王海濤 柯進(jìn) 楊芊/廣東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

電能表是日常工業(yè)、生活中不可或缺的儀表，因此電能表的生產(chǎn)企業(yè)眾多，其研發(fā)能力在國(guó)際上也處于領(lǐng)先地位。隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)突顯，智能電表已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流[1][2]。

隨著電能表的設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷發(fā)展，要求具有高可靠性、穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不需要監(jiān)督。因此如何評(píng)價(jià)電能表的高可靠性、穩(wěn)定性就變得尤為重要。國(guó)內(nèi)對(duì)電能表的平均壽命要求為10年，但卻沒有具體的可靠性評(píng)估方法。

電子式電能表由電子元器件組成，因此其故障率特性滿足“浴盆曲線”，呈現(xiàn)兩端高、中間低的特點(diǎn)，通過實(shí)際的使用以及使用過程中的分析監(jiān)測(cè)可以得到其壽命分布，由于電子式電能表的壽命普遍在五年以上，因此周期長(zhǎng)，實(shí)用性較低。

IEC 62059提供了電能表的可靠性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。IEC 62059-41基于零部件應(yīng)力，假設(shè)失效率為常數(shù)的可靠性預(yù)測(cè)；IEC 62059-31-1通過提高的溫度、濕度，使被試產(chǎn)品加速失效，以便在較短的時(shí)間內(nèi)獲得必要的數(shù)據(jù)，從而推算產(chǎn)品在正常使用條件下的壽命；IEC 62059-32-1通過擴(kuò)展的工作電流、電壓，及極限的工作溫度來評(píng)估計(jì)量特性的穩(wěn)定性。

三種方法中，IEC 62059-31-1統(tǒng)計(jì)分析度高，試驗(yàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)。IEC 62059-32-1較為簡(jiǎn)潔，通過電能表的工作溫度上限，擴(kuò)展的工作電壓，最大電流，來評(píng)估計(jì)量特性的穩(wěn)定性，較易掌握。通過這個(gè)試驗(yàn)，可以確保電能表沒有嚴(yán)重的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和材料缺陷，從而在其工作過程中保證其規(guī)定的準(zhǔn)確度。

本文就IEC 62059-32-1提高工作溫度來評(píng)估電能表的計(jì)量特性穩(wěn)定性做詳細(xì)測(cè)試研究，為廣大研發(fā)測(cè)試人員提供借鑒。

1 研究?jī)?nèi)容

電能表種類繁多，其分類大致有以下幾種。

按其相線分為：?jiǎn)蜗嚯娔鼙?、三相三線電能表、三相四線電能表；

按其工作原理分為：機(jī)電式電能表、靜止式電能表；

按其用途分為：有功電能表、無功電能表。

智能電表主要由電壓電流接口、時(shí)鐘模塊、EEPROM模塊、液晶模塊、鍵盤處理模塊等組成，如圖1所示。

圖1 電能表系統(tǒng)框圖

如上圖所描述，電能表的失效（產(chǎn)品執(zhí)行規(guī)定功能能力的終結(jié)）影響程度可以劃分為Ⅰ類失效、Ⅱ類失效、Ⅲ類失效。

Ⅰ類失效：影響計(jì)量性能或計(jì)量不合格；

Ⅱ類失效：時(shí)鐘不準(zhǔn)，通信失敗，脈沖指示燈不正常，但電能表計(jì)量性能正常；

Ⅲ類失效：外觀褪色、破損，螺絲損壞等外觀性能。

本文主要考察電能表的穩(wěn)定性即在給定的使用、維護(hù)條件下，保持電能表計(jì)量特性的能力，考察Ⅰ類失效。

2 測(cè)試程序

IEC 62059-32-1給出的試驗(yàn)順序如下：

（1）示值誤差測(cè)試：依據(jù)所選擇的電能表準(zhǔn)確度等級(jí)進(jìn)行示值誤差測(cè)試；

（2）氣流速度確定：電能表放入高低溫濕熱試驗(yàn)箱中，箱中的氣流速度的高低會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，因此應(yīng)確定并記錄氣流速度；

（3）恒定負(fù)載、恒定溫度運(yùn)行：電能表放入高低溫濕熱試驗(yàn)箱中，以不大于1 ℃/min（不超過5 min時(shí)間的平均值）的速率升至電能表上限工作溫度，溫度穩(wěn)定后施加擴(kuò)展的工作電壓（1.1Un）、最大電流（Imax），持續(xù)運(yùn)行1 000 h；

（4）電能量測(cè)量記錄：在恒定負(fù)載、恒定溫度運(yùn)行過程中，應(yīng)確認(rèn)設(shè)備的電能計(jì)量和寄存器信息不會(huì)出現(xiàn)不規(guī)范的行為。若百分?jǐn)?shù)誤差超過emax，表明被測(cè)表出現(xiàn)了不規(guī)范的行為，被測(cè)表失效且試驗(yàn)終止；

（5）最后恢復(fù)：試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溫箱以不大于1 ℃/min的速率升至參比溫度。被測(cè)表繼續(xù)施加試驗(yàn)負(fù)載1 h，按照初始條件測(cè)量電能表的誤差。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）本文選取直接接入式電能表進(jìn)行測(cè)量，該電能表具有預(yù)付費(fèi)功能及過載跳閘功能，因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保試驗(yàn)期間電能的消耗不會(huì)因?yàn)樘l而報(bào)警，導(dǎo)致測(cè)試中斷。

電能表型號(hào)規(guī)格如下：

電壓：240/415 V；

電流：10（80）A；

準(zhǔn)確度等級(jí)：1.0；

脈沖常數(shù)：1 000 imp/h。

誤差計(jì)算公式如下：

百分?jǐn)?shù)誤差=[(電能值-標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值]×100%

1級(jí)表允許的百分?jǐn)?shù)誤差改變極限為0.5%。

電能值是通過讀取給定時(shí)間間隔的電能值，通過以下的方法來確定標(biāo)準(zhǔn)值。施加一個(gè)穩(wěn)定負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)值等于給定時(shí)間間隔乘以穩(wěn)定負(fù)載的功率。在本次試驗(yàn)過程中，使用三相電能表檢定裝置，準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.05級(jí)，滿足試驗(yàn)穩(wěn)定負(fù)載的要求。接下來敘述具體的實(shí)現(xiàn)方法。

允差公式如下：

式中：eo——參比條件和試驗(yàn)負(fù)載下電能表的允差；

eu——電壓變化引起的誤差改變極限；

eT——溫度變化引起的誤差改變極限

eo=1.0%；eu=0.7%；eT=0.05×32%；結(jié)合電能表的型號(hào)規(guī)格及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，得出該電能表允差emax=4.5%。

（2）低氣流速度的確定

在進(jìn)行電能表可靠性試驗(yàn)之前，需先用試驗(yàn)確定工作空間是低氣流速度還是高氣流速度；按照IEC 60068-2-2:2007 Environmental testing-Part 2-2:Tests-Test B: Dry heat.規(guī)定，在測(cè)量和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下（23 ℃），按照產(chǎn)品要求施加負(fù)載。電壓：240/415 V，電流：10（80）A。使用溫度采集器記錄電能表的最大溫升13.5 ℃，開啟試驗(yàn)箱的通風(fēng)裝置使工作空間空氣循環(huán)，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定（55 ℃）時(shí)，使用溫度采集器重新測(cè)量上述位置處的溫度，溫升9.7 ℃，此次測(cè)得的溫度與上次無空氣流動(dòng)時(shí)測(cè)得的溫度相差3.8 ℃＜ 5 ℃，因此工作空間是低氣流速度。

（3）根據(jù)電能表試驗(yàn)前示值誤差和試驗(yàn)后示值誤差，得出變化量如表1所示。

表1 試驗(yàn)前后示值誤差變化量

（4）在恒定負(fù)載、恒定溫度運(yùn)行過程中，記錄該電能表電能量（初始電能值：529.6 kWh），通過計(jì)算得出電能量誤差如表2所示。

（5）通過上述數(shù)據(jù)可知，測(cè)試前后電能表示值誤差變化量滿足要求，試驗(yàn)過程中電能量變化允差滿足要求，因此該電能表在工作溫度上限（55 ℃），擴(kuò)展的工作電壓（264 V）、最大電流（80 A）條件下能夠保持計(jì)量特性的穩(wěn)定性，滿足IEC 62059-32-1的要求。

表2 電能量誤差

4 結(jié)語

綜上所述，IEC 62059-32-1提供了一種評(píng)估電能表計(jì)量穩(wěn)定性的方法，通過給定的溫度、電壓、電流，保證電能表的計(jì)量穩(wěn)定性，但不能斷定電能表的壽命。通過這個(gè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了電能表是否存在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和材料缺陷，從而保證其在工作過程中規(guī)定的準(zhǔn)確度。