和故障表鑒定兩方面存在漏洞和短板，常規檢測項目不能檢測出不同廠家不同批次電能表能承受環境的極限能力，不能檢測出電能表的薄弱環節，然而正是電能表存在的薄弱環節決定電能表的壽命；而且針對電能表故障鑒定沒有統一合理的鑒定方法，不同的故障需要不斷探索、總結出經驗。因此探索電能表新的檢測方法和故障表鑒定方法越來越重要。

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〔3〕黨三磊，肖勇，李健，等.智能電表多應力可靠性試驗平臺設計與應用〔J〕.低壓電器，2014(4):51-54.

〔4〕張衛欣，解巖，嚴晶晶，等.智能電表及其可靠性技術發展研究綜述〔J〕.電子產品可靠性與環境試驗，2013(4):50-54.

〔5〕深圳市銳能微科技有限公司.RN8209G用戶手冊〔Z〕.2012.

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及新技術研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.023

2016-12-22