劉型志,魏長明,田娟,李松濃,王蕊 ,盤秋榮

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司營銷服務(wù)中心, 重慶 401121; 2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 401123;3.武漢盛帆電子股份有限公司, 武漢 430200)

0 引 言

我國在2009年發(fā)布了智能電能表的一系列標(biāo)準,之后,國家電網(wǎng)依據(jù)此套標(biāo)準在2009年招標(biāo)了第一批智能電能表,從這個時候開始,我國的智能電能表正式進入每家每戶,智能電能表在計量精度、抄表便利性等帶來了突破性的進展。隨著十多年的發(fā)展,早期智能電能表的標(biāo)準已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的要求,并且早期電能表的壽命已經(jīng)到期,急需要更換新表,基于以上的原因,國家電網(wǎng)依據(jù)國際法制計量組織(OIML)發(fā)布的IR46標(biāo)準提出了雙芯智能電能表的想法[1-2]。雙芯智能電能表由于功能的增加,導(dǎo)致表計需要提供的功耗比現(xiàn)行智能電能表大的多。由于線性電源具有可靠性高、成本低等優(yōu)點,所以現(xiàn)行智能電能表內(nèi)部的電源方案基本采用的是線性電源。然而線性電源的效率低、體積大等缺陷已經(jīng)無法滿足雙芯智能電能表對電源的要求,相比與線性電源,開關(guān)電源具有效率高、體積小等優(yōu)點,非常適合雙芯智能電能表的電源方案。由于智能電能表運行的環(huán)境復(fù)雜,對電源的可靠性要求非常高,所以如何保證開關(guān)電源的可靠性運行是重點。

相對于傳統(tǒng)硅器件而言,碳化硅SiC器件具有更高的耐壓、更低的導(dǎo)通電阻、耐高溫、開關(guān)速度更快、可靠性更高等諸多優(yōu)點[3-5]。將碳化硅MOSFET應(yīng)用到開關(guān)電源中,可以有效地提高開關(guān)電源的可靠性,從而將基于IR46標(biāo)準的雙芯智能電能表與碳化硅開關(guān)電源進行有機融合起來,推動電力二次設(shè)備的技術(shù)升級,有效降低智能電網(wǎng)運行成本和維護成本,為建設(shè)堅強智能電網(wǎng)提供基礎(chǔ)支撐[6]。由于基于碳化硅電源的雙芯智能電能表是新技術(shù)在工程領(lǐng)域特別是電力用電行業(yè)的重要嘗試,目前還沒有建立完備、成熟的可靠性檢測方案及評價體系,因此基于碳化硅電源的雙芯智能電能表的可靠性及檢測技術(shù)的問題尤為突出[7-8]。

文中從電能表運行環(huán)境出發(fā),研究與電能表可靠性相關(guān)的各種過應(yīng)力,用實驗的方法模擬出各種過應(yīng)力可靠性測試。

1 雙芯智能電能表介紹

雙芯智能電能表為實現(xiàn)IR46中法制計量部分與非法制計量部分相互獨立的要求,采用“計量MCU+管理MCU”的雙芯獨立模組化設(shè)計[9-10],對法制計量部分進行有效的軟硬件的安全防護,同時兼顧下一代國網(wǎng)電能表的新需求,對現(xiàn)有智能表的技術(shù)方案進行大幅升級改造。雙芯智能電能表主要由計量芯模塊、管理芯模塊、電源模塊三大部分組成,其整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 雙芯智能電能表整體設(shè)計方案

第一部分表示計量模組,表計的核心部分,主要承擔(dān)電能計量任務(wù),以及計量特性防護功能等,除與管理芯之間的SPI通信接口外,為用于法制數(shù)據(jù)的上傳與溯源,還具備獨立的RS485外部通信接口[11],其中計量部分不能進行軟件升級,主要功能電路包括：采樣電路、計量芯片、ESAM、計量芯MCU、EEPROM、FLASH、RS485、時鐘電路、電源管理、脈沖輸出等。

第二部分表示管理模組,承擔(dān)整表的管理任務(wù),除具備目前國網(wǎng)營銷業(yè)務(wù)要求的基本功能外,還負責(zé)對其它模組的數(shù)據(jù)分發(fā)和管理,主要功能電路包括管理芯MCU、上下行模塊、擴展模塊、藍牙、紅外、抄表電池、ESAM、顯示、按鍵、存儲等。為保證計量芯與管理芯相互獨立,兩者采用物理分離機制,通過SPI接口進行數(shù)據(jù)交互。

第三部分是系統(tǒng)電源,在電網(wǎng)復(fù)雜供電環(huán)境下,電源系統(tǒng)要求具有優(yōu)良的輸出精度指標(biāo)和效率指標(biāo),還要面對多路低壓、高精度、大電流的供電回路使用要求,具有較低的紋波噪聲水平,高可靠性的環(huán)路特性,優(yōu)異的MTBF(平均無故障時間)指標(biāo),以保證電源系統(tǒng)達到適應(yīng)電力應(yīng)用的高性能電源系統(tǒng)要求。

對于電力系統(tǒng)常規(guī)輸入電壓(AC85 V～265 V)的小功率開關(guān)電源應(yīng)用,綜合效率及成本,采用反激式拓撲最為常見。傳統(tǒng)硅材料開關(guān)管的耐壓等級通常為650 V、700 V和800 V,而對于三相應(yīng)用來說,考慮到變壓器的反射電壓及漏感和設(shè)計余量,傳統(tǒng)器件耐壓等級完全無法滿足要求。若單純采用一個高壓開關(guān)器件,如1000 V或1200 V以上的功率開關(guān)器件,可挑選余地不大,且成本也較高、可靠性差。而碳化硅材料具有耐高壓、耐高溫特性以及基于碳化硅材料研制的開關(guān)電源具有較寬的輸入電壓范圍,可以有效解決上述問題。

為此,采用基于碳化硅MOSFET電源管理芯片應(yīng)用到雙芯智能電能表開關(guān)電源的設(shè)計中,而基于碳化硅器件的高功率電源管理芯片,主要實現(xiàn)以碳化硅為功率器件的電源系統(tǒng)的管理和控制。相比傳統(tǒng)硅材料電源來說,碳化硅材料開發(fā)出的開關(guān)電源在相同設(shè)計功率下所用變壓器尺寸小、穩(wěn)定性強,可實現(xiàn)更寬的輸入電壓范圍、獲取更高的轉(zhuǎn)換效率、抗干擾能力強、耐高溫等特點。

2 電能表應(yīng)力環(huán)境分析

電能表的輸入端連接交流供電電網(wǎng),輸出端連接用戶負載,由于交流供電電網(wǎng)的電纜連接著各種負載,并且裸露在空氣中,所以電網(wǎng)上耦合了各種電信號。表計安裝的現(xiàn)場非常多樣,有安裝在室內(nèi),也有安裝在室外,有安裝在炎熱的南方,也有安裝在嚴寒的北方,從早期表計的運行情況看,電能表運行的應(yīng)力環(huán)境主要包括：電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、氣候應(yīng)力。電應(yīng)力主要包括：浪涌、諧波干擾、高壓輸入、電磁干擾、外部恒定強磁場干擾、過電流等;溫度應(yīng)力主要包括：高溫應(yīng)力、低溫應(yīng)力;氣候應(yīng)力主要包括：濕度應(yīng)力[12]。

2.1 浪涌

根據(jù)電能表安裝環(huán)境,電能表承受的浪涌應(yīng)力主要包括：快速瞬變脈沖群、靜電和雷擊浪涌[13]。供電電網(wǎng)上的一些大型電機設(shè)備啟停、電網(wǎng)開關(guān)的拉合閘、感性負載設(shè)備故障等都會在供電電網(wǎng)線上產(chǎn)生脈沖群,脈沖群通過電網(wǎng)線耦合到電能表,這類干擾的特點是：成群出現(xiàn)的窄脈沖、陡峭的上升沿、能量集中、較高的重復(fù)頻率等,對智能電能表的供電端口和數(shù)據(jù)輸入輸出端口有較大影響,容易引發(fā)電能表死機或計量故障;同時,我國長江以南每年都會出現(xiàn)大量的雷雨天氣,雷擊產(chǎn)生的浪涌容易耦合到供電電網(wǎng)上,雷擊產(chǎn)生的浪涌信號具有電壓高、能量高等特點,一旦耦合到電能表中,電能表很容易出現(xiàn)爆炸、燒表等嚴重的故障;另外,電能表在生產(chǎn)和使用過程中無法避免周圍環(huán)境中的靜電電荷或者人體攜帶的靜電電荷,一旦進入電能表,會造成敏感元器件的損壞,導(dǎo)致電能表出現(xiàn)異常故障。

2.2 諧波干擾

電能表在現(xiàn)場運行環(huán)境中不可避免受到電力系統(tǒng)中的諧波干擾：一方面,用戶端使用劣質(zhì)的電器,比如：電動汽車充電器等,這類非線性用電設(shè)備的使用很容易導(dǎo)致電網(wǎng)的波形畸變,使電網(wǎng)中出現(xiàn)諧波干擾;另一方面,供電系統(tǒng)本身從發(fā)電廠通過一系列變電站逐步降低至家用電壓等級的輸配電過程中,諸如變壓器、電容器、電抗器等非線性元件的大量使用,也會引入諧波問題。對電能表而言,電網(wǎng)中諧波引起的電壓電流波形畸形均會帶來計量誤差,且碳化硅高頻開關(guān)電源變壓器更易受諧波干擾出現(xiàn)磁滯或渦流現(xiàn)象,使之承受的電應(yīng)力增大,局部開始發(fā)熱,噪音增加,從而加速器件的老化[14〗。當(dāng)諧波干擾超出電能表可承受范圍時,甚至出現(xiàn)燒毀等嚴重情況。因此,有必要采取相關(guān)有效的檢測手段來評價雙芯智能電能表抗諧波能力。

2.3 高壓輸入

當(dāng)變電站出現(xiàn)問題時,電網(wǎng)會出現(xiàn)短時的高電壓,或者變電站中三相的降壓變壓器,突然一相或者二相出現(xiàn)故障,導(dǎo)致三相變壓器失去平衡,這樣有可能會導(dǎo)致剩余的幾相電壓突變的很高,嚴重的會超過380 V以上,最終都會造成電能表輸入電壓過高,當(dāng)超過開關(guān)電源中MOS管和電解電容耐壓時,就容易被高壓擊穿或燒毀,造成電源無法正常工作。因此,開關(guān)電源中的碳化硅MOS管和電解電容耐壓值應(yīng)作為智能電能表抗高壓損壞的重要指標(biāo)。

2.4 電磁干擾

智能電能表安裝使用環(huán)境多種多樣,使用過程中容易遭受到各種電磁干擾,從傳播途徑分為：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾主要是指干擾信號通過電力線直接干擾到電能表;輻射干擾主要是指干擾源通過空間輻射干擾到電能表。電力線上連接的其它開關(guān)電源、充電樁、高頻電力設(shè)備等是主要產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾源設(shè)備。這類設(shè)備產(chǎn)生的干擾頻率高,通過電力線可以傳輸很遠的距離,很容易耦合到電能表中。另外,無線電廣播電臺、手機、無線基站等設(shè)備在空氣中發(fā)射著各種電磁波,電磁波是輻射干擾的主要干擾源,這種干擾容易引起電能表的運行穩(wěn)定性。

2.5 外部恒定強磁場干擾

有一些非法人員用永久磁鐵靠近電能表,使得智能電能表受到外部恒定磁場的干擾,電壓/電流采樣互感器幅值和相位發(fā)生改變,進而導(dǎo)致電能表的計量不準確。另外,開關(guān)電源中變壓器受外部磁場影響時,會有磁感應(yīng)線穿過變壓器,使變壓器的渦流損耗增加,導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高使過熱保護裝置動作,最終導(dǎo)致電能表黑屏或死機。同時,恒定磁場還會對液晶屏和負荷開關(guān)產(chǎn)生影響,造成負荷開關(guān)誤動作、液晶屏無法正常顯示等諸多故障。因此,雙芯智能電能表需具備抗外部恒定強磁場干擾能力。

2.6 過電流

新一代雙芯智能電能表支持多元化高速通信,至少包含3種模塊,包括：上行通信模塊、下行通信模塊以及擴展通信模塊。這些模塊都是從電能表上取電,而通信模塊在運行中較易出現(xiàn)一些故障,比如死機、不停發(fā)送數(shù)據(jù)等,這會導(dǎo)致通信模塊會出現(xiàn)短時間的大電流或者短路等過電流現(xiàn)象,可能造成電能表黑屏、無法計量等。因此,檢測雙芯智能電能表時,應(yīng)重點關(guān)注通信模塊出現(xiàn)短路或者過流輸出時,是否影響法制計量部分功能。

2.7 高溫、低溫、濕度

電能表安裝的地區(qū)各種各樣,有極冷的北方,也有炎熱的南方,也有高濕度的沿海地區(qū)。對于安裝在戶外的電能表,這會導(dǎo)致電能表所處的氣候更加的嚴酷。在低溫的環(huán)境中,電能表的電容、電阻等元器件性能會出現(xiàn)嚴重的下降,這會導(dǎo)致電源的紋波、電壓、輸出電流等性能變差,電能表設(shè)計不當(dāng),會導(dǎo)致電能表工作出現(xiàn)異常;在高溫高濕的環(huán)境下則容易加速元器件老化,隨著電能表運行的時間,電能表的性能也會下降;在濕度高的環(huán)境下,元器件的漏電流急劇增加,如果設(shè)計設(shè)計不當(dāng),還會導(dǎo)致局部電路短路,嚴重影響表計的正常工作[15]。

3 檢測方案

為解決新標(biāo)準和碳化硅開關(guān)器件新技術(shù)帶來的可靠性試驗缺乏標(biāo)準的問題,根據(jù)以上的運行環(huán)境分析,在研究新一代智能電能表各項應(yīng)力的基礎(chǔ)上,制定出各項檢測方案,主要包括：浪涌試驗、諧波干擾試驗、高壓輸入試驗、電磁干擾試驗、外部恒定強磁場干擾試驗、接口異常輸出試驗、高溫試驗、低溫試驗、交變濕熱試驗。

3.1 浪涌試驗

浪涌試驗主要包括：雷擊浪涌試驗、靜電試驗、快速瞬變脈沖群試驗。

雷擊浪涌主要模擬的是感應(yīng)雷擊浪涌,感應(yīng)雷擊的強度一般主要與雷擊點的距離和雷云對地放電電流有關(guān),當(dāng)電力線或電能表與雷擊點距離大于75 m時,雷擊的感應(yīng)電壓可以大致為U=25I/L,I為直接雷電流,L為電力線或者電能表對地的高度,表計一般安裝在表箱內(nèi),所以雷擊感應(yīng)主要還是通過電力線耦合到電能表,感應(yīng)雷擊的電壓在電力線上形成的電壓一般低于6 kV,結(jié)合《GB/T 17626.5-2019 電磁兼容試驗和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗》試驗標(biāo)準,雷擊浪涌的試驗試驗方法可以采用標(biāo)準的試驗方法,試驗電壓可以提高到6 kV。

靜電試驗主要模擬人體靜電對表計的損傷,表計受人體靜電的攻擊主要出現(xiàn)在生產(chǎn)、安裝、維修、插卡購電等環(huán)節(jié),電能表的靜電試驗與大部分電子產(chǎn)品相同,參考《GB/T 17626.2-2018電磁兼容試驗和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗》即可,試驗直接放電的靜電電壓為8 kV,空氣放電的電壓為12 kV。

快速瞬變脈沖群主要由感性用電設(shè)備的啟停和供電系統(tǒng)異常引起的電壓劇烈波動,前者產(chǎn)生的電壓大概在電網(wǎng)電壓的3～5倍,后者產(chǎn)生的電壓大概在4～6倍,電壓信號一般為正負脈沖,振蕩頻率可以高達2 MHz。由于電能表安裝在電力線上,電能表會經(jīng)常遭受快速瞬變脈沖群的攻擊,所以快速瞬變脈沖群試驗是可靠性測試中非常重要的試驗。試驗方法可以參考《GB/T 17626.4-2018 電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》,考慮到試驗的重要性,電壓強度需要提升20%,試驗電壓為4.5 kV較為合適。

浪涌試驗的檢測方案如表1所示。

表1 浪涌試驗檢測方案

3.2 諧波干擾試驗

我國供電的電網(wǎng)電壓的頻率為50 Hz,正常情況下的電壓波形為正弦波,當(dāng)正弦波的波形畸變時,波形將會由基波信號和諧波信號疊加組成,電網(wǎng)中最常見的畸變波形主要有：90°相位觸發(fā)波、方波、尖頂波[16]。波形圖見圖2～圖4。

除了以上波形,現(xiàn)場使用過程往往還有更加復(fù)雜的諧波波形,這些波形沒法預(yù)測,如果只是模擬上面3種波形,很難覆蓋其它的諧波干擾,如果使用單次諧波,而通過測試多種頻率的單次諧波,可以有效地覆蓋其它的諧波信號[17],單次諧波的波形如圖5所示。

圖2 90°相位觸發(fā)波形

圖3 方頂波波形

圖4 尖頂波波形

圖5 單次諧波波形

對于測試的最高諧波次數(shù),根據(jù)現(xiàn)場的情況,由于電力線對高頻的信號衰減很大,所以對于高次諧波信號一般都比較弱,測試到100次諧波即可;對于最低的諧波次數(shù),表計對工作頻率有一定的范圍,500 Hz以下的信號基本都能正常工作,所以低次諧波測試到10次即可,諧波干擾的測試方案如表2所示。

3.3 高壓輸入試驗

我國單相用電的電壓為220 V,三相用電的電壓為380 V。以單相電為例,高壓的輸入主要存在以下兩個方面：一、單相在用電高低峰時期,電壓會存在一定的波動,在用電低峰的時候,電壓最高,一般最高電壓不會超過265 V;二、零線誤接到其它火線,導(dǎo)致相電壓變線電壓,電壓將會達到380 V,考慮到線電壓的波動,所以最高電壓將會達到380 V的1.1倍,大約為420 V。高壓輸入試驗的檢測方案如表3所示。

表2 諧波干擾試驗檢測方案

表3 高壓輸入試驗檢測方案

3.4 電磁干擾試驗

電磁干擾試驗主要包括兩個試驗：無線電輻射干擾試驗、傳導(dǎo)干擾試驗。無線電輻射干擾試驗主要參考《GB/T 17626.3-2016 電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》;傳導(dǎo)干擾試驗主要參考《GB/T 17626.6-2017 電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》,電能表按照以上的標(biāo)準,接入正常電壓,在電磁干擾的環(huán)境下,表計需正常工作,精度不應(yīng)該受到影響,且滿足精度等級要求。

3.5 外部恒定磁場試驗

外部恒定磁場試驗主要驗證電能表在恒定磁場環(huán)境下,是否受到影響,外部恒定磁場干擾主要來源非法人員使用永久磁場放置在電能表附件,根據(jù)市面上永久磁鐵的磁場強度,此試驗的磁感應(yīng)強度為300 mT±30 mT,具體的方法步驟如表4所示。

表4 外部恒定磁場試驗檢測方案

3.6 接口異常輸出試驗

接口異常輸出試驗主要是驗證電能表各通信接口功能,當(dāng)發(fā)生輸出異常包括過流輸出和短路輸出時,是否會影響電能表正常工作,具體測試方法如表5所示。

表5 異常輸出試驗

3.7 高溫、低溫試驗

由于部分表計會安裝在室外,在一些高溫地區(qū),炎熱的夏天,太陽會直射到表箱上,加上表箱是鐵制品,非常容易傳熱,所以表箱的溫度會非常高,高溫可以高達60 ℃;在一些北方的低溫地區(qū),寒冷的冬天,室外的溫度可以達到-25 ℃以下。對于試驗方案溫度,考慮到一些極端的環(huán)境,高溫測試溫度定為70 ℃,低溫定位-40 ℃,高低溫試驗檢測方案如表6所示。

表6 高低溫試驗檢測方案

3.8 交變濕熱試驗

交變濕熱試驗主要參考《GB/T2423.4-2016電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Db：交變濕熱(12 h+12 h循環(huán))》標(biāo)準,試驗的條件如下：

a)表計接入基準電壓和電流;

b)試驗上限溫度：+55 ℃±2 ℃;

c)不采取特殊的措施來排除表面潮氣;

d)試驗持續(xù)時間： 6個周期。

試驗結(jié)束后,電能表應(yīng)立即正確工作,精度滿足等級要求。試驗結(jié)束后24 h,應(yīng)對電能表進行以下試驗：絕緣試驗和功能試驗,電能表應(yīng)正確工作,不出現(xiàn)任何可能影響電能表功能特性的機械損傷或腐蝕的痕跡。

4 結(jié)束語

文中研究的基于碳化硅電源的雙芯智能電能表,為新技術(shù)在電力系統(tǒng)中的首次嘗試,建立有效可靠的可靠性檢測具有十分重要的意義。文中給出了雙芯智能電能表的總體方案設(shè)計,根據(jù)現(xiàn)有智能電能表運行環(huán)境,同時結(jié)合碳化硅開關(guān)電源和雙芯智能電能表特點,進行各項應(yīng)力分析,給出了其可靠性檢測方案。

文中的可靠性檢測方案為基于碳化硅電源的雙芯智能電能表的可靠性檢測具體實施提供了有效合理的解決方案,具有十分重要的指導(dǎo)意義,但還需進一步研究,以大量測試數(shù)據(jù)為依托,結(jié)合電能表各種表型特點、成本和可行性考慮,以確定整機的可靠性細化指標(biāo),分析、合理分配和估算重要元器件,以對可靠性指標(biāo)進行有效地控制,提高整機產(chǎn)品可靠性,更好地發(fā)揮碳化硅器件開關(guān)電源用在雙芯智能電能表上的效率更高、抗干擾能力更強等突出優(yōu)勢,有效降低智能電網(wǎng)運行成本和維護成本。