陳 亮，黃友朋，路 韜，黨三磊，張 捷，何勝宗

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

目前國網(wǎng)省公司已經(jīng)基本普及了智能電能表[1],在線運行電能表總量已經(jīng)突破5 億,各業(yè)務(wù)系統(tǒng)均積累了豐富的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)[2-3]。然而,由于產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性問題,每年暴露出現(xiàn)故障的比例和數(shù)量也相當龐大。通常,在現(xiàn)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(shù)手段。這些技術(shù)方法一定程度上能夠快速發(fā)現(xiàn)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(xiàn)或者難以定位的電能表,即現(xiàn)場發(fā)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(xiàn)象消失而無法定位故障點,即所謂的不可復現(xiàn)故障。不可復現(xiàn)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(tǒng)的方法是利用電能表自動化檢定系統(tǒng)流水式對表進行故障定位及報警[7-8],這類系統(tǒng)一定程度能準確定位發(fā)生故障的表位并進行報警,但是并不能對未復現(xiàn)的故障表開展定位。

鑒于此,利用現(xiàn)場積累的大數(shù)據(jù)以及運用先進的技術(shù)方法和手段,對新批次電能表或者不可復現(xiàn)故障電能表開展故障激發(fā),暴露產(chǎn)品潛在的缺陷和薄弱環(huán)節(jié),提前發(fā)現(xiàn)電能表在使用現(xiàn)場可能出現(xiàn)的故障,或者恢復現(xiàn)場故障現(xiàn)象,從而可以避免或降低后期運行過程中出現(xiàn)批量故障的風險,找出引起現(xiàn)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(nèi)容[9-10]。

本文結(jié)合電能表現(xiàn)場運行大數(shù)據(jù)以及可靠性工程的實施經(jīng)驗,以電能表現(xiàn)場運行過程中收集、分析得到的各種數(shù)據(jù)和故障表的失效機理為核心,通過總結(jié)分析電能表主要的故障模式、失效機理以及工作微環(huán)境特征等各種數(shù)據(jù),分析、總結(jié)電能表的主要缺陷類型和敏感應(yīng)力[5]；同時,分析電能表的環(huán)境剖面和任務(wù)剖面大數(shù)據(jù),借助于故障發(fā)生的現(xiàn)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(xiàn)激發(fā)方法,同時結(jié)合實際評價案例,給出了具體方案的實施方法和應(yīng)用效果,為電能表的驗收評價、現(xiàn)場故障分析和大批量電能表管理提供了一種有效的技術(shù)手段。

1 基本原理及方法

1.1 電能表結(jié)果

智能電能表是集電量測量、通信、處理控制、數(shù)據(jù)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(tǒng)的機電式電能表相比,它的優(yōu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖

1.2 故障激發(fā)原理

故障激發(fā)試驗[12]與傳統(tǒng)的可靠性評價試驗[13-14]目的有所不同,電能表故障激發(fā)的目的在于通過各種特定試驗激發(fā)產(chǎn)品在測試、驗收、現(xiàn)場運行使用等過程出現(xiàn)或復現(xiàn)與機械、溫濕度、化學、電磁等應(yīng)力相關(guān)的故障,從而暴露產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計、物料選型、生產(chǎn)制造、應(yīng)力防護方面的缺陷和薄弱環(huán)節(jié),降低電能表安裝使用后出現(xiàn)批量故障的風險,也有助于產(chǎn)品開展故障分析和質(zhì)量可靠性改善工作。

1.3 故障激發(fā)對象

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

(1)實際工作極限與設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷,如開關(guān)電源電路設(shè)計缺陷、PCB 布局不合理；

(3)所使用的物料存在缺陷,如穩(wěn)壓二極管內(nèi)部芯片側(cè)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(huán)境應(yīng)力的適應(yīng)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(huán)境應(yīng)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(nèi)部所使用的如電池、LCD 顯示屏,其環(huán)境適應(yīng)性相比于其他元器件相對脆弱,易受環(huán)境溫濕度影響,需要在激發(fā)試驗過程中特殊對待。通常,電能表內(nèi)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(xiàn)電解液揮發(fā)、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(yīng)當先將電池拆卸[18]。如果涉及電池本體缺陷的故障激發(fā),則需要單獨對電池進行工作溫度范圍內(nèi)的試驗激發(fā)。另外,LCD 的典型工作溫度范圍是-20 ℃～＋70 ℃,當激發(fā)試驗的環(huán)境溫度超過工作溫度范圍后,就會出現(xiàn)支架形變、黑屏等故障,這些故障是由于超過材料本身應(yīng)力局限導致的,應(yīng)當予以排除。

2 失效機理及數(shù)據(jù)分析

2.1 主要失效模式、機理統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析

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

(1)到貨后全檢驗收統(tǒng)計結(jié)果分析

根據(jù)統(tǒng)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(xiàn)是主要不合格項目,分別占39%、24%、15%、10%。據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲、載波模塊、電池等為電能表的主要出廠檢驗發(fā)現(xiàn)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(xiàn)場運行故障統(tǒng)計分析

根據(jù)2018 年某地區(qū)智能電能表運行故障統(tǒng)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(jù)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(tǒng)計數(shù)據(jù),結(jié)合智能電表的電路設(shè)計原理,對電表故障類型和電路模塊的關(guān)聯(lián)情況匯總,見表1 所示。

表1 電表故障類型和電路模塊的關(guān)聯(lián)情況匯總

2.2 工作微環(huán)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(zhì)電表箱保護。通常,電能表內(nèi)部工作微環(huán)境主要考慮空氣溫度和濕度。根據(jù)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(yīng)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(huán)境溫度為40 ℃時不應(yīng)超過25 ℃。然而在實際情況下,可能存在部分電能表由于環(huán)境溫度過高以及自身滿負載工作導致電能表內(nèi)部局部出現(xiàn)較高溫度的現(xiàn)象。

2.3 主要缺陷和敏感應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

引起產(chǎn)品現(xiàn)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(jù)分析結(jié)果電能表主要現(xiàn)故障模式,總結(jié)影響電能表薄弱環(huán)節(jié)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(xiàn)。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(huán)境應(yīng)力,明確了各風險點與溫度、濕度、電應(yīng)力、機械應(yīng)力及鹽霧等應(yīng)力之間的相關(guān)性。

表2 電能表薄弱環(huán)節(jié)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(shè)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(nèi)部電路進行詳細的風險分析,明確主要元器件、電路節(jié)點的薄弱點,并設(shè)計一定的特殊應(yīng)用工況激發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部元器件出現(xiàn)相應(yīng)的故障現(xiàn)象。通常,需要從元器件應(yīng)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(yīng)用可靠性測試。

3.2 基于結(jié)構(gòu)和材料缺陷的工藝分析

電能表組裝工藝質(zhì)量是影響電能表的應(yīng)用可靠性的重要內(nèi)容,也是導致現(xiàn)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(nèi)部電路板進行組裝工藝外觀檢查、關(guān)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(fā)現(xiàn)此類工藝缺陷。

電能表的組裝工藝質(zhì)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(huán)境綜合應(yīng)力的試驗激發(fā)

電能表安裝后需要長期運行,必須考慮長期持續(xù)的氣候環(huán)境對可靠性帶來的影響。結(jié)合電能表的使用環(huán)境,主要考慮以下幾種環(huán)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(chǎn)品由潮氣導致的相關(guān)失效,如:①PCB 的過孔間可能出現(xiàn)導電陽極絲現(xiàn)象；②接線端子、錳銅片出現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)歷局部工作發(fā)熱后,可能出現(xiàn)凝露、水膜等現(xiàn)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(chǎn)品在存儲或工作條件下由于持續(xù)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(wěn)壓器、二極管芯片的熱設(shè)計余量不足導致失效；②晶振經(jīng)歷高溫后可能出現(xiàn)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(huán)試驗

帶電溫度循環(huán)試驗的目的是暴露產(chǎn)品由于材料的熱膨脹系數(shù)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(nèi)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(jīng)歷溫變條件后可能出現(xiàn)信號傳輸異常；⑤PCB、玻璃二極管等在溫變條件下出現(xiàn)開裂、開路；⑥LED、計量芯片、MCU、數(shù)據(jù)存儲、ESAM、RS485 通信芯片等器件內(nèi)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(xiàn)拉脫斷裂的問題。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 基于風險分析的故障激發(fā)案例分析

某型號電能表在線運行報電池欠壓故障,但從現(xiàn)場拆回檢測,電池電壓正常,未復現(xiàn)現(xiàn)場故障現(xiàn)象。經(jīng)過電路風險分析,認為在電路快速上電、掉電場景下會出現(xiàn)電池檢測電路異常。因此,選擇拆下的電能表進行內(nèi)部電源電壓波形監(jiān)測,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在市電快速上電、掉電過程中,MCU 的供電電壓VDD存在跌落現(xiàn)象,持續(xù)時間約20 ms。這種現(xiàn)象將會導致MCU 復位重啟現(xiàn)象,這樣不僅復現(xiàn)了故障現(xiàn)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(xiàn)誤報警現(xiàn)象。典型波形見圖4(a)、4(b)所示。

圖4 樣品內(nèi)部電源電壓監(jiān)測典型波形

4.2 基于潮熱試驗的故障激發(fā)案例分析

某型號批電能表使用三年后出現(xiàn)較高比例的不計量故障。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)三端穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(jié)果,也證實了該電路布局設(shè)計以及三端穩(wěn)壓器PCB 封裝存在設(shè)計不當?shù)臐撛谌毕?。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(jié)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(huán)境綜合應(yīng)力的試驗方法,可以有效地暴露電能表在PCB 布局設(shè)計以及三端穩(wěn)壓器PCB 封裝存在設(shè)計不當?shù)臐撛谌毕?、電源電路在快速上下電過程中存在電池被拉低現(xiàn)象,試驗結(jié)果說明試驗激發(fā)方法本身的有效性。

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