基于失效物理的电能表故障定位与复现方法研究*

陈 亮，黄友朋，路 韬，党三磊，张 捷，何胜宗

(1.广东电网有限责任公司计量中心,广东 广州 510062；2.工业和信息化部电子第五研究所,广东 广州 510610)

目前国网省公司已经基本普及了智能电能表[1],在线运行电能表总量已经突破5 亿,各业务系统均积累了丰富的现场运行数据[2-3]。然而,由于产品质量和可靠性问题,每年暴露出现故障的比例和数量也相当庞大。通常,在现场对智能电能表故障开展诊断[4],或者将样品带回实验室进行失效分析[5],试图查找背后原因,成为解决问题重要的技术手段。这些技术方法一定程度上能够快速发现问题的原因[6],然而在实际的故障分析工作中,包括一部分故障不可复现或者难以定位的电能表,即现场发生了故障,但拆卸或带回后在实验室检测时,功能又恢复正常,故障现象消失而无法定位故障点,即所谓的不可复现故障。不可复现故障电能表给各表厂造成严重损失,同时也给电能管理和维护工作造成极大不利。传统的方法是利用电能表自动化检定系统流水式对表进行故障定位及报警[7-8],这类系统一定程度能准确定位发生故障的表位并进行报警,但是并不能对未复现的故障表开展定位。

鉴于此,利用现场积累的大数据以及运用先进的技术方法和手段,对新批次电能表或者不可复现故障电能表开展故障激发,暴露产品潜在的缺陷和薄弱环节,提前发现电能表在使用现场可能出现的故障,或者恢复现场故障现象,从而可以避免或降低后期运行过程中出现批量故障的风险,找出引起现场故障的真正原因,成为当前电能表计量工作的一项重要研究内容[9-10]。

本文结合电能表现场运行大数据以及可靠性工程的实施经验,以电能表现场运行过程中收集、分析得到的各种数据和故障表的失效机理为核心,通过总结分析电能表主要的故障模式、失效机理以及工作微环境特征等各种数据,分析、总结电能表的主要缺陷类型和敏感应力[5]；同时,分析电能表的环境剖面和任务剖面大数据,借助于故障发生的现场信息[11],提出了基于失效物理的电能表故障定位和故障复现激发方法,同时结合实际评价案例,给出了具体方案的实施方法和应用效果,为电能表的验收评价、现场故障分析和大批量电能表管理提供了一种有效的技术手段。

1 基本原理及方法

1.1 电能表结果

智能电能表是集电量测量、通信、处理控制、数据存储、安全认证、人机交互等多种功能于一体的新型电量计量仪表,与传统的机电式电能表相比,它的优点是智能化、准确度高、体积小,适合远程测量、抄表和控制,方便用户电量计费管理。图1 给出了一种单相智能电能表的典型的电路结构框图[5]。其核心电路包括:电压电流采样、计量电路、主控制芯片、通信、电源、计时、安全认证等模块。

图1 单相电能表典型电路结构框图

1.2 故障激发原理

故障激发试验[12]与传统的可靠性评价试验[13-14]目的有所不同,电能表故障激发的目的在于通过各种特定试验激发产品在测试、验收、现场运行使用等过程出现或复现与机械、温湿度、化学、电磁等应力相关的故障,从而暴露产品在结构和电路设计、物料选型、生产制造、应力防护方面的缺陷和薄弱环节,降低电能表安装使用后出现批量故障的风险,也有助于产品开展故障分析和质量可靠性改善工作。

1.3 故障激发对象

电能表故障激发试验的对象主要是指现场运行过程中出现的各类故障类型,以及由这些故障暴露出的电能表内部的缺陷和薄弱环节,包括但不限于以下方面:

(1)实际工作极限与设计工作极限之间的裕度不足,如工作电压、电流、温度范围不符合；抗扰能力差[14]；

(2)电路、结构设计存在缺陷,如开关电源电路设计缺陷、PCB 布局不合理；

(3)所使用的物料存在缺陷,如稳压二极管内部芯片侧面存在焊料爬升；

(4)存在的制造工艺缺陷,如焊点虚焊、离子清洁度不合格；

(5)对温度、湿度等环境应力的适应能力不足,如高温条件下计量误差漂移超标[15]；

(6)对高温、低温[16]、高湿、盐雾[17]等环境应力的耐久能力不足,如长期潮湿条件下绝缘耐压下降。

1.4 特殊组件考虑

电能表内部所使用的如电池、LCD 显示屏,其环境适应性相比于其他元器件相对脆弱,易受环境温湿度影响,需要在激发试验过程中特殊对待。通常,电能表内部安装的锂电池,如ER14250 型锂电池的典型工作温度范围是-55 ℃～＋85 ℃,在高温条件下容易出现电解液挥发、漏液并存在爆炸的风险,因此在高温存储、高温试验过程中应当先将电池拆卸[18]。如果涉及电池本体缺陷的故障激发,则需要单独对电池进行工作温度范围内的试验激发。另外,LCD 的典型工作温度范围是-20 ℃～＋70 ℃,当激发试验的环境温度超过工作温度范围后,就会出现支架形变、黑屏等故障,这些故障是由于超过材料本身应力局限导致的,应当予以排除。

2 失效机理及数据分析

2.1 主要失效模式、机理统计数据分析

电能表主要失效模式和机理的统计过程可以按照到货检验、现场运行阶段分别进行统计分析。

(1)到货后全检验收统计结果分析

根据统计,电表到货后全检验收全项目检验不合格比例如图2 所示。其中,准确度性能、外观和标志、通信及安全、功能实现是主要不合格项目,分别占39%、24%、15%、10%。据统计,基本误差(计量)、密钥下装、显示屏、485 通信、脉冲输出、日计时、数据存储、载波模块、电池等为电能表的主要出厂检验发现的主要缺陷和故障模式。

图2 全检验收不合格比例分布

(2)现场运行故障统计分析

根据2018 年某地区智能电能表运行故障统计报表,在运行电表故障按功能排序依次是通信、计量功能、显示、控制、处理单元等。如图3 所示。

图3 电表模块故障排序图

(3)主要故障模式汇总分析

根据电表到货后的检验项目以及电表在实际运行过程中的故障类型统计数据,结合智能电表的电路设计原理,对电表故障类型和电路模块的关联情况汇总,见表1 所示。

表1 电表故障类型和电路模块的关联情况汇总

2.2 工作微环境分析

普通民用电能表主要安装在住房楼道、屋檐和外墙上,有塑料或金属材质电表箱保护。通常,电能表内部工作微环境主要考虑空气温度和湿度。根据Q/GDW364-2016标准[1],在115%Un、120%Imax条件下,电能表主线路和绝缘体的温升不应超过电能表正常的工作温度,即电能表任何一点的温升,当在环境温度为40 ℃时不应超过25 ℃。然而在实际情况下,可能存在部分电能表由于环境温度过高以及自身满负载工作导致电能表内部局部出现较高温度的现象。

2.3 主要缺陷和敏感应力数据分析

引起产品现场故障的原因可能是复杂的,需要对故障表进行失效分析。根据分析结果电能表主要现故障模式,总结影响电能表薄弱环节以及影响因素,如表2 所示,表中给出了典型的失效、缺陷的表现。表3 给出了电能表主要元器件的失效风险以及受影响的主要环境应力,明确了各风险点与温度、湿度、电应力、机械应力及盐雾等应力之间的相关性。

表2 电能表薄弱环节及可靠性影响因素

表3 主要元器件风险点及影响因素

3 试验方案设计

3.1 基于风险分析的测试方法

基于风险分析的测试方法,首先通过对电能表内部电路进行详细的风险分析,明确主要元器件、电路节点的薄弱点,并设计一定的特殊应用工况激发产品内部元器件出现相应的故障现象。通常,需要从元器件应用的容差分析、降额分析、最坏电路分析等方面进行板上元器件的应用可靠性测试。

3.2 基于结构和材料缺陷的工艺分析

电能表组装工艺质量是影响电能表的应用可靠性的重要内容,也是导致现场失效的重要原因。电能表在组装过程中可能引入的工艺缺陷主要包括[9]:(1)焊接缺陷,如焊锡珠、焊料过多、连焊、虚焊、焊点开裂、漏焊等；(2)装配损伤,如LCD、陶瓷电容、贴片电阻的损伤；(3)导线压伤；(4)电池、电解电容等大体积元件未加固；(5)PCB 表面存在离子残留、脏污,可能导致电迁移、漏电。因此,需要对电能表内部电路板进行组装工艺外观检查、关键焊点切片观察、离子清洁度测试以及小间距布线之间的绝缘阻抗测试,从而有效而快速地发现此类工艺缺陷。

电能表的组装工艺质量评价可参考IPC-A-610E(组装工艺焊点外观)、IPC-TM-650 2.1.1(切片观察)、IPC-TM-650 2.3.25c(离子清洁度测试)、IPC-TM-650 2.6.3(绝缘阻抗测试)等标准进行。

3.3 基于环境综合应力的试验激发

电能表安装后需要长期运行,必须考虑长期持续的气候环境对可靠性带来的影响。结合电能表的使用环境,主要考虑以下几种环境耐久性试验[3,8]:

(1)带电湿热试验

带电湿热试验的目的是暴露产品由潮气导致的相关失效,如:①PCB 的过孔间可能出现导电阳极丝现象；②接线端子、锰铜片出现腐蚀,可能导致漏电、接触不良、断裂等；③存在污染的焊点可能出现电迁移；④陶瓷电容器、计量芯片、光耦、二三极管、变压器、电解电容等随着水汽的侵入可能导致漏电；⑤水汽在温度变化条件下,或者经历局部工作发热后,可能出现凝露、水膜等现象。

(2)高温存储、高温工作试验

高温存储、高温工作试验的目的是暴露产品在存储或工作条件下由于持续高温导致材料膨胀、性能劣化、热疲劳等缺陷和薄弱点,例如:①三端稳压器、二极管芯片的热设计余量不足导致失效；②晶振经历高温后可能出现无法起振、频率漂移的问题；③贴片电阻、陶瓷电容等元器件在高温条件下性能漂移、退化。

(3)带电温度循环试验

带电温度循环试验的目的是暴露产品由于材料的热膨胀系数不一致导致的缺陷和薄弱点[19]:例如:①焊接不良引起的连接问题,如虚焊、冷焊、焊锡不足等；②多层陶瓷电容内部微裂纹在温变条件下扩大；③用粘胶固定的时钟晶振在温变条件下松动；④光耦、红外接收头等经历温变条件后可能出现信号传输异常；⑤PCB、玻璃二极管等在温变条件下出现开裂、开路；⑥LED、计量芯片、MCU、数据存储、ESAM、RS485 通信芯片等器件内部不同材料界面分层引起的电连接问题；⑦变压器连接端子在温变条件下可能出现拉脱断裂的问题。

4 试验结果及分析

4.1 基于风险分析的故障激发案例分析

某型号电能表在线运行报电池欠压故障,但从现场拆回检测,电池电压正常,未复现现场故障现象。经过电路风险分析,认为在电路快速上电、掉电场景下会出现电池检测电路异常。因此,选择拆下的电能表进行内部电源电压波形监测,结果发现,在市电快速上电、掉电过程中,MCU 的供电电压VDD存在跌落现象,持续时间约20 ms。这种现象将会导致MCU 复位重启现象,这样不仅复现了故障现象,也确认出电池欠压的原因,正是由于快速上下电过程中电源电路电容充电不足,导致电池电压被短暂拉低,而出现误报警现象。典型波形见图4(a)、4(b)所示。

图4 样品内部电源电压监测典型波形

4.2 基于潮热试验的故障激发案例分析

某型号批电能表使用三年后出现较高比例的不计量故障。经分析发现计量芯片电源输入端口过电击穿。通过进一步分析计量电源电路发现三端稳压器安放方向与电能表挂立的方向相垂直,其封装库中背面焊盘与引脚的间距偏小。推测三端稳压器引脚间吸附水汽时,容易导致上下引脚间爬电,一旦输入脚(三端稳压器输入＋12 V)与输出(输出5 V,为计量芯片供电)脚之间爬电,将导致计量芯片电源端过压击穿。通过进一步进行盐水模拟试验,验证了上述推测结果,也证实了该电路布局设计以及三端稳压器PCB 封装存在设计不当的潜在缺陷。案例分析典型形貌如图5。

图5 布局不合理案例分析形貌

5 结束语

通过上述案例,利用基于风险分析的测试方法和基于环境综合应力的试验方法,可以有效地暴露电能表在PCB 布局设计以及三端稳压器PCB 封装存在设计不当的潜在缺陷、电源电路在快速上下电过程中存在电池被拉低现象,试验结果说明试验激发方法本身的有效性。

随着智能电能表大规模在线运行,不可复现的现场故障现象不仅增加了电能管理的技术难度,而且影响了电网公司和电能表厂家的合作和经济利益。本文提出的一种基于大数据分析的电能表故障激发方法只是一种的初步尝试,不仅可以应用在电能表的现场故障分析和激发试验工作中,也可以应用在电能表的验收测试评价工作中。