一起单相电能表故障的实验分析

2013-10-08沈孝贤

浙江电力 2013年9期

陆艳，沈孝贤

（嘉兴电力局，浙江嘉兴 314000）

嘉兴电力局2009年开始推广使用智能电能表，目前已实现了城区的全覆盖。嘉兴电力局客户服务中心计量组收到抄表员反映，在现场核抄时候发现一户空置房屋的电能表上的灯闪烁得很快。根据检定规程对该表进行了计量检定，误差在规定范围内，在用红外掌机抄见电量时发现表计存在一定量的反向有功电量，为探讨这一现象，在征得用户同意后取回进行了实验分析。

1 实验过程

首先将白炽灯和电源接入电能表，用万用表测量电源电压为225.1 V，200 W白炽灯的负载电流为0.888 A。操作电能表按键液晶上显示电流为0.853 A，运行数10 min后，电流数次出现-12 A左右的波动，与所接的负荷性质不符。

切断电源后将电能表表盖打开，检查计量芯片的引脚焊接，发现在电路板上存在部分助焊剂残留物，使用酒精清理后用电吹风机将残留部位吹干，再次接通电源观察30 min后，未再出现反向电流的情况。

为进一步观察是否已解决电流采样波动的问题，将电能表和白炽灯带电运行15 h，电量显视见表1所示。电能表在17 h中依然产生了反向电量，可见清理了助焊剂残留物后仍未排除故障。

表1 电能表带负荷运行17 h的示值 kWh

为找到故障主因，用绝缘材料将主电路板垫高，在带电情况下，用镊钳分别拉动锰铜采样线，发现在拉动黑色和绿色线时，电能表明显出现了反向电流的现象，电流上升至-24.54 A，此时，零线电流检测显示为-0.855 A，证明是火线取样回路中存在问题导致取样电流激增，并产生了反向电量。

2 单相智能电能表的采样回路

智能电能表工作时，电压、电流（包括零线电流）通过取样（电压可以通过电阻分压器，电流通过锰铜分流器取样），转换为采样信号通过滤波处理后送入计量芯片，计量芯片将电量信号转化为脉冲信号送到 CPU进行电量脉冲采集、电量累计和各项计算分析处理，其结果保存在数据存贮中；同时CPU完成安全认证、红外、485抄表、LCD显示等功能处理。单相智能电能表原理框图见图1，显然电流回路的误差来源主要在电流采样器。

图1 单相智能电能表原理框图

由于具有阻抗值小（一般为几百微欧）、线性好、无相位误差、无磁饱和、体积小成本低的优点，一般单相电能表都采用锰铜电阻取样的方式完成电流回路采样，电流采样回路有缺陷会使电能表计量误差超差。

图2 锰铜采样电阻与接线

3 采样回路阻值变化来源

3.1 锰铜分流器电阻的变化

锰铜分流器的3个输出引脚最左为基准点，另两个是采样点，实物及接线见图2。

如图2所示，锰铜片联接在电流进线接线端钮上，电流流过锰铜分流器，在黑色和绿色引线之间由于存在电阻，会形成两个不同的电位而获得电位差（电压），从而将电流信号转换为电压信号。取样信号分别经过R1与R2限流，C1，C2，C3滤波和移相位，最后送入计量芯片的V1P和V1N引脚。常规使用的锰铜分流器取样的电阻一般以μΩ为单位，所以获得的降低倍数为分流器电阻值的倒数。以350 μΩ的分流电阻为例，则取样降低倍数为1/350 μΩ=2 857倍。

一般采样线与锰铜片之间采用碰接的工艺，连接性能良好，但需要先对采样线的铜芯线安装转接线夹。由于线夹只能采用压接的方式，如果压接时力度不够、压入线皮或采样线本身虚焊，存在导线芯断裂、开路等情况将引起接触不良。接触电阻的增加会使电位漂移、电位差增加从而无法将电流按正确比例转换为电压信号。另一方面，由于单相电能表通过测量电流与零线电压的相位夹角来获得功率因数，从而判断电流与功率方向，正如实验案例中所示那样，电位飘移后不仅在电流取样上产生了很大的误差，同时电流方向判断错误，使正常使用产生的正向电量被计入电能表的反向值内。

采样电阻和电容存在一定范围内的温漂，即在温度改变时阻抗值有一定的变化。一般精密电阻的精度达到0.1%，温度系数达到2×10-4/℃以内。如果采用质量低劣的电阻或电容，不仅无法确保精度，而且容易被外界环境所影响，甚至会出现电阻开路、电容击穿的情况。

3.2 工艺质量引起阻值

除了选择优质的元器件变化外，还需要加强装配工艺的控制，常见的问题主要有：计量芯片采样用的电阻、电容及计量芯片引脚虚焊或搭锡，引起采样信号变化。如果计量芯片的V1P和V1N引脚的焊锡丝过多，直接引起电流短接，无法将取样电流送入计量芯片。如果电压采样地引脚的引脚虚焊，则相当于零电位漂移，无法正常取样电压值与相位角度，在功率方向判定上出现错误。

贴片电阻或贴片电容在焊接工艺上采用波峰焊。线路板经过预热后，通过传送带进入波峰焊机，经过助焊剂涂敷装置进行预热后逐渐提高温度，使助焊剂活化，蒸发可能吸收的潮气或载体溶剂，焊面与高温液态锡接触焊接。

在波峰焊的过程中如果助焊剂中杂质含量多，则在预热过程中无法挥发；达不到预热温度则容易发生电路板表面有残留或引脚腐蚀的情况。焊锡中杂质超标、助焊剂活性不够，走板速度与预热配合不好，会导致虚焊、漏焊或连焊。波峰焊后如果没有清洗干净助焊剂等残留物，在受潮后阻抗值会发生变化，同样会引起采样信号变化。

在电路板自检后，一部分存在缺陷的电路板需要通过人工焊接的方式修复补偿，一般贴片元器件有一定的焊接温度，如果温度不够，将引起虚焊，温度过高将直接造成贴片元器件的损坏，多次焊接也会造成焊点的脱落。

根据校表经验，贴片电容故障会造成基本误差在功率因数感性0.5或容性0.8时超差，如果贴片电阻故障，则基本误差均在功率因数1.0时超差。

虽然智能电能表的生产工艺大量采用了自动化设备，但在最后组装时还需要依赖人工。如果装配工人没有按照规定安装，易造成元器件挤压损伤，在运行一段时间后引起阻值或容值变化，引起采样信号变化。例如：由于锰铜片的顶针距离电压采样回路的1k电阻距离较近，在发生机械撞击损伤后，会造成电阻应力损伤，在一段时间后发生阻值变化，造成误差超差。