智能电能表黑屏故障原因分析

李 赫，赵震宇，夏 鹏，董 琳，陈克绪

（1.南昌科晨电力试验研究有限公司，江西南昌330096；2.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心，江西南昌330096）

0 引言

智能电能表的推广和应用不仅带来电能计量器具技术的发展，而且有效防范了电费拖欠，提高了计量管理工作效率。智能电能表是用电采集系统应用的重要组成部份，它运行的稳定与否直接影响用电采集系统可靠运维，智能电能表长期运行可靠是确保用电采集系统正常工作的保障[1]。智能电能表一旦发生黑屏故障将直接造成电量损失，影响公司的优质服务质量。因此，有必要开展故障问题分析，提出控制措施及工作建议。

1 故障情况描述

智能电能表黑屏故障是指电能表的工作电压电流正常的情况下，电能表不计量、液晶无显示或轮显按键无反应，即整个电能表处于“瘫痪”状态[1]。

1）智能表自动化检定线上耐压测试后出现黑屏故障的3只智能表为DDZY285-Z型单相费控智能电能表（电流规格：5（60）A，电压220V，脉冲常数：1 200imp/kWh，有功等级：2.0，通信方式：东软窄带模块；故障表1：130001509418，故障表2：130001501485，故障表3：130001501488），故障现象：该表上电没显示，不计量，下电后按显无反应，电能表外壳无明显损坏和烧表的现象，如图1所示。

图1 电表上电、下电按显均无反应图例

2）现场智能电能表长时间在复杂特殊的电网供电条件（雷击、工作电压电流过大、运行环境温度过高等等）下运行，大大增加了电表内电源部分器件非正常失效的几率，易引起主路电源DC-DC模块、整流桥堆和变压器烧坏，出现掉电和黑屏故障。故障现象：智能电能表施加参比电压后，液晶屏无显示，指示灯（发光二极管）无反应，智能电能表外壳无明显损坏；打开表盖，内部芯片有烧毁现象，如图2所示。

图2 电能表内部电源芯片烧毁图例

2 故障原因分析

2.1 智能电能表内部供电原理

智能电能表内部是通过用变压器变压、整流、稳压对表内元器件进行供电[2]，其原理图见图3，其中压敏电阻RV1的作用是对电快速脉冲、雷击浪涌等带高能量的短时高电压进行短路屏蔽；热敏电阻R2在电表错误接线导致输入电压变大时，电阻值迅速增大以保护变压器的初级回路；DB1，DB2为整流桥堆；滤波电容C39、C41、C89对整流后的电压进行滤波；旁路电容C59、C80、C84、C90对整流后的电压滤出高频分量；三端稳压管U12和U13输出一个稳定的+5V电压；二极管D12能提高主板参考点的电压，使芯片的工作电压处在合格范围内的高端，可靠保证电源轻微波动时，VCC与GND间的电压值不会下降到危险值（影响芯片工作的值），可以起到增强带载能力的作用。

图3 电表内部供电原理图

内部电池工作过程：表内电池为ER14250的3.6V电池，正极经二极管D10连接MCU供电。电表上电时5.7V端电压大于电池3.6V电压，二极管D10处于截止状态，因此MCU电源VCC5V电源由5.7V端电压提供；当外部下电时，5.7V处电压为0，因此二极管D10处于导通状态，电池经D10给MCU供电。电池另一支路连接编程开关BATDET供液晶显示屏，用于掉电抄表[3]。

2.2 实验分析与结论

1）检定流水线上耐压测试后出现黑屏故障的3只智能表，是否由于耐压试验过程载波模块器件被击穿和碳化，在这种情况下，载波模块工作异常，将电能表工作电压拉垮，从而导致电能表显示黑屏？

为此更换3只电表的载波模块重新上电，故障未排除。为进一步确认载波模块是否被损坏，利用计量器具本地通信模块检测装置（如图4所示）进行检测验证，表1载波模块测试结果表明载波模块没有问题。

图4 载波通信模块检测装置

表1 载波模块测试结果

2）打开表盖（如图5所示），目视检查电能表采样回路和计量回路，均未发现异样。对于上电液晶无显示，电能不计量的电能表，可以判断电能表MCU和计量芯片均没有工作。这种情况下首先怀疑上述两块芯片的供电电压可能不正常。根据上文2.1节电能表供电回路的工作原理，试验时用万用表直接测量稳压管端U12和U13的输出电压，以此电压值就能判断电源供电回路是否异常，测试结果如表2：

表2 稳压管输出电压测试结果

对于故障表1、故障表2电源供电回路异常，开始逐点排查各点电压，采样电源—变压器—整流器—稳压芯片—各芯片。利用仪器在测量变压器的输出电压时，发现故障表的变压器输出管脚输出电压均为0.02V左右，正常情况下变压器的管脚输出电压应该在15V左右。

结论：综上分析，判断故障电能表1、2的内部变压器输出有问题。由于变压器管脚脱落/焊脚虚焊，都会导致次级无输出，使得电能表在上电情况下无法正常工作，表计显示黑屏，这时电能表也无法正确计量。

图5 故障电表内部图

对于故障表3电源供电回路正常，稳压芯片正常输出5V；测量电能表MCU和计量芯片的5V供电端也正常，说明稳压芯片—MCU和计量芯片之间电路元器件没有问题。结合MCU部分电路图（如图6），利用仪器再测量两芯片的关键信号管脚（液晶驱动控制引脚LCD_CTRL，计量接口控制引脚JL_CSD等），发现信号电平异常。

结论：故障表3的MCU和计量芯片在耐压测试中均已被击穿损坏，导致上电液晶无显示，电能不计量。

图6 MCU部分接口电路图

造成该种情况多数为芯片管脚焊接不牢靠，在运输过程中由于剧烈震动，从而导致管脚脱落；又有表内芯片表面有锡渣未处理干净，导致芯片管脚短路。后经过放大镜下详细检查，发现故障表3在耐压敏感部位有少量锡渣，被喷漆覆盖（详见图7），印制板存在有波峰焊过后残留未清洗的助焊剂污渍，造成抗耐压测试性能较弱，表计内部线路或器件出现打火击穿造成发烫或黑屏现象。

图7 故障表3内部板放大图

3）对于3只故障表下电按显均无反应，经对故障表开盖并用万用表测量内置时钟电池电压，发现均为0.45V左右（判断VCC供电线路上的电阻电容存在失效，引致VCC对地阻抗过低导致电池电压消耗），电池规格规定为：电压为3.6V，容量不小于1.2Ah，同时电池性能应满足Q/GDW1364－20134.3.5“断电后可维持内部时钟正确工作时间累积不少于5年”的技术要求[4]。

故障表厂家提供型号为ER14250的电池规格为：电压为3.6V，容量为1.2Ah，按照5年的最低寿命要求，电池回路电流应≤28μA（1.2Ah/（536524h））。试验时，拆除故障电能表的电池，外接3.6V直流电源替代电池供电，同时在电路板的电池回路S19（电路板提供的电池测试回路断点）处串联数字万用表，测出3只故障电能表电池回路电流的平均值为430μA左右。由此可知，在电表下电（由电池供电）的状态下，故障电能表电池回路电流值远大于技术条件规定的电流值（28μA），按照故障表电池容量计算，电池持续供电时间仅为3.9个月（1.2Ah/（430μA×24×30）），远达不到设计的时间寿命。

4）近期地市公司反映，DDZY285-Z系列单相智能费控电能表在运行过程中有多台表出现黑屏现象。拆开电能表，发现有主路电源DC-DC模块烧坏、整流桥堆烧坏和变压器烧坏。在电网电压超标时，易导致DC-DC模块上前端电容（C1，25V耐压）耐压击穿短路，电流偏大，导致桥堆或变压器烧毁。

测试此类电表在Un、120%Un、380V输入电压时，DC-DC模块输入端电压情况（即变压器输出经整流后的电压），具体如表3：

表3 DC-DC模块输入端电压情况

对此类电表进行过电压试验（380V1h），虽然超过电容C1耐压，但是仍能通过测试，且在批产中抽检均可通过过电压试验。考虑到380V不是常态，经评审，设计是合理的；从上表看出，1.2Un长时间运行，从设计上来说是不会超出DC-DC前端输入的电压耐压25V的。

但是复杂特殊的电网供电条件，不排除有在电压有超过380V的时候，或有尖峰电压甚至更高。另从变压器参数来看，批量生产的空载输出电压有正负0.5V的偏差。所以DC-DC前端的输入电压也会有0.5V左右的偏差。

问题改进：考虑到现场电压有可能超过标准规定电压，且有电压尖峰的存在，为彻底解决电能表电源失效的问题。要求该厂家将在设计上对电容（C1）耐压进行更改，从25V提高到50V，在原电能表技术方案的基础上加大了电源模块电解电容等设计冗余，确保在长期高电压工况的情况下能正常运行。

3 结语

针对上述智能电能表出现的黑屏故障问题，结合实验分析情况，提出以下电能表检测实验的改进措施及建议：

1）为了满足硬件的可靠性要求，厂家对关键性指标进行可靠性验证，建立元器件优选库，设计采用元器件优选库中的器件。加强验货时元器件比对的力度，确保产品的可靠性与有效性。

2）到货前后样品比对时多关注电能表PCB芯片焊接工艺，并在拆包运输阶段做好保护措施

3）针对智能电能表运行故障中电池欠压比例较高，在全性能试验中增加电池容量检测，加强对电能表元器件质量的管控。

4）加强智能电能表用电池的质量控制，可以考虑在全性能试验中增加电池检验项目，参考检验项目如下：

（1）电池基本特性检验，主要包括：外观、尺寸、开路电压、电池容量以及高低温特性等。

（2）电池的安全性检验，主要包括：外部短路、强制充电、过放电、振动、冲击等。