基于失效物理的電能表故障定位與復現方法研究*

陳 亮，黃友朋，路 韜，黨三磊，張 捷，何勝宗

(1.廣東電網有限責任公司計量中心,廣東 廣州 510062；2.工業和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610)

目前國網省公司已經基本普及了智能電能表[1],在線運行電能表總量已經突破5 億,各業務系統均積累了豐富的現場運行數據[2-3]。然而,由于產品質量和可靠性問題,每年暴露出現故障的比例和數量也相當龐大。通常,在現場對智能電能表故障開展診斷[4],或者將樣品帶回實驗室進行失效分析[5],試圖查找背后原因,成為解決問題重要的技術手段。這些技術方法一定程度上能夠快速發現問題的原因[6],然而在實際的故障分析工作中,包括一部分故障不可復現或者難以定位的電能表,即現場發生了故障,但拆卸或帶回后在實驗室檢測時,功能又恢復正常,故障現象消失而無法定位故障點,即所謂的不可復現故障。不可復現故障電能表給各表廠造成嚴重損失,同時也給電能管理和維護工作造成極大不利。傳統的方法是利用電能表自動化檢定系統流水式對表進行故障定位及報警[7-8],這類系統一定程度能準確定位發生故障的表位并進行報警,但是并不能對未復現的故障表開展定位。

鑒于此,利用現場積累的大數據以及運用先進的技術方法和手段,對新批次電能表或者不可復現故障電能表開展故障激發,暴露產品潛在的缺陷和薄弱環節,提前發現電能表在使用現場可能出現的故障,或者恢復現場故障現象,從而可以避免或降低后期運行過程中出現批量故障的風險,找出引起現場故障的真正原因,成為當前電能表計量工作的一項重要研究內容[9-10]。

本文結合電能表現場運行大數據以及可靠性工程的實施經驗,以電能表現場運行過程中收集、分析得到的各種數據和故障表的失效機理為核心,通過總結分析電能表主要的故障模式、失效機理以及工作微環境特征等各種數據,分析、總結電能表的主要缺陷類型和敏感應力[5]；同時,分析電能表的環境剖面和任務剖面大數據,借助于故障發生的現場信息[11],提出了基于失效物理的電能表故障定位和故障復現激發方法,同時結合實際評價案例,給出了具體方案的實施方法和應用效果,為電能表的驗收評價、現場故障分析和大批量電能表管理提供了一種有效的技術手段。

1 基本原理及方法

1.1 電能表結果

智能電能表是集電量測量、通信、處理控制、數據存儲、安全認證、人機交互等多種功能于一體的新型電量計量儀表,與傳統的機電式電能表相比,它的優點是智能化、準確度高、體積小,適合遠程測量、抄表和控制,方便用戶電量計費管理。圖1 給出了一種單相智能電能表的典型的電路結構框圖[5]。其核心電路包括:電壓電流采樣、計量電路、主控制芯片、通信、電源、計時、安全認證等模塊。

圖1 單相電能表典型電路結構框圖

1.2 故障激發原理

故障激發試驗[12]與傳統的可靠性評價試驗[13-14]目的有所不同,電能表故障激發的目的在于通過各種特定試驗激發產品在測試、驗收、現場運行使用等過程出現或復現與機械、溫濕度、化學、電磁等應力相關的故障,從而暴露產品在結構和電路設計、物料選型、生產制造、應力防護方面的缺陷和薄弱環節,降低電能表安裝使用后出現批量故障的風險,也有助于產品開展故障分析和質量可靠性改善工作。

1.3 故障激發對象

電能表故障激發試驗的對象主要是指現場運行過程中出現的各類故障類型,以及由這些故障暴露出的電能表內部的缺陷和薄弱環節,包括但不限于以下方面:

(1)實際工作極限與設計工作極限之間的裕度不足,如工作電壓、電流、溫度范圍不符合；抗擾能力差[14]；

(2)電路、結構設計存在缺陷,如開關電源電路設計缺陷、PCB 布局不合理；

(3)所使用的物料存在缺陷,如穩壓二極管內部芯片側面存在焊料爬升；

(4)存在的制造工藝缺陷,如焊點虛焊、離子清潔度不合格；

(5)對溫度、濕度等環境應力的適應能力不足,如高溫條件下計量誤差漂移超標[15]；

(6)對高溫、低溫[16]、高濕、鹽霧[17]等環境應力的耐久能力不足,如長期潮濕條件下絕緣耐壓下降。

1.4 特殊組件考慮

電能表內部所使用的如電池、LCD 顯示屏,其環境適應性相比于其他元器件相對脆弱,易受環境溫濕度影響,需要在激發試驗過程中特殊對待。通常,電能表內部安裝的鋰電池,如ER14250 型鋰電池的典型工作溫度范圍是-55 ℃～＋85 ℃,在高溫條件下容易出現電解液揮發、漏液并存在爆炸的風險,因此在高溫存儲、高溫試驗過程中應當先將電池拆卸[18]。如果涉及電池本體缺陷的故障激發,則需要單獨對電池進行工作溫度范圍內的試驗激發。另外,LCD 的典型工作溫度范圍是-20 ℃～＋70 ℃,當激發試驗的環境溫度超過工作溫度范圍后,就會出現支架形變、黑屏等故障,這些故障是由于超過材料本身應力局限導致的,應當予以排除。

2 失效機理及數據分析

2.1 主要失效模式、機理統計數據分析

電能表主要失效模式和機理的統計過程可以按照到貨檢驗、現場運行階段分別進行統計分析。

(1)到貨后全檢驗收統計結果分析

根據統計,電表到貨后全檢驗收全項目檢驗不合格比例如圖2 所示。其中,準確度性能、外觀和標志、通信及安全、功能實現是主要不合格項目,分別占39%、24%、15%、10%。據統計,基本誤差(計量)、密鑰下裝、顯示屏、485 通信、脈沖輸出、日計時、數據存儲、載波模塊、電池等為電能表的主要出廠檢驗發現的主要缺陷和故障模式。

圖2 全檢驗收不合格比例分布

(2)現場運行故障統計分析

根據2018 年某地區智能電能表運行故障統計報表,在運行電表故障按功能排序依次是通信、計量功能、顯示、控制、處理單元等。如圖3 所示。

圖3 電表模塊故障排序圖

(3)主要故障模式匯總分析

根據電表到貨后的檢驗項目以及電表在實際運行過程中的故障類型統計數據,結合智能電表的電路設計原理,對電表故障類型和電路模塊的關聯情況匯總,見表1 所示。

表1 電表故障類型和電路模塊的關聯情況匯總

2.2 工作微環境分析

普通民用電能表主要安裝在住房樓道、屋檐和外墻上,有塑料或金屬材質電表箱保護。通常,電能表內部工作微環境主要考慮空氣溫度和濕度。根據Q/GDW364-2016標準[1],在115%Un、120%Imax條件下,電能表主線路和絕緣體的溫升不應超過電能表正常的工作溫度,即電能表任何一點的溫升,當在環境溫度為40 ℃時不應超過25 ℃。然而在實際情況下,可能存在部分電能表由于環境溫度過高以及自身滿負載工作導致電能表內部局部出現較高溫度的現象。

2.3 主要缺陷和敏感應力數據分析

引起產品現場故障的原因可能是復雜的,需要對故障表進行失效分析。根據分析結果電能表主要現故障模式,總結影響電能表薄弱環節以及影響因素,如表2 所示,表中給出了典型的失效、缺陷的表現。表3 給出了電能表主要元器件的失效風險以及受影響的主要環境應力,明確了各風險點與溫度、濕度、電應力、機械應力及鹽霧等應力之間的相關性。

表2 電能表薄弱環節及可靠性影響因素

表3 主要元器件風險點及影響因素

3 試驗方案設計

3.1 基于風險分析的測試方法

基于風險分析的測試方法,首先通過對電能表內部電路進行詳細的風險分析,明確主要元器件、電路節點的薄弱點,并設計一定的特殊應用工況激發產品內部元器件出現相應的故障現象。通常,需要從元器件應用的容差分析、降額分析、最壞電路分析等方面進行板上元器件的應用可靠性測試。

3.2 基于結構和材料缺陷的工藝分析

電能表組裝工藝質量是影響電能表的應用可靠性的重要內容,也是導致現場失效的重要原因。電能表在組裝過程中可能引入的工藝缺陷主要包括[9]:(1)焊接缺陷,如焊錫珠、焊料過多、連焊、虛焊、焊點開裂、漏焊等；(2)裝配損傷,如LCD、陶瓷電容、貼片電阻的損傷；(3)導線壓傷；(4)電池、電解電容等大體積元件未加固；(5)PCB 表面存在離子殘留、臟污,可能導致電遷移、漏電。因此,需要對電能表內部電路板進行組裝工藝外觀檢查、關鍵焊點切片觀察、離子清潔度測試以及小間距布線之間的絕緣阻抗測試,從而有效而快速地發現此類工藝缺陷。

電能表的組裝工藝質量評價可參考IPC-A-610E(組裝工藝焊點外觀)、IPC-TM-650 2.1.1(切片觀察)、IPC-TM-650 2.3.25c(離子清潔度測試)、IPC-TM-650 2.6.3(絕緣阻抗測試)等標準進行。

3.3 基于環境綜合應力的試驗激發

電能表安裝后需要長期運行,必須考慮長期持續的氣候環境對可靠性帶來的影響。結合電能表的使用環境,主要考慮以下幾種環境耐久性試驗[3,8]:

(1)帶電濕熱試驗

帶電濕熱試驗的目的是暴露產品由潮氣導致的相關失效,如:①PCB 的過孔間可能出現導電陽極絲現象；②接線端子、錳銅片出現腐蝕,可能導致漏電、接觸不良、斷裂等；③存在污染的焊點可能出現電遷移；④陶瓷電容器、計量芯片、光耦、二三極管、變壓器、電解電容等隨著水汽的侵入可能導致漏電；⑤水汽在溫度變化條件下,或者經歷局部工作發熱后,可能出現凝露、水膜等現象。

(2)高溫存儲、高溫工作試驗

高溫存儲、高溫工作試驗的目的是暴露產品在存儲或工作條件下由于持續高溫導致材料膨脹、性能劣化、熱疲勞等缺陷和薄弱點,例如:①三端穩壓器、二極管芯片的熱設計余量不足導致失效；②晶振經歷高溫后可能出現無法起振、頻率漂移的問題；③貼片電阻、陶瓷電容等元器件在高溫條件下性能漂移、退化。

(3)帶電溫度循環試驗

帶電溫度循環試驗的目的是暴露產品由于材料的熱膨脹系數不一致導致的缺陷和薄弱點[19]:例如:①焊接不良引起的連接問題,如虛焊、冷焊、焊錫不足等；②多層陶瓷電容內部微裂紋在溫變條件下擴大；③用粘膠固定的時鐘晶振在溫變條件下松動；④光耦、紅外接收頭等經歷溫變條件后可能出現信號傳輸異常；⑤PCB、玻璃二極管等在溫變條件下出現開裂、開路；⑥LED、計量芯片、MCU、數據存儲、ESAM、RS485 通信芯片等器件內部不同材料界面分層引起的電連接問題；⑦變壓器連接端子在溫變條件下可能出現拉脫斷裂的問題。

4 試驗結果及分析

4.1 基于風險分析的故障激發案例分析

某型號電能表在線運行報電池欠壓故障,但從現場拆回檢測,電池電壓正常,未復現現場故障現象。經過電路風險分析,認為在電路快速上電、掉電場景下會出現電池檢測電路異常。因此,選擇拆下的電能表進行內部電源電壓波形監測,結果發現,在市電快速上電、掉電過程中,MCU 的供電電壓VDD存在跌落現象,持續時間約20 ms。這種現象將會導致MCU 復位重啟現象,這樣不僅復現了故障現象,也確認出電池欠壓的原因,正是由于快速上下電過程中電源電路電容充電不足,導致電池電壓被短暫拉低,而出現誤報警現象。典型波形見圖4(a)、4(b)所示。

圖4 樣品內部電源電壓監測典型波形

4.2 基于潮熱試驗的故障激發案例分析

某型號批電能表使用三年后出現較高比例的不計量故障。經分析發現計量芯片電源輸入端口過電擊穿。通過進一步分析計量電源電路發現三端穩壓器安放方向與電能表掛立的方向相垂直,其封裝庫中背面焊盤與引腳的間距偏小。推測三端穩壓器引腳間吸附水汽時,容易導致上下引腳間爬電,一旦輸入腳(三端穩壓器輸入＋12 V)與輸出(輸出5 V,為計量芯片供電)腳之間爬電,將導致計量芯片電源端過壓擊穿。通過進一步進行鹽水模擬試驗,驗證了上述推測結果,也證實了該電路布局設計以及三端穩壓器PCB 封裝存在設計不當的潛在缺陷。案例分析典型形貌如圖5。

圖5 布局不合理案例分析形貌

5 結束語

通過上述案例,利用基于風險分析的測試方法和基于環境綜合應力的試驗方法,可以有效地暴露電能表在PCB 布局設計以及三端穩壓器PCB 封裝存在設計不當的潛在缺陷、電源電路在快速上下電過程中存在電池被拉低現象,試驗結果說明試驗激發方法本身的有效性。

隨著智能電能表大規模在線運行,不可復現的現場故障現象不僅增加了電能管理的技術難度,而且影響了電網公司和電能表廠家的合作和經濟利益。本文提出的一種基于大數據分析的電能表故障激發方法只是一種的初步嘗試,不僅可以應用在電能表的現場故障分析和激發試驗工作中,也可以應用在電能表的驗收測試評價工作中。