电能表计量特性的稳定性

王海涛 柯进 杨芊/广东省计量科学研究院

0 引言

电能表是日常工业、生活中不可或缺的仪表，因此电能表的生产企业众多，其研发能力在国际上也处于领先地位。随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，智能电表已经逐步成为电能表发展的主流[1][2]。

随着电能表的设计和制造工艺的不断发展，要求具有高可靠性、稳定性，能够长时间运行而不需要监督。因此如何评价电能表的高可靠性、稳定性就变得尤为重要。国内对电能表的平均寿命要求为10年，但却没有具体的可靠性评估方法。

电子式电能表由电子元器件组成，因此其故障率特性满足“浴盆曲线”，呈现两端高、中间低的特点，通过实际的使用以及使用过程中的分析监测可以得到其寿命分布，由于电子式电能表的寿命普遍在五年以上，因此周期长，实用性较低。

IEC 62059提供了电能表的可靠性的评判标准。IEC 62059-41基于零部件应力，假设失效率为常数的可靠性预测；IEC 62059-31-1通过提高的温度、湿度，使被试产品加速失效，以便在较短的时间内获得必要的数据，从而推算产品在正常使用条件下的寿命；IEC 62059-32-1通过扩展的工作电流、电压，及极限的工作温度来评估计量特性的稳定性。

三种方法中，IEC 62059-31-1统计分析度高，试验所需时间较长。IEC 62059-32-1较为简洁，通过电能表的工作温度上限，扩展的工作电压，最大电流，来评估计量特性的稳定性，较易掌握。通过这个试验，可以确保电能表没有严重的设计错误和材料缺陷，从而在其工作过程中保证其规定的准确度。

本文就IEC 62059-32-1提高工作温度来评估电能表的计量特性稳定性做详细测试研究，为广大研发测试人员提供借鉴。

1 研究内容

电能表种类繁多，其分类大致有以下几种。

按其相线分为：单相电能表、三相三线电能表、三相四线电能表；

按其工作原理分为：机电式电能表、静止式电能表；

按其用途分为：有功电能表、无功电能表。

智能电表主要由电压电流接口、时钟模块、EEPROM模块、液晶模块、键盘处理模块等组成，如图1所示。

图1 电能表系统框图

如上图所描述，电能表的失效（产品执行规定功能能力的终结）影响程度可以划分为Ⅰ类失效、Ⅱ类失效、Ⅲ类失效。

Ⅰ类失效：影响计量性能或计量不合格；

Ⅱ类失效：时钟不准，通信失败，脉冲指示灯不正常，但电能表计量性能正常；

Ⅲ类失效：外观褪色、破损，螺丝损坏等外观性能。

本文主要考察电能表的稳定性即在给定的使用、维护条件下，保持电能表计量特性的能力，考察Ⅰ类失效。

2 测试程序

IEC 62059-32-1给出的试验顺序如下：

（1）示值误差测试：依据所选择的电能表准确度等级进行示值误差测试；

（2）气流速度确定：电能表放入高低温湿热试验箱中，箱中的气流速度的高低会对试验结果有影响，因此应确定并记录气流速度；

（3）恒定负载、恒定温度运行：电能表放入高低温湿热试验箱中，以不大于1 ℃/min（不超过5 min时间的平均值）的速率升至电能表上限工作温度，温度稳定后施加扩展的工作电压（1.1Un）、最大电流（Imax），持续运行1 000 h；

（4）电能量测量记录：在恒定负载、恒定温度运行过程中，应确认设备的电能计量和寄存器信息不会出现不规范的行为。若百分数误差超过emax，表明被测表出现了不规范的行为，被测表失效且试验终止；

（5）最后恢复：试验结束时，温箱以不大于1 ℃/min的速率升至参比温度。被测表继续施加试验负载1 h，按照初始条件测量电能表的误差。

3 测试数据

（1）本文选取直接接入式电能表进行测量，该电能表具有预付费功能及过载跳闸功能，因此试验时应确保试验期间电能的消耗不会因为跳闸而报警，导致测试中断。

电能表型号规格如下：

电压：240/415 V；

电流：10（80）A；

准确度等级：1.0；

脉冲常数：1 000 imp/h。

误差计算公式如下：

百分数误差=[(电能值-标准值)/标准值]×100%

1级表允许的百分数误差改变极限为0.5%。

电能值是通过读取给定时间间隔的电能值，通过以下的方法来确定标准值。施加一个稳定负载，标准值等于给定时间间隔乘以稳定负载的功率。在本次试验过程中，使用三相电能表检定装置，准确度等级达到0.05级，满足试验稳定负载的要求。接下来叙述具体的实现方法。

允差公式如下：

式中：eo——参比条件和试验负载下电能表的允差；

eu——电压变化引起的误差改变极限；

eT——温度变化引起的误差改变极限

eo=1.0%；eu=0.7%；eT=0.05×32%；结合电能表的型号规格及相关的标准要求，得出该电能表允差emax=4.5%。

（2）低气流速度的确定

在进行电能表可靠性试验之前，需先用试验确定工作空间是低气流速度还是高气流速度；按照IEC 60068-2-2:2007 Environmental testing-Part 2-2:Tests-Test B: Dry heat.规定，在测量和试验的标准环境条件下（23 ℃），按照产品要求施加负载。电压：240/415 V，电流：10（80）A。使用温度采集器记录电能表的最大温升13.5 ℃，开启试验箱的通风装置使工作空间空气循环，当温度达到稳定（55 ℃）时，使用温度采集器重新测量上述位置处的温度，温升9.7 ℃，此次测得的温度与上次无空气流动时测得的温度相差3.8 ℃＜ 5 ℃，因此工作空间是低气流速度。

（3）根据电能表试验前示值误差和试验后示值误差，得出变化量如表1所示。

表1 试验前后示值误差变化量

（4）在恒定负载、恒定温度运行过程中，记录该电能表电能量（初始电能值：529.6 kWh），通过计算得出电能量误差如表2所示。

（5）通过上述数据可知，测试前后电能表示值误差变化量满足要求，试验过程中电能量变化允差满足要求，因此该电能表在工作温度上限（55 ℃），扩展的工作电压（264 V）、最大电流（80 A）条件下能够保持计量特性的稳定性，满足IEC 62059-32-1的要求。

表2 电能量误差

4 结语

综上所述，IEC 62059-32-1提供了一种评估电能表计量稳定性的方法，通过给定的温度、电压、电流，保证电能表的计量稳定性，但不能断定电能表的寿命。通过这个试验，验证了电能表是否存在设计错误和材料缺陷，从而保证其在工作过程中规定的准确度。