一起單相電能表故障的實(shí)驗(yàn)分析

陸 艷，沈孝賢

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314000）

嘉興電力局2009年開始推廣使用智能電能表，目前已實(shí)現(xiàn)了城區(qū)的全覆蓋。嘉興電力局客戶服務(wù)中心計(jì)量組收到抄表員反映，在現(xiàn)場(chǎng)核抄時(shí)候發(fā)現(xiàn)一戶空置房屋的電能表上的燈閃爍得很快。根據(jù)檢定規(guī)程對(duì)該表進(jìn)行了計(jì)量檢定，誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，在用紅外掌機(jī)抄見電量時(shí)發(fā)現(xiàn)表計(jì)存在一定量的反向有功電量，為探討這一現(xiàn)象，在征得用戶同意后取回進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1 實(shí)驗(yàn)過程

首先將白熾燈和電源接入電能表，用萬用表測(cè)量電源電壓為225.1 V，200 W白熾燈的負(fù)載電流為0.888 A。操作電能表按鍵液晶上顯示電流為0.853 A，運(yùn)行數(shù)10 min后，電流數(shù)次出現(xiàn)-12 A左右的波動(dòng)，與所接的負(fù)荷性質(zhì)不符。

切斷電源后將電能表表蓋打開，檢查計(jì)量芯片的引腳焊接，發(fā)現(xiàn)在電路板上存在部分助焊劑殘留物，使用酒精清理后用電吹風(fēng)機(jī)將殘留部位吹干，再次接通電源觀察30 min后，未再出現(xiàn)反向電流的情況。

為進(jìn)一步觀察是否已解決電流采樣波動(dòng)的問題，將電能表和白熾燈帶電運(yùn)行15 h，電量顯視見表1所示。電能表在17 h中依然產(chǎn)生了反向電量，可見清理了助焊劑殘留物后仍未排除故障。

表1 電能表帶負(fù)荷運(yùn)行17 h的示值 kWh

為找到故障主因，用絕緣材料將主電路板墊高，在帶電情況下，用鑷鉗分別拉動(dòng)錳銅采樣線，發(fā)現(xiàn)在拉動(dòng)黑色和綠色線時(shí)，電能表明顯出現(xiàn)了反向電流的現(xiàn)象，電流上升至-24.54 A，此時(shí)，零線電流檢測(cè)顯示為-0.855 A，證明是火線取樣回路中存在問題導(dǎo)致取樣電流激增，并產(chǎn)生了反向電量。

2 單相智能電能表的采樣回路

智能電能表工作時(shí)，電壓、電流（包括零線電流）通過取樣（電壓可以通過電阻分壓器，電流通過錳銅分流器取樣），轉(zhuǎn)換為采樣信號(hào)通過濾波處理后送入計(jì)量芯片，計(jì)量芯片將電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)送到 CPU進(jìn)行電量脈沖采集、電量累計(jì)和各項(xiàng)計(jì)算分析處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存貯中；同時(shí)CPU完成安全認(rèn)證、紅外、485抄表、LCD顯示等功能處理。單相智能電能表原理框圖見圖1，顯然電流回路的誤差來源主要在電流采樣器。

圖1 單相智能電能表原理框圖

由于具有阻抗值小（一般為幾百微歐）、線性好、無相位誤差、無磁飽和、體積小成本低的優(yōu)點(diǎn)，一般單相電能表都采用錳銅電阻取樣的方式完成電流回路采樣，電流采樣回路有缺陷會(huì)使電能表計(jì)量誤差超差。

圖2 錳銅采樣電阻與接線

3 采樣回路阻值變化來源

3.1 錳銅分流器電阻的變化

錳銅分流器的3個(gè)輸出引腳最左為基準(zhǔn)點(diǎn)，另兩個(gè)是采樣點(diǎn)，實(shí)物及接線見圖2。

如圖2所示，錳銅片聯(lián)接在電流進(jìn)線接線端鈕上，電流流過錳銅分流器，在黑色和綠色引線之間由于存在電阻，會(huì)形成兩個(gè)不同的電位而獲得電位差（電壓），從而將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。取樣信號(hào)分別經(jīng)過R1與R2限流，C1，C2，C3濾波和移相位，最后送入計(jì)量芯片的V1P和V1N引腳。常規(guī)使用的錳銅分流器取樣的電阻一般以μΩ為單位，所以獲得的降低倍數(shù)為分流器電阻值的倒數(shù)。以350 μΩ的分流電阻為例，則取樣降低倍數(shù)為1/350 μΩ=2 857倍。

一般采樣線與錳銅片之間采用碰接的工藝，連接性能良好，但需要先對(duì)采樣線的銅芯線安裝轉(zhuǎn)接線夾。由于線夾只能采用壓接的方式，如果壓接時(shí)力度不夠、壓入線皮或采樣線本身虛焊，存在導(dǎo)線芯斷裂、開路等情況將引起接觸不良。接觸電阻的增加會(huì)使電位漂移、電位差增加從而無法將電流按正確比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。另一方面，由于單相電能表通過測(cè)量電流與零線電壓的相位夾角來獲得功率因數(shù)，從而判斷電流與功率方向，正如實(shí)驗(yàn)案例中所示那樣，電位飄移后不僅在電流取樣上產(chǎn)生了很大的誤差，同時(shí)電流方向判斷錯(cuò)誤，使正常使用產(chǎn)生的正向電量被計(jì)入電能表的反向值內(nèi)。

采樣電阻和電容存在一定范圍內(nèi)的溫漂，即在溫度改變時(shí)阻抗值有一定的變化。一般精密電阻的精度達(dá)到0.1%，溫度系數(shù)達(dá)到2×10-4/℃以內(nèi)。如果采用質(zhì)量低劣的電阻或電容，不僅無法確保精度，而且容易被外界環(huán)境所影響，甚至?xí)霈F(xiàn)電阻開路、電容擊穿的情況。

3.2 工藝質(zhì)量引起阻值

除了選擇優(yōu)質(zhì)的元器件變化外，還需要加強(qiáng)裝配工藝的控制，常見的問題主要有：計(jì)量芯片采樣用的電阻、電容及計(jì)量芯片引腳虛焊或搭錫，引起采樣信號(hào)變化。如果計(jì)量芯片的V1P和V1N引腳的焊錫絲過多，直接引起電流短接，無法將取樣電流送入計(jì)量芯片。如果電壓采樣地引腳的引腳虛焊，則相當(dāng)于零電位漂移，無法正常取樣電壓值與相位角度，在功率方向判定上出現(xiàn)錯(cuò)誤。

貼片電阻或貼片電容在焊接工藝上采用波峰焊。線路板經(jīng)過預(yù)熱后，通過傳送帶進(jìn)入波峰焊機(jī)，經(jīng)過助焊劑涂敷裝置進(jìn)行預(yù)熱后逐漸提高溫度，使助焊劑活化，蒸發(fā)可能吸收的潮氣或載體溶劑，焊面與高溫液態(tài)錫接觸焊接。

在波峰焊的過程中如果助焊劑中雜質(zhì)含量多，則在預(yù)熱過程中無法揮發(fā)；達(dá)不到預(yù)熱溫度則容易發(fā)生電路板表面有殘留或引腳腐蝕的情況。焊錫中雜質(zhì)超標(biāo)、助焊劑活性不夠，走板速度與預(yù)熱配合不好，會(huì)導(dǎo)致虛焊、漏焊或連焊。波峰焊后如果沒有清洗干凈助焊劑等殘留物，在受潮后阻抗值會(huì)發(fā)生變化，同樣會(huì)引起采樣信號(hào)變化。

在電路板自檢后，一部分存在缺陷的電路板需要通過人工焊接的方式修復(fù)補(bǔ)償，一般貼片元器件有一定的焊接溫度，如果溫度不夠，將引起虛焊，溫度過高將直接造成貼片元器件的損壞，多次焊接也會(huì)造成焊點(diǎn)的脫落。

根據(jù)校表經(jīng)驗(yàn)，貼片電容故障會(huì)造成基本誤差在功率因數(shù)感性0.5或容性0.8時(shí)超差，如果貼片電阻故障，則基本誤差均在功率因數(shù)1.0時(shí)超差。

雖然智能電能表的生產(chǎn)工藝大量采用了自動(dòng)化設(shè)備，但在最后組裝時(shí)還需要依賴人工。如果裝配工人沒有按照規(guī)定安裝，易造成元器件擠壓損傷，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。例如：由于錳銅片的頂針距離電壓采樣回路的1k電阻距離較近，在發(fā)生機(jī)械撞擊損傷后，會(huì)造成電阻應(yīng)力損傷，在一段時(shí)間后發(fā)生阻值變化，造成誤差超差。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)與分析，筆者認(rèn)為案例所示電能表出現(xiàn)反向功率空走的主要原因是采樣回路電阻增加。經(jīng)排查，同批次表計(jì)中未出現(xiàn)相同情況，不存在批量質(zhì)量隱患。為防范此類情況的發(fā)生，應(yīng)從以下方面加強(qiáng)單相電能表的質(zhì)量監(jiān)督與管控：

（1）應(yīng)督促?gòu)S家加強(qiáng)對(duì)元器件采購(gòu)的質(zhì)量控制，加強(qiáng)工藝與操作管控，減少生產(chǎn)性損傷。針對(duì)南方梅雨季節(jié)濕度較大的情況，應(yīng)在計(jì)量芯片周圍涂三防漆，強(qiáng)化線路板超聲波清洗工藝，確保性能穩(wěn)定，不受環(huán)境條件影響；

（2）需要在日常的實(shí)驗(yàn)室檢定與電能表抽檢中嚴(yán)把檢定質(zhì)量關(guān)，并加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的隱患與缺陷，借助采集系統(tǒng)定期開展反向電量的普查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的異常情況；

（3）規(guī)范定期核定抄表的信息，建議多抄錄一項(xiàng)電流值。通過火線電流與零線電流比較的方式，發(fā)現(xiàn)電流回路中電流突變與計(jì)量失準(zhǔn)的情況。

[1]吳福培，鄺泳聰，張憲民，等.基于模式匹配及其參數(shù)自適應(yīng)的 PCB 焊點(diǎn)檢測(cè)[J].光學(xué)精密工程，2009，17（10）：2586-2593.

[2]賀珍真，張憲民，鄺泳聰.電子元件的特征建模與檢查算法研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（6）：58-61.