余宇紅
(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437)
摘 要： 智能電能表的可靠性將對(duì)智能電網(wǎng)的電能信息采集產(chǎn)生直接影響，也關(guān)系著千家萬(wàn)戶(hù)的安全、穩(wěn)定用電，但在使用過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)各種故障。本文在介紹智能電能表工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析智能電能表計(jì)量性能故障的原因，并提出改進(jìn)計(jì)量可靠性的相應(yīng)措施，對(duì)智能電能表的生產(chǎn)和應(yīng)用具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 智能電能表；故障；計(jì)量性能；研究
0 引言
智能電能表作為智能電網(wǎng)中的基礎(chǔ)設(shè)備，其可靠性不僅關(guān)系到電力企業(yè)的發(fā)展、形象，而且關(guān)系到電能貿(mào)易的準(zhǔn)確、可靠，關(guān)系到廣大電力客戶(hù)和居民的切身利益。
智能電能表在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)故障，甚至暴露出批次質(zhì)量問(wèn)題，因此，對(duì)智能電能表的故障進(jìn)行分析研究具有一定的實(shí)際意義。其中，智能電能表計(jì)量性能故障是諸多問(wèn)題中最為常見(jiàn)的一種，且由于計(jì)量性能故障現(xiàn)象而引發(fā)的計(jì)量糾紛日益增多。所以加強(qiáng)對(duì)智能電能表工作原理的了解和對(duì)計(jì)量性能故障的分析與檢測(cè)，對(duì)于減少計(jì)量糾紛和提高智能電能表的運(yùn)行可靠性十分必要。
1 智能電能表工作原理
智能電能表由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成。其工作原理框圖如圖1所示。
圖1中首先對(duì)電力線(xiàn)路電壓和電流進(jìn)行采樣，然后將采樣的電流、電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字量，送到電能計(jì)量芯片中，然后經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)字處理，轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)再送給CPU。CPU通過(guò)串行接口將計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)讀出，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)段完成分時(shí)電能計(jì)量和最大需量計(jì)量功能，根據(jù)需要顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)紅外、485 接口和載波接口進(jìn)行通信傳輸，并完成運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，記錄存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)。
2 計(jì)量性能故障的分析與檢測(cè)
根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司統(tǒng)一發(fā)布的“故障類(lèi)別和具體故障信息模板”顯示，智能電能表計(jì)量性能故障包括：停走、誤差超差、潛動(dòng)、不啟動(dòng)等。結(jié)合本公司多年什項(xiàng)拆回試驗(yàn)中智能電能表出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及其分布情況得出：計(jì)量性能故障約占故障總數(shù)的73%，而其中停走和誤差超差又占其中的99%。所以，本文對(duì)產(chǎn)生停走和誤差超差故障原因及其檢測(cè)方法展開(kāi)進(jìn)一步分析。
2.1 停走故障
在多年的智能電能表拆回試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)，比例最高的故障現(xiàn)象為停走，約占計(jì)量性能故障總數(shù)的84%。該類(lèi)故障共同表現(xiàn)為：電能表不計(jì)量。根據(jù)其他具體現(xiàn)象的不同，分為以下兩類(lèi)：
?。?）不計(jì)量，且液晶無(wú)顯示，脈沖無(wú)輸出
根據(jù)故障現(xiàn)象初步判斷，內(nèi)部計(jì)量芯片、CPU均沒(méi)有正常工作，此時(shí)故障可能出在電源供電電路上。具體電路圖如圖2。
如上圖所示，外部電源經(jīng)變壓、整流、穩(wěn)壓后對(duì)內(nèi)部芯片進(jìn)行供電。橋式整流D2、D3、D4、D5將交流電壓整流為比較連續(xù)、穩(wěn)定的直流電壓；濾波電容C2、C4、C6、C8對(duì)整流后的電壓進(jìn)行濾波；三端穩(wěn)壓管U2輸出一個(gè)穩(wěn)定的+5 V電壓，保證內(nèi)部各芯片正常工作。根據(jù)電能表供電回路的工作原理，檢測(cè)使用萬(wàn)用表直接測(cè)量穩(wěn)壓管端U2的輸出電壓，以此電壓值就能判斷電源供電回路是否異常。
根據(jù)電源供電回路發(fā)生故障位置的不同，可分為以下幾種情況：
?、僮儔浩骼@組出現(xiàn)斷線(xiàn)、匝間短路或變壓器燒壞；
?、诙O管或三極管等整流、穩(wěn)壓回路元器件損壞；
?、蹆?nèi)部負(fù)荷開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)。
?。?）不計(jì)量，且液晶有顯示，脈沖有輸出
智能電能表主要由兩個(gè)功能系統(tǒng)組成：計(jì)量系統(tǒng)和CPU處理系統(tǒng)。計(jì)量部分由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)完成電壓信號(hào)取樣，錳銅繼電器完成電流信號(hào)取樣，取樣后的電壓電流信號(hào)送入計(jì)量芯片，計(jì)量芯片內(nèi)部通過(guò)乘法器轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)并以脈沖信號(hào)輸出，CPU處理系統(tǒng)采樣脈沖信號(hào)并同步輸出電能表的校表脈沖，CPU處理系統(tǒng)對(duì)采樣到的脈沖信號(hào)進(jìn)行累加，將最終處理的數(shù)據(jù)送存儲(chǔ)器保存，并通過(guò)LCD顯示器進(jìn)行顯示。
從上述故障現(xiàn)象和原理分析可知，有脈沖輸出則表示計(jì)量芯片工作正常，故障現(xiàn)象可能出現(xiàn)在CPU與計(jì)量芯片脈沖輸出的連接線(xiàn)路上，或者CPU與存儲(chǔ)器、顯示器的連接線(xiàn)路上。此時(shí)可查CPU對(duì)應(yīng)管腳的焊接情況，檢查是否虛焊或測(cè)量計(jì)量芯片輸出腳與CPU管腳連接是否正常。
2.2 誤差超差故障
誤差超差故障也是比較常見(jiàn)的，在多年智能電能表拆回試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析中，其占計(jì)量性能故障總數(shù)的15%。根據(jù)故障現(xiàn)象及其發(fā)生部位的不同，分為以下三類(lèi)：
?。?）誤差跳變，無(wú)規(guī)律
本文以RN8209計(jì)量芯片為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖3所示，根據(jù)常見(jiàn)故障發(fā)生部位不同，此類(lèi)故障又可分為以下兩種情況：
?、倩鶞?zhǔn)電壓故障
圖3計(jì)量芯片中VREF為計(jì)量芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸入管腳，為電流采樣、零線(xiàn)電流采樣、電壓采樣的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓的合理取值范圍為2.5 V±0.3 V。如果計(jì)量芯片內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電壓基準(zhǔn)發(fā)生故障，就會(huì)造成電流采樣、零線(xiàn)電流采樣、電壓采樣均發(fā)生偏離。該基準(zhǔn)電壓一旦發(fā)生偏差，則三路采樣的數(shù)模轉(zhuǎn)換將失去轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，導(dǎo)致提供給后端電路的數(shù)字信號(hào)與實(shí)際采樣值嚴(yán)重不符。
②晶振故障
在計(jì)量芯片系統(tǒng)中晶振（圖3右側(cè)）提供計(jì)量芯片所需時(shí)鐘源，計(jì)量芯片的一切指令都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上。計(jì)量芯片晶振如果發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致計(jì)量芯片對(duì)采樣信號(hào)處理異常，使得計(jì)量芯片中的快速脈沖計(jì)數(shù)器累計(jì)出現(xiàn)異常，從而出現(xiàn)電能表計(jì)量不準(zhǔn)確的情況。
?。?）誤差超差，有規(guī)律
這里包括三種情況：計(jì)量芯片采樣用的電阻、電容及計(jì)量芯片虛焊或搭錫，引起采樣信號(hào)變化；計(jì)量芯片采樣用的電阻、電容在生產(chǎn)中有損傷，在運(yùn)行一段時(shí)間后引起阻值或容值變化，引起采樣信號(hào)變化；在生產(chǎn)時(shí)由于計(jì)量芯片采樣用的電阻、電容及計(jì)量芯片管腳沒(méi)有清洗干凈，有助焊劑等殘留物，在受潮后引起采樣信號(hào)變化。
根據(jù)誤差超差的具體情況可以判斷：如果基本誤差均在功率因素0.5L或0.8C時(shí)超差，說(shuō)明是釆樣用的貼片電容故障；如果基本誤差均在功率因素1.0時(shí)超差，說(shuō)明是采樣用的貼片電阻故障。
?。?）誤差快溢出，或嚴(yán)重超差
在歷次分析中還發(fā)現(xiàn)，有些故障發(fā)生時(shí)智能電能表脈沖指示燈閃爍異常，出現(xiàn)誤差快溢出現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多次開(kāi)蓋檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，這種情況很大部分是由于錳銅繼電器（用于電流采樣和負(fù)荷跳合閘）在錳銅片部分與采樣線(xiàn)接觸不良、松動(dòng)斷開(kāi)等原因造成。接線(xiàn)原理圖如圖4所示。如1、2端點(diǎn)與錳銅壓接不牢固造成1、2之間懸空，從而導(dǎo)致輸入至計(jì)量芯片的電流信號(hào)嚴(yán)重偏離實(shí)際值。在懸空情況下，電流信號(hào)為無(wú)窮大，則產(chǎn)生誤差快溢出，即飛走現(xiàn)象。
3 提高計(jì)量可靠性的措施
通過(guò)以上分析可以看出，智能電能表計(jì)量性能故障主要表現(xiàn)為停走和誤差超差。造成上述兩種計(jì)量性能故障的原因可以概括為以下兩方面：內(nèi)部元器件故障；鏈接線(xiàn)路接觸不良或者虛焊。因此，元器件、生產(chǎn)工藝是決定智能電能表計(jì)量性能可靠性的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)因素。
3.1 高質(zhì)量的元器件
只有使用高質(zhì)量的元器件才能為高可靠性的產(chǎn)品搭建出扎實(shí)的硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。在元器件質(zhì)量把關(guān)的第一環(huán)節(jié)是對(duì)產(chǎn)品供應(yīng)商的評(píng)價(jià)與選擇。其次是對(duì)自然環(huán)境和人為環(huán)境的有效控制。如自然環(huán)境中溫度和濕度的并存作用往往是引起元器件腐蝕的主要原因；人為因素包括運(yùn)輸和使用中受到振動(dòng)、沖擊、碰撞等機(jī)械損傷，以及周?chē)h(huán)境的電磁影響等。所以，生產(chǎn)廠家必須高度重視環(huán)境條件對(duì)元器件存儲(chǔ)、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)的影響。
3.2 先進(jìn)的生產(chǎn)工藝
高質(zhì)量的元器件最終需要在生產(chǎn)實(shí)施環(huán)節(jié)得到體現(xiàn)，只有與元器件特性相吻合的工藝、工裝，才可能生產(chǎn)出具有高可靠性的產(chǎn)品。為此，通過(guò)完善工藝結(jié)構(gòu)，改進(jìn)工藝方法，制定與實(shí)施作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等措施，可在生產(chǎn)過(guò)程中減少甚至消除影響計(jì)量可靠性退化的各種隱患。
4 結(jié)論
本文從智能電能表的計(jì)量性能故障現(xiàn)象入手，結(jié)合其內(nèi)部工作原理，分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的各種原因，為智能電能表的故障分析和檢測(cè)提供思路，為可靠性制造水平的提升提供參考依據(jù)，對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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