CN108120949A - 一种智能电能表加速退化试验方法 - Google Patents

一种智能电能表加速退化试验方法 Download PDF

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陈金涛
赵舫
张垠
王新刚
朱铮
江剑峰
黄亮
顾臻
魏晓川
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Abstract

本发明涉及一种智能电能表加速退化试验方法，包括以下步骤：S1、确定引起现场电能表故障的原因；S2、根据步骤S1确定的故障原因结合摸底试验结果选择加速退化试验的加速应力类型；S3、通过摸底试验确定最大应力水平并设计加速应力组合；S4、根据需要确定退化特征量及其失效阈值、试验样品数量、分配比例、试验结束时间和测量次数；S5、对各组试验样品分别持续施加相应的应力组合，每间隔设定时间卸载应力组合并测试需要的参数，直到达到试验结束时间。与现有技术相比，本发明有较高的可行性和可操作性，适用于电能表生产厂家和电能表质量管理部门对智能电能表进行可靠性评价与分析。

Description

一种智能电能表加速退化试验方法
技术领域
本发明涉及计量设备运行检定检测技术领域，尤其是涉及一种智能电能表加速退化试验方法。
背景技术
近年来，随着国家电网公司智能电网建设进程的不断推进，越来越多的智能电能表投入现场运行。2017年，国网公司范围内智能电能表的现场安装数量已经达到4亿只。数量如此庞大的智能电能表在现场能否长期可靠、稳定运行直接关系到电力交易过程的公平、公正。此外，智能电能表作为获知客户侧用电行为、用电特征、用电习惯的“数据源头”，其可靠性、稳定性也会对面向客户侧供用电服务的质量造成影响。
开展智能电能表加速退化试验及其寿命评估技术的研究可以为下一步开展智能电能表可靠性分析与寿命评估工作提供技术支撑和理论依据。通过对智能电能表进行可靠性分析与寿命评估，电能表生产制造厂家能够提前发现产品设计的薄弱环节或元器件的质量缺陷，并针对性地进行改进，从而整体提高智能电能表的质量水平，保障智能电能表在现场能够长期可靠、稳定运行。
采用传统的可靠性评价方法对智能电能表进行可靠性评价需要花费很大的时间成本和人力成本，因此目前广泛采用加速寿命试验的方法对智能电能表的可靠性进行评价。加速寿命试验只记录试验样品的失效时间数据，而不考虑产品失效的具体过程，因此需要有一定数量的样品发生失效才能结束试验。如果试验中没有样品发生失效，或者失效样品的数量很少，那么就只能延长试验时间，否则无法利用获得的失效时间数据来对产品的可靠性进行评价，或者得出的评价结果与实际情况有很大的差距。然而，随着智能电能表技术标准的统一以及电能表厂家设计制造能力的提高，现在智能电能表的可靠性越来越高，试验中发生失效的样品数量极少，加速寿命试验已无法满足智能电能表可靠性分析与评价的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能电能表加速退化试验方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种智能电能表加速退化试验方法，包括以下步骤：
S1、确定引起现场电能表故障的原因；
S2、根据步骤S1确定的故障原因结合摸底试验结果选择加速退化试验的加速应力类型；
S3、通过摸底试验确定最大应力水平并设计加速应力组合；
S4、根据需要确定退化特征量及其失效阈值、试验样品数量、分配比例、试验结束时间和测量次数；
S5、对各组试验样品分别持续施加相应的应力组合，每间隔设定时间卸载应力组合并测试需要的参数，直到达到试验结束时间。
优选的，所述电能表故障的原因包括：显示故障、通信故障、计量故障、电源电池故障和软件故障。
优选的，所述加速应力类型为温度和湿度。
优选的，所述确定最大应力水平的原则是：保证产品在最大应力下的性能退化机理不发生改变，并且与产品在现场的失效机理或故障机理一致。
优选的，所述最大应力水平为：温度为85℃、相对湿度为95％。
优选的，所述设计加速应力组合具体包括：对于每一种应力类型，至少要使用3种不同的应力水平，保证每两种应力组合的加速因子相差在设定范围以上。
优选的，所述加速应力组合包括5种：温度为85℃、相对湿度为95％；温度为85℃、相对湿度为85％；温度为85℃、相对湿度为75％；温度为75℃、相对湿度为85％；温度为65℃、相对湿度为95％。
优选的，所述退化特征量为基本误差和日计时误差。
优选的，所述退化特征量的失效阈值为其误差限值的55％～65％。
优选的，所述试验结束时间通过定时截尾的方法确定。
与现有技术相比，本发明通过分析引起现场正在运行的智能电能表故障的主要原因，选取了温度和湿度作为加速应力，通过摸底试验和对加速因子的分析，确定了最大加速应力水平以及优化后的加速应力组合，有较高的可行性和可操作性，适用于电能表生产厂家和电能表质量管理部门对智能电能表进行可靠性评价与分析。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为摸底试验中应力水平[85℃,95％]下的基本误差曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种智能电能表加速退化试验方法，包括以下步骤：
S1、确定引起现场电能表故障的原因；
S2、根据步骤S1确定的故障原因结合摸底试验结果选择加速退化试验的加速应力类型；
S3、通过摸底试验确定最大应力水平并设计加速应力组合；
S4、根据需要确定退化特征量及其失效阈值、试验样品数量、分配比例、试验结束时间和测量次数；
S5、对各组试验样品分别持续施加相应的应力组合，每间隔设定时间卸载应力组合并测试需要的参数，直到达到试验结束时间。
加速应力组合的确定是加速退化试验的关键，本方法通过分析引起现场电能表故障的原因来确定加速应力的类型，通过摸底试验来确定最大应力水平，并综合考虑试验数据分布的均匀性和有效性对加速应力组合进行优化。
加速退化试验常采用的加速应力有温度、湿度、冲击振动、电应力、灰尘、盐雾等。通过分析引起现场在运智能电能表故障的原因，结合摸底试验的结果可以确定加速应力类型。
对于现场在运的智能电能表，常发生的故障类型包括显示故障、通信故障、计量故障、电源电池故障、软件故障等。研究资料中指出，现场在运智能电能表出现的各种故障中，通信故障、计量故障和显示故障三种故障类型占比是最大的，分别为35％、27％和22％，引起故障的原因主要是芯片(计量芯片、载波芯片、485芯片等)、集成电路、元器件和显示屏故障。
结合实际工作条件分析，通信故障会直接影响电力用户用电信息采集***的采集成功率，造成电力公司无法及时、准确出账；计量故障会影响计量装置计量结果的准确性，对电力交易双方的利益都有可能造成损害；显示故障一般是指电能表液晶显示出现黑屏或只显示部分字段，由于目前广泛采用远程抄表***来抄读用户的用电信息，所以显示故障并不会对电力交易过程造成直接影响，属于可接受的故障类型，暂不作测试。
针对引起现场智能电能表通信故障和计量故障的主要原因进行分析，可确定加速退化试验应选择的加速应力类型。相关资料中指出，温度会造成电子元器件产生参数漂移、物理损伤或电性能下降，并可以改变其材料的性能和几何尺寸，甚至会导致绝缘失效或元器件烧毁，因此温度是影响元器件和芯片可靠性的主要因素。同时，湿度会加剧集成电路板的电化学腐蚀，降低集成电路板的介电强度和绝缘水平，从而造成短路或断路的发生。因此，本实施例中选择温度和湿度作为加速退化试验的加速应力。
加速退化试验最大加速应力的确定原则是，保证产品在最大应力下的性能退化机理不发生改变，并且与产品在现场的失效机理或故障机理一致。为确定加速退化试验的最大应力，本实施例中对某一批2级单相智能电能表进行摸底试验，试验数据如图2所示。
由图2得知，当施加的温-湿度应力为[85℃,95％]时，智能电能表的性能退化机理未改变，因此可选择温-湿度应力水平[85℃,95％]作为最大应力水平，即Tmax为85℃，RHmax为95％。
Hallberg-Peck温-湿度模型可以用统一的线性形式表示为：
其中，ξi为产品的寿命特征；为应力Si的函数；a、b为常数。由上式可知智能电能表的寿命特性近似服从线性分布模型。为提高模型的“线性度”，在加速退化试验中，对于每一种应力(温度和湿度)类型，至少要使用3种不同的应力水平。定义一个中间的和低的温度应力水平，分别记作Tmed和Tmin；定义一个中间的和低的相对湿度应力水平，分别记作RHmed和RHmin。本实施例中将选择5组应力组合，如表1所示：
表1温-湿度加速应力组合
序号 应力S T/℃ RH/％
S1 Tmin，RHmax 65 95
S2 Tmed，RHmax 75 95
S3 Tmax，RHmin 85 75
S4 Tmax，RHmed 85 85
S5 Tmax，RHmax 85 95
假设产品的使用应力水平为So，产品在应力So、Si下的寿命特征值为ξo、ξi，则温-湿度模型的加速因子为：
表1中不同应力组合的加速因子如表2所示：
表2不同应力组合的加速因子
序号 应力组合 加速因子AF
S1 [65℃,95％] 162.33
S2 [75℃,95％] 359.30
S3 [85℃,75％] 374.33
S4 [85℃,85％] 544.91
S5 [85℃,95％] 760.74
在试验中，通过调整每两种应力组合的加速因子相差在设定范围以上来进行应力组合优化，相差范围根据实际经验来具体设定。由表2可以看到：应力组合S2与S3的加速因子AF2≈AF3，说明两种应力组合产生的加速效果基本相同，这会造成试验资源的浪费。为避免这种浪费，现将应力组合S2调整为[75℃,85％]，此时加速因子为257.36，可以使加速因子的分布更加均匀。因此，最终选择的加速应力组合如表3所示：
表3优化后的加速应力组合
计量计费功能是智能电能表最基本也是最重要的功能，因此本方法选取基本误差和日计时误差作为加速退化试验主要测试的退化特征量。两个特征量的测量均是在被试样品施加额定电压UN、基本电流Ib、功率因数的条件下测量。
退化特征量的失效阈值D与JJG 596-2012《电子式交流电能表》中规定的电能表基本误差和日计时误差的误差限值有关。根据经验，一般取误差限值的55％～65％作为退化特征量的失效阈值，本实施例中，优选的选取60％，即
若被试样表的基本误差和日计时误差超过相应的失效阈值，即认为该样品失效。
本实施例中，试验样品取同一厂家同一生产批次的150只2级单相智能电能表进行加速退化试验，5种加速应力组合下的样品分配比例相同，均为0.2，即每组加速应力组合下加速退化试验的样品数量均为30只。
采取定时截尾的方法来结束试验，最大试验时间tMAX取1080小时，即45天。测量时间点等间隔，即每组加速应力下每隔24小时对退化特征量进行一次测量，均为45次。
本实施例中，步骤S4具体包括：
(1)分别对各组被试样表施加表3中的温-湿度应力组合，并保持恒定；
(2)每隔24h卸载所施加的温-湿度应力，恢复至常温常湿条件；
(3)执行测试，测试项目包括：基本误差、日计时误差、电池电压、起动试验、潜动试验、基本功能试验、显示、RS485通信，记录其性能退化数据；
(4)重复过程(1)、(2)、(3)，直至试验时间达到最大试验时间tMAX。
基本误差、日计时误差、电池电压应记录数据；起动试验、潜动试验、基本功能试验、显示、RS485通信应记录结论。基本误差、日计时误差、起动试验、潜动试验等项目测试方法应符合最新版JJG 307、JJG 596及国网智能电能表系列企业标准的要求；电池电压通过读取DL/T 645-2007数据标识02800008H(时钟电池电压)和02800009H(停电抄表电池电压)获得；基本功能试验指电能表费控功能，包括报警和拉合闸操作；RS485通信测试指通过RS485方式抄读电表当前电量数据、瞬时电压电流功率数据、日冻结数据，若均抄读成功，则判定RS485通信正常，否则记录为异常。

Claims (10)

1.一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定引起现场电能表故障的原因；
S2、根据步骤S1确定的故障原因结合摸底试验结果选择加速退化试验的加速应力类型；
S3、通过摸底试验确定最大应力水平并设计加速应力组合；
S4、根据需要确定退化特征量及其失效阈值、试验样品数量、分配比例、试验结束时间和测量次数；
S5、对各组试验样品分别持续施加相应的应力组合，每间隔设定时间卸载应力组合并测试需要的参数，直到达到试验结束时间。
2.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述电能表故障的原因包括：显示故障、通信故障、计量故障、电源电池故障和软件故障。
3.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述加速应力类型为温度和湿度。
4.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述确定最大应力水平的原则是：保证产品在最大应力下的性能退化机理不发生改变，并且与产品在现场的失效机理或故障机理一致。
5.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述最大应力水平为：温度为85℃、相对湿度为95％。
6.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述设计加速应力组合具体包括：对于每一种应力类型，至少要使用3种不同的应力水平，保证每两种应力组合的加速因子相差在设定范围以上。
7.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述加速应力组合包括5种：温度为85℃、相对湿度为95％；温度为85℃、相对湿度为85％；温度为85℃、相对湿度为75％；温度为75℃、相对湿度为85％；温度为65℃、相对湿度为95％。
8.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述退化特征量为基本误差和日计时误差。
9.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述退化特征量的失效阈值为其误差限值的55％～65％。
10.根据权利要求1所述的一种智能电能表加速退化试验方法，其特征在于，所述试验结束时间通过定时截尾的方法确定。
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