基于碳化硅电源的双芯智能电能表的可靠性测试研究

刘型志,魏长明,田娟,李松浓,王蕊 ,盘秋荣

(1.国网重庆市电力公司营销服务中心, 重庆 401121; 2.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 401123;3.武汉盛帆电子股份有限公司, 武汉 430200)

0 引 言

我国在2009年发布了智能电能表的一系列标准,之后,国家电网依据此套标准在2009年招标了第一批智能电能表,从这个时候开始,我国的智能电能表正式进入每家每户,智能电能表在计量精度、抄表便利性等带来了突破性的进展。随着十多年的发展,早期智能电能表的标准已经无法满足现在的要求,并且早期电能表的寿命已经到期,急需要更换新表,基于以上的原因,国家电网依据国际法制计量组织(OIML)发布的IR46标准提出了双芯智能电能表的想法[1-2]。双芯智能电能表由于功能的增加,导致表计需要提供的功耗比现行智能电能表大的多。由于线性电源具有可靠性高、成本低等优点,所以现行智能电能表内部的电源方案基本采用的是线性电源。然而线性电源的效率低、体积大等缺陷已经无法满足双芯智能电能表对电源的要求,相比与线性电源,开关电源具有效率高、体积小等优点,非常适合双芯智能电能表的电源方案。由于智能电能表运行的环境复杂,对电源的可靠性要求非常高,所以如何保证开关电源的可靠性运行是重点。

相对于传统硅器件而言,碳化硅SiC器件具有更高的耐压、更低的导通电阻、耐高温、开关速度更快、可靠性更高等诸多优点[3-5]。将碳化硅MOSFET应用到开关电源中,可以有效地提高开关电源的可靠性,从而将基于IR46标准的双芯智能电能表与碳化硅开关电源进行有机融合起来,推动电力二次设备的技术升级,有效降低智能电网运行成本和维护成本,为建设坚强智能电网提供基础支撑[6]。由于基于碳化硅电源的双芯智能电能表是新技术在工程领域特别是电力用电行业的重要尝试,目前还没有建立完备、成熟的可靠性检测方案及评价体系,因此基于碳化硅电源的双芯智能电能表的可靠性及检测技术的问题尤为突出[7-8]。

文中从电能表运行环境出发,研究与电能表可靠性相关的各种过应力,用实验的方法模拟出各种过应力可靠性测试。

1 双芯智能电能表介绍

双芯智能电能表为实现IR46中法制计量部分与非法制计量部分相互独立的要求,采用“计量MCU+管理MCU”的双芯独立模组化设计[9-10],对法制计量部分进行有效的软硬件的安全防护,同时兼顾下一代国网电能表的新需求,对现有智能表的技术方案进行大幅升级改造。双芯智能电能表主要由计量芯模块、管理芯模块、电源模块三大部分组成,其整体设计方案如图1所示。

图1 双芯智能电能表整体设计方案

第一部分表示计量模组,表计的核心部分,主要承担电能计量任务,以及计量特性防护功能等,除与管理芯之间的SPI通信接口外,为用于法制数据的上传与溯源,还具备独立的RS485外部通信接口[11],其中计量部分不能进行软件升级,主要功能电路包括：采样电路、计量芯片、ESAM、计量芯MCU、EEPROM、FLASH、RS485、时钟电路、电源管理、脉冲输出等。

第二部分表示管理模组,承担整表的管理任务,除具备目前国网营销业务要求的基本功能外,还负责对其它模组的数据分发和管理,主要功能电路包括管理芯MCU、上下行模块、扩展模块、蓝牙、红外、抄表电池、ESAM、显示、按键、存储等。为保证计量芯与管理芯相互独立,两者采用物理分离机制,通过SPI接口进行数据交互。

第三部分是系统电源,在电网复杂供电环境下,电源系统要求具有优良的输出精度指标和效率指标,还要面对多路低压、高精度、大电流的供电回路使用要求,具有较低的纹波噪声水平,高可靠性的环路特性,优异的MTBF(平均无故障时间)指标,以保证电源系统达到适应电力应用的高性能电源系统要求。

对于电力系统常规输入电压(AC85 V～265 V)的小功率开关电源应用,综合效率及成本,采用反激式拓扑最为常见。传统硅材料开关管的耐压等级通常为650 V、700 V和800 V,而对于三相应用来说,考虑到变压器的反射电压及漏感和设计余量,传统器件耐压等级完全无法满足要求。若单纯采用一个高压开关器件,如1000 V或1200 V以上的功率开关器件,可挑选余地不大,且成本也较高、可靠性差。而碳化硅材料具有耐高压、耐高温特性以及基于碳化硅材料研制的开关电源具有较宽的输入电压范围,可以有效解决上述问题。

为此,采用基于碳化硅MOSFET电源管理芯片应用到双芯智能电能表开关电源的设计中,而基于碳化硅器件的高功率电源管理芯片,主要实现以碳化硅为功率器件的电源系统的管理和控制。相比传统硅材料电源来说,碳化硅材料开发出的开关电源在相同设计功率下所用变压器尺寸小、稳定性强,可实现更宽的输入电压范围、获取更高的转换效率、抗干扰能力强、耐高温等特点。

2 电能表应力环境分析

电能表的输入端连接交流供电电网,输出端连接用户负载,由于交流供电电网的电缆连接着各种负载,并且裸露在空气中,所以电网上耦合了各种电信号。表计安装的现场非常多样,有安装在室内,也有安装在室外,有安装在炎热的南方,也有安装在严寒的北方,从早期表计的运行情况看,电能表运行的应力环境主要包括：电应力、温度应力、气候应力。电应力主要包括：浪涌、谐波干扰、高压输入、电磁干扰、外部恒定强磁场干扰、过电流等;温度应力主要包括：高温应力、低温应力;气候应力主要包括：湿度应力[12]。

2.1 浪涌

根据电能表安装环境,电能表承受的浪涌应力主要包括：快速瞬变脉冲群、静电和雷击浪涌[13]。供电电网上的一些大型电机设备启停、电网开关的拉合闸、感性负载设备故障等都会在供电电网线上产生脉冲群,脉冲群通过电网线耦合到电能表,这类干扰的特点是：成群出现的窄脉冲、陡峭的上升沿、能量集中、较高的重复频率等,对智能电能表的供电端口和数据输入输出端口有较大影响,容易引发电能表死机或计量故障;同时,我国长江以南每年都会出现大量的雷雨天气,雷击产生的浪涌容易耦合到供电电网上,雷击产生的浪涌信号具有电压高、能量高等特点,一旦耦合到电能表中,电能表很容易出现爆炸、烧表等严重的故障;另外,电能表在生产和使用过程中无法避免周围环境中的静电电荷或者人体携带的静电电荷,一旦进入电能表,会造成敏感元器件的损坏,导致电能表出现异常故障。

2.2 谐波干扰

电能表在现场运行环境中不可避免受到电力系统中的谐波干扰：一方面,用户端使用劣质的电器,比如：电动汽车充电器等,这类非线性用电设备的使用很容易导致电网的波形畸变,使电网中出现谐波干扰;另一方面,供电系统本身从发电厂通过一系列变电站逐步降低至家用电压等级的输配电过程中,诸如变压器、电容器、电抗器等非线性元件的大量使用,也会引入谐波问题。对电能表而言,电网中谐波引起的电压电流波形畸形均会带来计量误差,且碳化硅高频开关电源变压器更易受谐波干扰出现磁滞或涡流现象,使之承受的电应力增大,局部开始发热,噪音增加,从而加速器件的老化[14〗。当谐波干扰超出电能表可承受范围时,甚至出现烧毁等严重情况。因此,有必要采取相关有效的检测手段来评价双芯智能电能表抗谐波能力。

2.3 高压输入

当变电站出现问题时,电网会出现短时的高电压,或者变电站中三相的降压变压器,突然一相或者二相出现故障,导致三相变压器失去平衡,这样有可能会导致剩余的几相电压突变的很高,严重的会超过380 V以上,最终都会造成电能表输入电压过高,当超过开关电源中MOS管和电解电容耐压时,就容易被高压击穿或烧毁,造成电源无法正常工作。因此,开关电源中的碳化硅MOS管和电解电容耐压值应作为智能电能表抗高压损坏的重要指标。

2.4 电磁干扰

智能电能表安装使用环境多种多样,使用过程中容易遭受到各种电磁干扰,从传播途径分为：传导干扰和辐射干扰。传导干扰主要是指干扰信号通过电力线直接干扰到电能表;辐射干扰主要是指干扰源通过空间辐射干扰到电能表。电力线上连接的其它开关电源、充电桩、高频电力设备等是主要产生传导干扰源设备。这类设备产生的干扰频率高,通过电力线可以传输很远的距离,很容易耦合到电能表中。另外,无线电广播电台、手机、无线基站等设备在空气中发射着各种电磁波,电磁波是辐射干扰的主要干扰源,这种干扰容易引起电能表的运行稳定性。

2.5 外部恒定强磁场干扰

有一些非法人员用永久磁铁靠近电能表,使得智能电能表受到外部恒定磁场的干扰,电压/电流采样互感器幅值和相位发生改变,进而导致电能表的计量不准确。另外,开关电源中变压器受外部磁场影响时,会有磁感应线穿过变压器,使变压器的涡流损耗增加,导致内部温度升高使过热保护装置动作,最终导致电能表黑屏或死机。同时,恒定磁场还会对液晶屏和负荷开关产生影响,造成负荷开关误动作、液晶屏无法正常显示等诸多故障。因此,双芯智能电能表需具备抗外部恒定强磁场干扰能力。

2.6 过电流

新一代双芯智能电能表支持多元化高速通信,至少包含3种模块,包括：上行通信模块、下行通信模块以及扩展通信模块。这些模块都是从电能表上取电,而通信模块在运行中较易出现一些故障,比如死机、不停发送数据等,这会导致通信模块会出现短时间的大电流或者短路等过电流现象,可能造成电能表黑屏、无法计量等。因此,检测双芯智能电能表时,应重点关注通信模块出现短路或者过流输出时,是否影响法制计量部分功能。

2.7 高温、低温、湿度

电能表安装的地区各种各样,有极冷的北方,也有炎热的南方,也有高湿度的沿海地区。对于安装在户外的电能表,这会导致电能表所处的气候更加的严酷。在低温的环境中,电能表的电容、电阻等元器件性能会出现严重的下降,这会导致电源的纹波、电压、输出电流等性能变差,电能表设计不当,会导致电能表工作出现异常;在高温高湿的环境下则容易加速元器件老化,随着电能表运行的时间,电能表的性能也会下降;在湿度高的环境下,元器件的漏电流急剧增加,如果设计设计不当,还会导致局部电路短路,严重影响表计的正常工作[15]。

3 检测方案

为解决新标准和碳化硅开关器件新技术带来的可靠性试验缺乏标准的问题,根据以上的运行环境分析,在研究新一代智能电能表各项应力的基础上,制定出各项检测方案,主要包括：浪涌试验、谐波干扰试验、高压输入试验、电磁干扰试验、外部恒定强磁场干扰试验、接口异常输出试验、高温试验、低温试验、交变湿热试验。

3.1 浪涌试验

浪涌试验主要包括：雷击浪涌试验、静电试验、快速瞬变脉冲群试验。

雷击浪涌主要模拟的是感应雷击浪涌,感应雷击的强度一般主要与雷击点的距离和雷云对地放电电流有关,当电力线或电能表与雷击点距离大于75 m时,雷击的感应电压可以大致为U=25I/L,I为直接雷电流,L为电力线或者电能表对地的高度,表计一般安装在表箱内,所以雷击感应主要还是通过电力线耦合到电能表,感应雷击的电压在电力线上形成的电压一般低于6 kV,结合《GB/T 17626.5-2019 电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》试验标准,雷击浪涌的试验试验方法可以采用标准的试验方法,试验电压可以提高到6 kV。

静电试验主要模拟人体静电对表计的损伤,表计受人体静电的攻击主要出现在生产、安装、维修、插卡购电等环节,电能表的静电试验与大部分电子产品相同,参考《GB/T 17626.2-2018电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》即可,试验直接放电的静电电压为8 kV,空气放电的电压为12 kV。

快速瞬变脉冲群主要由感性用电设备的启停和供电系统异常引起的电压剧烈波动,前者产生的电压大概在电网电压的3～5倍,后者产生的电压大概在4～6倍,电压信号一般为正负脉冲,振荡频率可以高达2 MHz。由于电能表安装在电力线上,电能表会经常遭受快速瞬变脉冲群的攻击,所以快速瞬变脉冲群试验是可靠性测试中非常重要的试验。试验方法可以参考《GB/T 17626.4-2018 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》,考虑到试验的重要性,电压强度需要提升20%,试验电压为4.5 kV较为合适。

浪涌试验的检测方案如表1所示。

表1 浪涌试验检测方案

3.2 谐波干扰试验

我国供电的电网电压的频率为50 Hz,正常情况下的电压波形为正弦波,当正弦波的波形畸变时,波形将会由基波信号和谐波信号叠加组成,电网中最常见的畸变波形主要有：90°相位触发波、方波、尖顶波[16]。波形图见图2～图4。

除了以上波形,现场使用过程往往还有更加复杂的谐波波形,这些波形没法预测,如果只是模拟上面3种波形,很难覆盖其它的谐波干扰,如果使用单次谐波,而通过测试多种频率的单次谐波,可以有效地覆盖其它的谐波信号[17],单次谐波的波形如图5所示。

图2 90°相位触发波形

图3 方顶波波形

图4 尖顶波波形

图5 单次谐波波形

对于测试的最高谐波次数,根据现场的情况,由于电力线对高频的信号衰减很大,所以对于高次谐波信号一般都比较弱,测试到100次谐波即可;对于最低的谐波次数,表计对工作频率有一定的范围,500 Hz以下的信号基本都能正常工作,所以低次谐波测试到10次即可,谐波干扰的测试方案如表2所示。

3.3 高压输入试验

我国单相用电的电压为220 V,三相用电的电压为380 V。以单相电为例,高压的输入主要存在以下两个方面：一、单相在用电高低峰时期,电压会存在一定的波动,在用电低峰的时候,电压最高,一般最高电压不会超过265 V;二、零线误接到其它火线,导致相电压变线电压,电压将会达到380 V,考虑到线电压的波动,所以最高电压将会达到380 V的1.1倍,大约为420 V。高压输入试验的检测方案如表3所示。

表2 谐波干扰试验检测方案

表3 高压输入试验检测方案

3.4 电磁干扰试验

电磁干扰试验主要包括两个试验：无线电辐射干扰试验、传导干扰试验。无线电辐射干扰试验主要参考《GB/T 17626.3-2016 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》;传导干扰试验主要参考《GB/T 17626.6-2017 电磁兼容 试验和测量技术 射频场感应的传导骚扰抗扰度》,电能表按照以上的标准,接入正常电压,在电磁干扰的环境下,表计需正常工作,精度不应该受到影响,且满足精度等级要求。

3.5 外部恒定磁场试验

外部恒定磁场试验主要验证电能表在恒定磁场环境下,是否受到影响,外部恒定磁场干扰主要来源非法人员使用永久磁场放置在电能表附件,根据市面上永久磁铁的磁场强度,此试验的磁感应强度为300 mT±30 mT,具体的方法步骤如表4所示。

表4 外部恒定磁场试验检测方案

3.6 接口异常输出试验

接口异常输出试验主要是验证电能表各通信接口功能,当发生输出异常包括过流输出和短路输出时,是否会影响电能表正常工作,具体测试方法如表5所示。

表5 异常输出试验

3.7 高温、低温试验

由于部分表计会安装在室外,在一些高温地区,炎热的夏天,太阳会直射到表箱上,加上表箱是铁制品,非常容易传热,所以表箱的温度会非常高,高温可以高达60 ℃;在一些北方的低温地区,寒冷的冬天,室外的温度可以达到-25 ℃以下。对于试验方案温度,考虑到一些极端的环境,高温测试温度定为70 ℃,低温定位-40 ℃,高低温试验检测方案如表6所示。

表6 高低温试验检测方案

3.8 交变湿热试验

交变湿热试验主要参考《GB/T2423.4-2016电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Db：交变湿热(12 h+12 h循环)》标准,试验的条件如下：

a)表计接入基准电压和电流;

b)试验上限温度：+55 ℃±2 ℃;

c)不采取特殊的措施来排除表面潮气;

d)试验持续时间： 6个周期。

试验结束后,电能表应立即正确工作,精度满足等级要求。试验结束后24 h,应对电能表进行以下试验：绝缘试验和功能试验,电能表应正确工作,不出现任何可能影响电能表功能特性的机械损伤或腐蚀的痕迹。

4 结束语

文中研究的基于碳化硅电源的双芯智能电能表,为新技术在电力系统中的首次尝试,建立有效可靠的可靠性检测具有十分重要的意义。文中给出了双芯智能电能表的总体方案设计,根据现有智能电能表运行环境,同时结合碳化硅开关电源和双芯智能电能表特点,进行各项应力分析,给出了其可靠性检测方案。

文中的可靠性检测方案为基于碳化硅电源的双芯智能电能表的可靠性检测具体实施提供了有效合理的解决方案,具有十分重要的指导意义,但还需进一步研究,以大量测试数据为依托,结合电能表各种表型特点、成本和可行性考虑,以确定整机的可靠性细化指标,分析、合理分配和估算重要元器件,以对可靠性指标进行有效地控制,提高整机产品可靠性,更好地发挥碳化硅器件开关电源用在双芯智能电能表上的效率更高、抗干扰能力更强等突出优势,有效降低智能电网运行成本和维护成本。