数字化电能表可靠性试验平台研究与应用

陈瑜，邹航，胡玉松，冉长青

(云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650073)

数字化电能表可靠性试验平台研究与应用

陈瑜，邹航，胡玉松，冉长青

(云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650073)

设计开发了一种适用于数字化电能表的可靠性试验平台，可模拟现场运行环境中的各种力学环境试验，并采用自动控制切换各种方式，通过程序控制试验过程。基于该试验平台，提出了针对性试验实施方案，试验应用发现该试验平台可加速可靠性试验过程，更易激发在可靠性试验中难以发现的故障隐患，进一步提高了数字化电能表可靠性水平。

数字化电能表；可靠性；试验平台

0 前言

随着智能电网的发展，数字化电能表成为了智能用电信息采集和控制的主要终端设备，数字化电能表是主要电能计量器具，但尚未开展针对性的系统研究，并未形成相关可靠性试验方案[1-2]。目前，不断加强产品的试验检测，已开展环境试验、电磁兼容 (EMC)试验等国家或行业标准要求的常规试验，在数字化电能表样机设计与生产阶段进行扩展试验，以达到提高产品可靠性的目的[3-5]。

以下通过研究可靠性问题产生原因，从可靠性的角度设计了一种多应力可靠性试验平台，以快速暴露在型式试验中不可能发现的产品潜在可靠性问题。

1 现场应力对数字化电能表影响

1.1 环境应力

温度：电能表运行环境温度较高，温度过高会使电子元器件的结构发生物理和化学变化，导致性能参数退化，绝缘失效、电特性变化、焊点熔化、机械应力增加、寿命缩短甚至烧毁。同时，低温也会对液晶和电解电容等器件性能易受低温影响。

湿度：潮湿是腐蚀电子元器件的最重要因素，水汽增加材料表面的导电性，使漏电流增加，加速金属的电化学反应，影响电子元器件的性能和功能。

盐雾：盐与潮湿空气结合形成盐雾，其中氯离子活性强，可附着于电子元器件表面，降低电极间的绝缘性能，加速金属腐蚀和绝缘材料老化，导致元器件破坏。

1.2 电应力

过压：电网从一个状态转换到另一个状态都会产生振荡过压，因此电网过压经常发生。过压一般分操作过压和谐振过压，过压达到额定电压3倍的概率较大，有的甚至达到6～7倍，特别是雷电袭击，电压更高、能量更大，对电能表电源将产生很大的威胁。

过流：电机启动和电容投切时，均会产生较大冲击电流，可达额定电流的5～6倍，其长期作用在表计和终端的采样电路，会对其产生危害。另一种危害更大的冲击电流是短路故障冲击电流，在十多毫秒内将有几千安以上瞬间电流作用于表计和终端，容易损伤表计和终端。

谐波：非线性负载往往会产生谐波电流，谐波主要影响计量和使电源变压器发热。

1.3 电磁干扰

开关投切瞬间会产生很大的复杂干扰现象，将对表计和终端程序产生致命影响。

电磁辐射：如果电网电流发生突变，则会产生电磁辐射，突变的上升沿越陡，辐射越大，强辐射可能会干扰表计和终端数字电路正常运行。另外，无线电台、对讲机、火花塞点火等也可能干扰表计和终端正常运行。

静电放电：人体可能会带上静电，当他触摸表计和终端时，可能产生静电放电。另外，挂在室外的表计和终端可能会受到雷电静电感应的影响，当雷电突然泄放，感应电荷会产生冲击电流，这种冲击电流会损伤表计和终端。

工频磁场：一些用电设备会产生较强工频磁场，例如电磁铁、直流电机、交流电机等，会产生恒定磁场和交变磁场。工频磁场主要影响表计和终端计量和电源变压器磁路。

2 多应力可靠性试验平台设计

按国内已经发布的各种技术标准，数字化电能表主要试验检测内容主要包括误差测试、电磁兼容测试、环境试验等，一般采用尚未针对可靠性形成相关试验技术标准和试验方案要求，不能对电能表可靠性进行试验验证。部分单位参照电子产品加速老化试验，尝试开展电能表可靠性试验，但主要为温度和湿度应力，难以模拟电能表现场运行中存在的各种真实环境情况，部分故障隐患难以得到充分暴露。

2.1 试验平台结构设计

多应力可靠性试验平台总体结构如下图1所示。

图1 多应力试验平台结构图

该平台主要由隔离变压器、环境试验箱、电表走字台、负载箱、通信抄表台和低压载波控制器等组成。

隔离变压器：为试验平台提供隔离的三相四线电源。因为需要对产品施加各种干扰，会通过电网传到其它设备正常运行，所以需要增加一个大约20 kW的三相隔离变压进行干扰隔离。

环境试验箱：采用特制的双开门大型环境试验箱，可模拟现场的环境应力，如高温、低温、湿度等。内置一台可挂60表位的电表走字台，为电能表提供电压和电流，使产品在试验工程中保持运行状态。

负载箱：由感应电机、电抗器、电容器、可控硅、升压变压器和真空短路器组成，可模拟现场过压、过流、谐波、开关投切和工频磁场等电应力和电磁干扰。

低压载波控制器：是系统的控制核心，控制各种负载的投入和断开，按照设定的步骤把各种应力施加给试验设备。

通信抄表台：通信抄表有RS 485口、载波通信等方式，可进行频繁抄表、乱码干扰等方式测试电表通信压力表现。

烟雾报警和保护设备：装有短路跳闸开关，而且需装设烟雾报警跳闸装置，当传感器检测到烟雾立刻跳闸断电。

2.2 应力模拟方法

数字化电能表在现场所受到高温、低温、湿热交变、过压、过流、电磁干扰等多种应力影响，模拟和重现这些现场应力是可靠性加速试验平台的关键所在。

1)高温、低温、湿热交变等环境应力采用环境试验箱实现，通过程序设定，按要求曲线控制箱内试验环境变化。

2)过电压采用升压变压器模拟，控制器控制升压变压器的接通时间试验施加的过电压时间，电压接通采用继电器输出。电容在接通瞬间会产生很大的冲击电流，因此，可利用三相电力电容作为负载进行电流冲击模拟。

3)电网开关在断开感性负载时，在触点会产生拉弧现象，会产生上升沿很陡的脉冲干扰。采用真空开关来切断感性负载，则会产生很高的过压脉冲冲击，可采用三相电动机作为感性负载，并通过投切模拟现场开关投切产生的脉冲干扰。

4)现场谐波电流一般是由非线性负载产生，可加可控硅进行电流控制，产生谐波电流模拟现场非线性负载情况。

5)电能表在现场可能会受到各种辐射干扰，电网自身电流突变也会产生很强的电磁辐射。可采用高频发生器和功率放大器，实现从80 M到2 G频率扫描，强度可达30 V/m，找到电能表的频率敏感点。

2.3 多应力自动切换控制

本试验平台采用低压载波为核心实现可编程自动控制。低压载波主要用于工业自动控制装置，具有可编程、操作维护方便、抗干扰能力强、可靠性高等特点。试验平台各种负载通过低压载波控制接入系统，对产品施加各种应力，其控制原理如图2所示。

图2 控制器原理图

温度、湿度应力控制由高低温试验箱完成，低压载波有串行通行口，可通过高低箱的通信口对高低温箱进行程序控制。

3 试验方案

按规程规定的中截尾序贯试验方案4：6(α= 20%，β=20%，Dm=2.0)进行，实验的平均故障间隔时间上限m0取50 000小时。试验平台模拟现场走字环境，采用高温70℃、低温-40℃、湿度90%，其它应力由低压载波控制循环加入。

在实验过程中，按规定时间 (两周一次)对受试产品进行性能监测，并将累积试验时间和累积失效数不断地与规定的接收、拒收或继续试验的判定标准进行比较，直至与截尾接收线或截尾拒收线相交，然后作出结论。

4 结束语

按以上试验方案，采用设计开发的多应力可靠性试验平台对数字化电能表进行了多次试验，发现了故障隐患：

1)在高温和电流冲击的综合应力环境中，采样电阻更易冲坏，参数漂移情况加剧，造成智能表计误差超差。

2)在潮湿和过电压的多应力环境中，开关电源模块中功率器件工作特性变差，容易出现击穿烧毁现象，在设计时需考虑组织的容量裕度。

3)在群脉冲干扰、开关投切的多种电磁干扰环境作用下，设备更易出现电量数据紊乱现象。

4)电能表端子排绝缘材料在高温、湿度、过电压作用下，如果端子排材料不纯，则会出现端子排融化现象，造成设备绝缘损坏。以上故障在一般可靠性试验中发生的概率较低，短时间难以出现。

本文所述的试验平台具有试验产品数量多、试验时间长、多应力循环变化等特点，使发现隐患的概率大大提高，故障隐患得到充分的暴露，为可靠性改进指明方向，使产品可靠性得到提高。

[1] 刘慧敏，张慧贤.电能计量标准量值传递体系及传递精度控制的研究 [J].电测与仪表，2010(9).

[2] 孙健.检定三相交流电能表检定装置的测量不确定度分析与评定 [J].电测与仪表，2008(8).

[3] 蔺菲，王俊伟，倪凌露，等.电能计量标准测量结果的不确定度评定与验证 [J].电测与仪表，2009(2).

[4] 谭茂茜.电力谐波对电能计量的影响 [J].广东电力，2006(12).

[5] 张丽伟，庞剑玲.标准电能表检定结果的测量不确定度评定 [J].河北电力技术，2011，30(1).

[6] JB/T6214-1992.仪器仪表：可靠性验证试验及测定试验(指数分布)导则 [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

陈瑜 (1971)，女，高级工程师，云南电网有限责任公司昆明供电局，从事电能计量技术研究工作 (e-mail)908175185＠qq.com。

邹航 (1970)，男，工程师，云南电网有限责任公司昆明供电局，从事继电保护及计量技术研究工作。

胡玉松 (1989)，男，助理工程师，云南电网有限责任公司昆明供电局，从事数字式电能计量器具研究工作。