電能表計量特性的穩定性

王海濤 柯進 楊芊/廣東省計量科學研究院

0 引言

電能表是日常工業、生活中不可或缺的儀表，因此電能表的生產企業眾多，其研發能力在國際上也處于領先地位。隨著高新技術尤其是電子信息技術的快速發展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產品的優勢突顯，智能電表已經逐步成為電能表發展的主流[1][2]。

隨著電能表的設計和制造工藝的不斷發展，要求具有高可靠性、穩定性，能夠長時間運行而不需要監督。因此如何評價電能表的高可靠性、穩定性就變得尤為重要。國內對電能表的平均壽命要求為10年，但卻沒有具體的可靠性評估方法。

電子式電能表由電子元器件組成，因此其故障率特性滿足“浴盆曲線”，呈現兩端高、中間低的特點，通過實際的使用以及使用過程中的分析監測可以得到其壽命分布，由于電子式電能表的壽命普遍在五年以上，因此周期長，實用性較低。

IEC 62059提供了電能表的可靠性的評判標準。IEC 62059-41基于零部件應力，假設失效率為常數的可靠性預測；IEC 62059-31-1通過提高的溫度、濕度，使被試產品加速失效，以便在較短的時間內獲得必要的數據，從而推算產品在正常使用條件下的壽命；IEC 62059-32-1通過擴展的工作電流、電壓，及極限的工作溫度來評估計量特性的穩定性。

三種方法中，IEC 62059-31-1統計分析度高，試驗所需時間較長。IEC 62059-32-1較為簡潔，通過電能表的工作溫度上限，擴展的工作電壓，最大電流，來評估計量特性的穩定性，較易掌握。通過這個試驗，可以確保電能表沒有嚴重的設計錯誤和材料缺陷，從而在其工作過程中保證其規定的準確度。

本文就IEC 62059-32-1提高工作溫度來評估電能表的計量特性穩定性做詳細測試研究，為廣大研發測試人員提供借鑒。

1 研究內容

電能表種類繁多，其分類大致有以下幾種。

按其相線分為：單相電能表、三相三線電能表、三相四線電能表；

按其工作原理分為：機電式電能表、靜止式電能表；

按其用途分為：有功電能表、無功電能表。

智能電表主要由電壓電流接口、時鐘模塊、EEPROM模塊、液晶模塊、鍵盤處理模塊等組成，如圖1所示。

圖1 電能表系統框圖

如上圖所描述，電能表的失效（產品執行規定功能能力的終結）影響程度可以劃分為Ⅰ類失效、Ⅱ類失效、Ⅲ類失效。

Ⅰ類失效：影響計量性能或計量不合格；

Ⅱ類失效：時鐘不準，通信失敗，脈沖指示燈不正常，但電能表計量性能正常；

Ⅲ類失效：外觀褪色、破損，螺絲損壞等外觀性能。

本文主要考察電能表的穩定性即在給定的使用、維護條件下，保持電能表計量特性的能力，考察Ⅰ類失效。

2 測試程序

IEC 62059-32-1給出的試驗順序如下：

（1）示值誤差測試：依據所選擇的電能表準確度等級進行示值誤差測試；

（2）氣流速度確定：電能表放入高低溫濕熱試驗箱中，箱中的氣流速度的高低會對試驗結果有影響，因此應確定并記錄氣流速度；

（3）恒定負載、恒定溫度運行：電能表放入高低溫濕熱試驗箱中，以不大于1 ℃/min（不超過5 min時間的平均值）的速率升至電能表上限工作溫度，溫度穩定后施加擴展的工作電壓（1.1Un）、最大電流（Imax），持續運行1 000 h；

（4）電能量測量記錄：在恒定負載、恒定溫度運行過程中，應確認設備的電能計量和寄存器信息不會出現不規范的行為。若百分數誤差超過emax，表明被測表出現了不規范的行為，被測表失效且試驗終止；

（5）最后恢復：試驗結束時，溫箱以不大于1 ℃/min的速率升至參比溫度。被測表繼續施加試驗負載1 h，按照初始條件測量電能表的誤差。

3 測試數據

（1）本文選取直接接入式電能表進行測量，該電能表具有預付費功能及過載跳閘功能，因此試驗時應確保試驗期間電能的消耗不會因為跳閘而報警，導致測試中斷。

電能表型號規格如下：

電壓：240/415 V；

電流：10（80）A；

準確度等級：1.0；

脈沖常數：1 000 imp/h。

誤差計算公式如下：

百分數誤差=[(電能值-標準值)/標準值]×100%

1級表允許的百分數誤差改變極限為0.5%。

電能值是通過讀取給定時間間隔的電能值，通過以下的方法來確定標準值。施加一個穩定負載，標準值等于給定時間間隔乘以穩定負載的功率。在本次試驗過程中，使用三相電能表檢定裝置，準確度等級達到0.05級，滿足試驗穩定負載的要求。接下來敘述具體的實現方法。

允差公式如下：

式中：eo——參比條件和試驗負載下電能表的允差；

eu——電壓變化引起的誤差改變極限；

eT——溫度變化引起的誤差改變極限

eo=1.0%；eu=0.7%；eT=0.05×32%；結合電能表的型號規格及相關的標準要求，得出該電能表允差emax=4.5%。

（2）低氣流速度的確定

在進行電能表可靠性試驗之前，需先用試驗確定工作空間是低氣流速度還是高氣流速度；按照IEC 60068-2-2:2007 Environmental testing-Part 2-2:Tests-Test B: Dry heat.規定，在測量和試驗的標準環境條件下（23 ℃），按照產品要求施加負載。電壓：240/415 V，電流：10（80）A。使用溫度采集器記錄電能表的最大溫升13.5 ℃，開啟試驗箱的通風裝置使工作空間空氣循環，當溫度達到穩定（55 ℃）時，使用溫度采集器重新測量上述位置處的溫度，溫升9.7 ℃，此次測得的溫度與上次無空氣流動時測得的溫度相差3.8 ℃＜ 5 ℃，因此工作空間是低氣流速度。

（3）根據電能表試驗前示值誤差和試驗后示值誤差，得出變化量如表1所示。

表1 試驗前后示值誤差變化量

（4）在恒定負載、恒定溫度運行過程中，記錄該電能表電能量（初始電能值：529.6 kWh），通過計算得出電能量誤差如表2所示。

（5）通過上述數據可知，測試前后電能表示值誤差變化量滿足要求，試驗過程中電能量變化允差滿足要求，因此該電能表在工作溫度上限（55 ℃），擴展的工作電壓（264 V）、最大電流（80 A）條件下能夠保持計量特性的穩定性，滿足IEC 62059-32-1的要求。

表2 電能量誤差

4 結語

綜上所述，IEC 62059-32-1提供了一種評估電能表計量穩定性的方法，通過給定的溫度、電壓、電流，保證電能表的計量穩定性，但不能斷定電能表的壽命。通過這個試驗，驗證了電能表是否存在設計錯誤和材料缺陷，從而保證其在工作過程中規定的準確度。