智能電能表黑屏故障原因分析

李 赫，趙震宇，夏 鵬，董 琳，陳克緒

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西南昌330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西南昌330096）

0 引言

智能電能表的推廣和應(yīng)用不僅帶來電能計量器具技術(shù)的發(fā)展，而且有效防范了電費拖欠，提高了計量管理工作效率。智能電能表是用電采集系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部份，它運行的穩(wěn)定與否直接影響用電采集系統(tǒng)可靠運維，智能電能表長期運行可靠是確保用電采集系統(tǒng)正常工作的保障[1]。智能電能表一旦發(fā)生黑屏故障將直接造成電量損失，影響公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量。因此，有必要開展故障問題分析，提出控制措施及工作建議。

1 故障情況描述

智能電能表黑屏故障是指電能表的工作電壓電流正常的情況下，電能表不計量、液晶無顯示或輪顯按鍵無反應(yīng)，即整個電能表處于“癱瘓”狀態(tài)[1]。

1）智能表自動化檢定線上耐壓測試后出現(xiàn)黑屏故障的3只智能表為DDZY285-Z型單相費控智能電能表（電流規(guī)格：5（60）A，電壓220V，脈沖常數(shù)：1 200imp/kWh，有功等級：2.0，通信方式：東軟窄帶模塊；故障表1：130001509418，故障表2：130001501485，故障表3：130001501488），故障現(xiàn)象：該表上電沒顯示，不計量，下電后按顯無反應(yīng)，電能表外殼無明顯損壞和燒表的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 電表上電、下電按顯均無反應(yīng)圖例

2）現(xiàn)場智能電能表長時間在復(fù)雜特殊的電網(wǎng)供電條件（雷擊、工作電壓電流過大、運行環(huán)境溫度過高等等）下運行，大大增加了電表內(nèi)電源部分器件非正常失效的幾率，易引起主路電源DC-DC模塊、整流橋堆和變壓器燒壞，出現(xiàn)掉電和黑屏故障。故障現(xiàn)象：智能電能表施加參比電壓后，液晶屏無顯示，指示燈（發(fā)光二極管）無反應(yīng)，智能電能表外殼無明顯損壞；打開表蓋，內(nèi)部芯片有燒毀現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 電能表內(nèi)部電源芯片燒毀圖例

2 故障原因分析

2.1 智能電能表內(nèi)部供電原理

智能電能表內(nèi)部是通過用變壓器變壓、整流、穩(wěn)壓對表內(nèi)元器件進行供電[2]，其原理圖見圖3，其中壓敏電阻RV1的作用是對電快速脈沖、雷擊浪涌等帶高能量的短時高電壓進行短路屏蔽；熱敏電阻R2在電表錯誤接線導(dǎo)致輸入電壓變大時，電阻值迅速增大以保護變壓器的初級回路；DB1，DB2為整流橋堆；濾波電容C39、C41、C89對整流后的電壓進行濾波；旁路電容C59、C80、C84、C90對整流后的電壓濾出高頻分量；三端穩(wěn)壓管U12和U13輸出一個穩(wěn)定的+5V電壓；二極管D12能提高主板參考點的電壓，使芯片的工作電壓處在合格范圍內(nèi)的高端，可靠保證電源輕微波動時，VCC與GND間的電壓值不會下降到危險值（影響芯片工作的值），可以起到增強帶載能力的作用。

圖3 電表內(nèi)部供電原理圖

內(nèi)部電池工作過程：表內(nèi)電池為ER14250的3.6V電池，正極經(jīng)二極管D10連接MCU供電。電表上電時5.7V端電壓大于電池3.6V電壓，二極管D10處于截止?fàn)顟B(tài)，因此MCU電源VCC5V電源由5.7V端電壓提供；當(dāng)外部下電時，5.7V處電壓為0，因此二極管D10處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池經(jīng)D10給MCU供電。電池另一支路連接編程開關(guān)BATDET供液晶顯示屏，用于掉電抄表[3]。

2.2 實驗分析與結(jié)論

1）檢定流水線上耐壓測試后出現(xiàn)黑屏故障的3只智能表，是否由于耐壓試驗過程載波模塊器件被擊穿和碳化，在這種情況下，載波模塊工作異常，將電能表工作電壓拉垮，從而導(dǎo)致電能表顯示黑屏？

為此更換3只電表的載波模塊重新上電，故障未排除。為進一步確認載波模塊是否被損壞，利用計量器具本地通信模塊檢測裝置（如圖4所示）進行檢測驗證，表1載波模塊測試結(jié)果表明載波模塊沒有問題。

圖4 載波通信模塊檢測裝置

表1 載波模塊測試結(jié)果

2）打開表蓋（如圖5所示），目視檢查電能表采樣回路和計量回路，均未發(fā)現(xiàn)異樣。對于上電液晶無顯示，電能不計量的電能表，可以判斷電能表MCU和計量芯片均沒有工作。這種情況下首先懷疑上述兩塊芯片的供電電壓可能不正常。根據(jù)上文2.1節(jié)電能表供電回路的工作原理，試驗時用萬用表直接測量穩(wěn)壓管端U12和U13的輸出電壓，以此電壓值就能判斷電源供電回路是否異常，測試結(jié)果如表2：

表2 穩(wěn)壓管輸出電壓測試結(jié)果

對于故障表1、故障表2電源供電回路異常，開始逐點排查各點電壓，采樣電源—變壓器—整流器—穩(wěn)壓芯片—各芯片。利用儀器在測量變壓器的輸出電壓時，發(fā)現(xiàn)故障表的變壓器輸出管腳輸出電壓均為0.02V左右，正常情況下變壓器的管腳輸出電壓應(yīng)該在15V左右。

結(jié)論：綜上分析，判斷故障電能表1、2的內(nèi)部變壓器輸出有問題。由于變壓器管腳脫落/焊腳虛焊，都會導(dǎo)致次級無輸出，使得電能表在上電情況下無法正常工作，表計顯示黑屏，這時電能表也無法正確計量。

圖5 故障電表內(nèi)部圖

對于故障表3電源供電回路正常，穩(wěn)壓芯片正常輸出5V；測量電能表MCU和計量芯片的5V供電端也正常，說明穩(wěn)壓芯片—MCU和計量芯片之間電路元器件沒有問題。結(jié)合MCU部分電路圖（如圖6），利用儀器再測量兩芯片的關(guān)鍵信號管腳（液晶驅(qū)動控制引腳LCD_CTRL，計量接口控制引腳JL_CSD等），發(fā)現(xiàn)信號電平異常。

結(jié)論：故障表3的MCU和計量芯片在耐壓測試中均已被擊穿損壞，導(dǎo)致上電液晶無顯示，電能不計量。

圖6 MCU部分接口電路圖

造成該種情況多數(shù)為芯片管腳焊接不牢靠，在運輸過程中由于劇烈震動，從而導(dǎo)致管腳脫落；又有表內(nèi)芯片表面有錫渣未處理干凈，導(dǎo)致芯片管腳短路。后經(jīng)過放大鏡下詳細檢查，發(fā)現(xiàn)故障表3在耐壓敏感部位有少量錫渣，被噴漆覆蓋（詳見圖7），印制板存在有波峰焊過后殘留未清洗的助焊劑污漬，造成抗耐壓測試性能較弱，表計內(nèi)部線路或器件出現(xiàn)打火擊穿造成發(fā)燙或黑屏現(xiàn)象。

圖7 故障表3內(nèi)部板放大圖

3）對于3只故障表下電按顯均無反應(yīng)，經(jīng)對故障表開蓋并用萬用表測量內(nèi)置時鐘電池電壓，發(fā)現(xiàn)均為0.45V左右（判斷VCC供電線路上的電阻電容存在失效，引致VCC對地阻抗過低導(dǎo)致電池電壓消耗），電池規(guī)格規(guī)定為：電壓為3.6V，容量不小于1.2Ah，同時電池性能應(yīng)滿足Q/GDW1364－20134.3.5“斷電后可維持內(nèi)部時鐘正確工作時間累積不少于5年”的技術(shù)要求[4]。

故障表廠家提供型號為ER14250的電池規(guī)格為：電壓為3.6V，容量為1.2Ah，按照5年的最低壽命要求，電池回路電流應(yīng)≤28μA（1.2Ah/（536524h））。試驗時，拆除故障電能表的電池，外接3.6V直流電源替代電池供電，同時在電路板的電池回路S19（電路板提供的電池測試回路斷點）處串聯(lián)數(shù)字萬用表，測出3只故障電能表電池回路電流的平均值為430μA左右。由此可知，在電表下電（由電池供電）的狀態(tài)下，故障電能表電池回路電流值遠大于技術(shù)條件規(guī)定的電流值（28μA），按照故障表電池容量計算，電池持續(xù)供電時間僅為3.9個月（1.2Ah/（430μA×24×30）），遠達不到設(shè)計的時間壽命。

4）近期地市公司反映，DDZY285-Z系列單相智能費控電能表在運行過程中有多臺表出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象。拆開電能表，發(fā)現(xiàn)有主路電源DC-DC模塊燒壞、整流橋堆燒壞和變壓器燒壞。在電網(wǎng)電壓超標時，易導(dǎo)致DC-DC模塊上前端電容（C1，25V耐壓）耐壓擊穿短路，電流偏大，導(dǎo)致橋堆或變壓器燒毀。

測試此類電表在Un、120%Un、380V輸入電壓時，DC-DC模塊輸入端電壓情況（即變壓器輸出經(jīng)整流后的電壓），具體如表3：

表3 DC-DC模塊輸入端電壓情況

對此類電表進行過電壓試驗（380V1h），雖然超過電容C1耐壓，但是仍能通過測試，且在批產(chǎn)中抽檢均可通過過電壓試驗。考慮到380V不是常態(tài)，經(jīng)評審，設(shè)計是合理的；從上表看出，1.2Un長時間運行，從設(shè)計上來說是不會超出DC-DC前端輸入的電壓耐壓25V的。

但是復(fù)雜特殊的電網(wǎng)供電條件，不排除有在電壓有超過380V的時候，或有尖峰電壓甚至更高。另從變壓器參數(shù)來看，批量生產(chǎn)的空載輸出電壓有正負0.5V的偏差。所以DC-DC前端的輸入電壓也會有0.5V左右的偏差。

問題改進：考慮到現(xiàn)場電壓有可能超過標準規(guī)定電壓，且有電壓尖峰的存在，為徹底解決電能表電源失效的問題。要求該廠家將在設(shè)計上對電容（C1）耐壓進行更改，從25V提高到50V，在原電能表技術(shù)方案的基礎(chǔ)上加大了電源模塊電解電容等設(shè)計冗余，確保在長期高電壓工況的情況下能正常運行。

3 結(jié)語

針對上述智能電能表出現(xiàn)的黑屏故障問題，結(jié)合實驗分析情況，提出以下電能表檢測實驗的改進措施及建議：

1）為了滿足硬件的可靠性要求，廠家對關(guān)鍵性指標進行可靠性驗證，建立元器件優(yōu)選庫，設(shè)計采用元器件優(yōu)選庫中的器件。加強驗貨時元器件比對的力度，確保產(chǎn)品的可靠性與有效性。

2）到貨前后樣品比對時多關(guān)注電能表PCB芯片焊接工藝，并在拆包運輸階段做好保護措施

3）針對智能電能表運行故障中電池欠壓比例較高，在全性能試驗中增加電池容量檢測，加強對電能表元器件質(zhì)量的管控。

4）加強智能電能表用電池的質(zhì)量控制，可以考慮在全性能試驗中增加電池檢驗項目，參考檢驗項目如下：

（1）電池基本特性檢驗，主要包括：外觀、尺寸、開路電壓、電池容量以及高低溫特性等。

（2）電池的安全性檢驗，主要包括：外部短路、強制充電、過放電、振動、沖擊等。