智能电能表计量故障分析及处理措施

智能电能表计量故障分析及处理措施

黄锦荣

广东电网有限责任公司中山供电局 广东中山 528400

摘 要:本文主要分析智能电能表计量常见故障原因，通过一起计量故障案例进行分析，找出了故障原因，并提出了有效的处理措施,希望能够为同行业工作人员提供相应的参考价值。 

关键词: 智能电能表; 计量故障; 电压；处理措施

引言

随着社会经济建设的持续发展，经济建设水平在不断提高，信息技术和智能化时代背景下，人们对于电力能源的需求量也不断提高，由于电力系统不断进行升级和换代，其中电能计量装置也存在着较大的更新，我国很多电力系统主要采用智能电能表对电能进行测量，其存在较多的优势，智能电能表的应用过程中，计量故障类型繁多，危害极大。下文分析了智能电能表四大故障原因。

1 故障原因分类

从对故障表鉴定的实例中来看，引起电能表计量异常的原因主要有软件故障、硬件故障、制造工艺以及现场工作质量和窃电等方面。

1) 软件故障引起的计量异常主要包括两种。

一是供应商进行软件校表时，电流增益、电压增益、相位补偿等计量芯片中用于电量计算的参数设置错误，导致输出的电压、电流、功率与实际不符。这类故障通常在出厂检测时能发现，如果供应商未按要求对每块表进行的出厂检测，这类故障表将会流向各省强检定线，从全检的基本误差检测项目中发现，并作为不合格产品退货。二是计量芯片和 MCU 没有抗干扰设计，计量芯片死机或计量芯片与 MCU 进行通信时受到外界干扰，以及 MCU 对存储芯片 ( 如 EEPＲOM) 进行写数据时受到干扰或瞬间断电，导致电量丢失或电量存储错误。这类故障表重新上电后一般恢复正常，难以复现。

2) 硬件故障引起的计量异常。主要包括三方面。一是元器件质量不佳，常见于元器件技术参数不满足电能表技术要求，在极端环境下运行后，元器件电气性能改变，元器件加速老化。二是安装有质量问题的元器件，如在电压、电流采样，基准电压电路安装已损坏的高频滤波用贴片电容，造成电压、电流、功率示值异常; 晶振不稳定或晶振串联的杂散电容损坏，造成计量芯片不启动。三是硬件抗干扰性差。PCB 设计应采用强弱电分开，来消除数字信号回路的电磁干扰; 区分数字信号与模拟信号、数字地与模拟地，防止相互串扰; 计量芯片外接晶振引线应尽量短等，如果电路板不满足这些PCB 设计原则，电能表就不能很好的抑制干扰源。

3) 制造工艺引起的计量异常。主要包括四方面。一是分压电阻、锰铜分流片两端引线、采样回路、外接基准电压回路滤波用的贴片电容虚焊，造成输入到计量芯片的采样值不正确，或者计量芯片用于 ADC 的基准电压不正确，都会引起计量芯片电能量计算不准确，同时会引起电压、电流、功率示值异常。二是生产过程中电路板清洁不到位，残留的锡渣未清理赶紧，造成引脚短接，比如晶振引脚短接会引起计量芯片不工作，基准电压引脚与接地引脚短接会引起电压电流示值均不正常; 三是生产过程中损坏元器件。电能表生产环节包括贴片、回流焊、波峰焊、清洗、人工焊、检测、三防、烘干、装配等，其中装配环节属于人工流水线，人员不熟练或操作不规范，容易误碰电路板元器件，造成元器件损伤。四是电路板三防措施不到位。电路板三防包括防潮、防盐雾、防霉，主要通过喷涂三防漆实现，使用的三防漆质量差或配比不正确、喷涂环境不满足要求或喷涂前未进行干燥都会引起三防措施失效。电能表置于潮湿环境中易短路烧坏元器件或芯片。

4) 现场工作质量和窃电造成计量不准。现场工作质量包括电能表接线错误，造成电压电流反相; 不同用户的进线集中布线，产生感应电流，造成电表走快和潜动; 批量安装过程中，电能表串户造成计量不准等。窃电引起的计量不准常见有短接电流端子、改变电压采样电阻阻值等。

2 计量异常故障案例分析

某电表厂生产的单相智能电能表现场运行时曾发生电压突然增高，电表飞走的故障。经现场排除无接线问题、无电磁干扰、无窃电痕迹。除电压突高现象外还出现电表潜动现象。现场拆回到实验室进行鉴定。加 220 V 电压后，屏幕显示的电压是785. 7 V、火线电流 0. 113 A、功率 0. 088 kW。按额定电流，功率因数 1. 0 对故障表进行基本误差试验，误差达到 3 575%。电压突增导致电表飞走，且电能表电压短时间会稳定在一个数值，改变环境或进行移动后，电压数值有变化，推断设备硬件故障嫌疑大。

排查影响电压异常的几个方面: 分压电阻到计量芯片电路、基准电压电路。即测量分压电阻、分压后电压值、基准电压外部引脚接地回路。发现基准电压外部引脚接地回路 C18，C19 贴片电容在电路板上的阻值异常，从图 1 看出正常情况阻值为∝，而测量得到阻值为 463 Ω，说明 C18，C19 至少有一个贴片电容已击穿。

图 1 计量芯片电路板接线图

将故障表 C18，C19 电容更换成正常电容，并且电表加入220 V电压，测量 ＲEFV 引脚电压恢复至 1. 25 V，显示电压 220 V。电能表恢复正常。C18， C19 贴片电容位于计量芯片(RN8209C) ＲEFV 外接基准电压引脚与 GND 之间。起到去耦作用，防止外界干扰进入计量芯片，以确保基准电压稳定。从图 2 RN8209C 计量芯片内部原理图可知，采样电压、电流进入计量芯片后，经过 ADC 时，需要接入基准电压进行模数转换，再经过 DSP 处理器，计算出计量的数据。电能表经过校准后，基准电压为 1. 25 V。接入 220 V电压时，经过分压、滤波电路，输入到模数转换模块的信号约 0. 3 V，经过模数转换及校表系数的修正，得到数值 2 200，即 220. 0 V。当故障表基准电压因发生硬件问题变为 0. 35 V 时，输入电压为 220V，模数转换前端的信号还是 0. 3 V，而因基准值变小，得到的数据值会增大 1. 25/0. 35 倍，因此，按照校表系数计算后，得到的数值是 7 857，即785. 7 V，产生超大数据。

REFV 引脚器件发生损坏，拉低了基准电压，相对得出的信号数据就会变大。造成电压数据超大现象。

图 2 计量芯片内部原理图

外接退耦电容短路，没有起到退耦的效果时，会产生基准电压不稳定，也会带来电能表潜动、计量数据 ( 电压、电流、功率等) 偏差。

进一步对元器件供货、贴片、回流焊、波峰焊、人工焊、装配、出厂检测环节进行了调查，发现问题出在装配环节，由于 C18，C19 电容在电路板边缘，个别新工人不规范操作造成工作失误，碰撞 C18，C19 电容，使电容发生破损， C18，C19 电容在电路板上的位置。

3 处理措施

进一步分析故障产生的原因，可改进的措施，一是在出厂检测和计量中心强制检定的过程中发现基准电压异常; 二是从源头上杜绝此类故障的发生。

1) 贴片电容自身体积很小，外力损坏产生的裂纹也极小，需要扩大到一定程度才能失效。电表上电后，贴片电容两端具有压降，产生的热效应会导致裂纹扩大，且运输或其他振动时也会导致电容裂纹扩大或缩小，所以产生电压突增值不定，和时好时坏的现象。此类故障最大的危害就在于能躲过出厂检测和强检，因此需要从源头上杜绝此类故障发生。

2) 改进检测电表硬件可靠性试验的方法，比如增加潮湿或高温环境下过压或过流试验，筛选出计量芯片周围存在故障隐患电能表。现在国内个别厂家开始研究多应力可靠性试验平台，我国电测行业也对电能表质量一致性和可靠性试验提出了要求。

4、结束语

电能计量装置的正常运行是保障计量工作准确可靠的基础，随着智能电表的应用，极大地提升了计量准确性，供电企业应该秉承学习态度，吸纳先进的维修技术和维护理念，应用信息化监测系统，提高技术人员的能力水平，使其能够全方面保障电能计量装置的安全可靠运行。

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