1、智能電能表可靠性評價方法研究與探討薛陽張蓬鶴1,王雅濤:何勝宗2,彭澤亞2,武慧薇2（1.中國電力科學研究院，北京100192;2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610）摘要：智能電能表批量上線之前如何評價其可靠性是一項重要的研究課題。闡述了產品典型失效特征以及當前用于考核電能表的可靠性特征指標的不足之處。從電能表的環境剖面和任務剖面入手，探討分析了當前的驗收檢驗項目，以及電能表的主要缺陷和敏感應力。提出了一種電能表的可靠性評價建議方案，實際評價案例結果表明該方案具有一定的評價效果，也為可靠性量化評價作了鋪墊。關鍵詞：智能電能表；可靠性評價；可靠性；缺陷中圖分類號：TP202文獻標志

2、碼：A文章編號：1001-1390（2015）00-0000-00StudyandexplorationonreliabilityassessmentmethodforsmartmetersXueYang1,ZhangPenghe1,WangYatao1,HeShengzong2,PengZeya2,WuHuiwei2(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China.2.TheFifthElectronicsResearchInstituteofMinistryofIndustryandInformationTechnolog

3、y,Guangzhou510610,China)Abstract:Howtoassessthereliabilityofthesmartmetersbeforebatchinginstallationhasbecomeanimportantresearchissue.Typicalfailurefeaturesandtheshortageofthereliabilitycharacteristicindexusedbyelectricityenergymeterswereexpatiated.Startingfromtheenvironmentplaneandtaskplane,thechec

4、kandtestitems,maindefectsandsensitivestresseswerediscussedandanalyzed.Arecommendedreliabilityassessmentschemeforelectricityenergymeterwasputforward.Theresultsofanactualassessmentcaseprovedtheeffectivenessofthescheme,whichlayafoundationforquantitativereliabilityassessment.Keywords:smartmeter,reliabil

5、ityassessment,reliability,defect層檢測驗收，還不足以有效地剔除潛在缺陷的產品，0引言近幾年來，隨著智能電能表大批量上線，其可靠性問題逐漸暴露出來，引起了電力管理部門的高度重視。如何在批量上線之前對智能電能表進行可靠性評價驗收，成為一項重要的研究課題。國家電網于2009年頒布了Q/GDW3641等一系列智能電能表規范，涵蓋了技術指標、機械性能、環境適應性、功能要求、電氣性能、抗干擾及可靠性等技術要求、驗收要求以及運行質量管理要求。這些標準對于提高和完善電能表的標準體系和管理水平起到了重要作用2,然而，依據這些規范進行層電能表的可靠性評價和驗收工作有待進一步加強。J

6、B/T50070-20023規定了電能表的可靠性要求和考核方法，該方法模擬現場使用條件，與現場存在一定的對應性，但該標準是從傳統機械式電能表移植到電子式電能表，而且可靠性驗證的單臺樣品試驗時間長、試驗成本高，試驗可執行性差，不適用于當前大批量采購、驗收工作。IEC62059系列標準對交流電測量設備的可信性進行了定義，并給出了其可靠性加速試驗和部分耐久性試驗的方法。其中，IEC62059-31-1圖提供了一種利用恒定加速應力（高溫和潮濕條件）對測量設備進行可靠性壽命估計的試驗方法，并給出了溫度、濕度的應力壽命模型，同時還考慮了電壓、電流變化導致的溫度變化因素。利用該方法，使單臺樣品試驗時間從幾千

7、小時下降到幾百小時，縮短了可靠性評價白時間。IEC62059-32-15給出了高溫條件下考查測量設備計量穩定性的試驗方法。文獻6-8是在IEC62059-31-1的基礎上進行應用或者改進的電能表可靠性的預計和驗證試驗方法。然而，在實際環境中，電能表所面臨的環境條件是多變的，恒定高溫、潮濕以及高溫條件下暴露出的產品問題，不一定能夠覆蓋所有故障類型。因此，一種有效的可靠性評價方法仍然值得深入研究。文章結合電子產品可靠性工程經驗，分析智能電能表的整個生命周期過程所面臨的環境條件，各階段存在的可靠性問題，探討了智能電能表可靠性評價的考慮要素，提出了一種電能表的可靠性評價建議方案，并用實際案例進行了簡單

8、闡述。1 可靠性基本概念1.1 可靠性特征指標產品的可靠性可以用可靠度來定量表述，它是指產品在規定的條件下和規定的時間內，滿足特定功能的概率。根據Q/GDW364-2009,電能表產品的可靠性特征量規定為平均壽命（MTTF,MeanTimeToFailure,故障前的平均工作或存儲時間），要求電能表在正常工作條件下，MTTF不少于10年。出廠前經過嚴格篩選、老練和調校的電能表的壽命分布可以用指數分布描述9,其可靠度R（t）為：tR（t）=e=eTT式中九為失效率，對于指數分布，%是MTTF的倒數。按照（1）式計算，到第10年結束時，電能表的可靠度為0.368,意味著累計63.2%的電能表已經出

9、現故障，需要維修或報廢，這種結果對于電力公司而言，顯然是不可接受的8,10。規定電能表可靠性特征指標時，一種更為恰當的方法是指明其累計失效率，例如，正常條件下工作十年的累計失效率不超過10%（置信度90%）。這種規定方法，比指定MTTF更加合理和具有約束力。1.2 電子產品失效特征根據電能表現場運行故障統計數據，電能表同樣具有類似浴盆曲線”的失效分布特征，呈現早期和損耗期失效率高、偶然失效率低的特點10。其中，早期失效期大多是由于質量控制不嚴引入的缺陷和損傷導致的，如電路和結構設計缺陷、物料缺陷以及裝配、運輸和安裝過程中引入的損傷等。偶然失效一般是由于產品自身耐受電、熱、化學等的強度不足并在外

10、部隨機應力條件下觸發的，如產品的耐壓、熱設計和雷擊防護等的余度不足或出現退化，在外部偶然性的異常高電壓、高溫和雷擊放電等作用下導致故障。偶然失效還包括產品的誤用濫用、不明原因導致的失效。損耗期失效主要是由于元器件材料老化、界面疲勞以及維護不當等導致，如溫度、水汽、溫度變化、輻射等應力的長時間累積作用所致。結合表廠對返修電能表的故障分析結果，大多數現場失效屬于早期失效和偶然失效。1.3 可靠性評價工作可靠性評價是定性或定量地對產品的設計、物料、生產和使用過程進行可靠性評估，發現其中可能影響產品功能、性能的缺陷和薄弱環節。它涵蓋了量化的壽命評價內容，即評估產品能否達到預期的使用壽命。一般來說，可靠

11、性評價的對象是按照正常工藝生產的批產品，根據當前國家電網電能表的采購招標供貨模式，應當在決定批量供貨之前對電能表進行可靠性評價。可靠性評價的目的包括：（a）定量地評估電能表產品批的可靠性壽命水平是否達到設計預期。定量評估電能表的壽命可以通過它的壽命件進行評估來獲得，如電池、LCD、電解電容等易損元器件；（b）評估產品批所采用的電路結構、物料、生產工藝等是否存在容易引起現場故障的潛在缺陷，如貼片陶瓷電容存在裂紋、焊接過程存在虛焊等；（c）評估產品對于某種應力條件的適應性、耐久性，如高溫、潮熱、電磁干擾等環境條件下電能表的適應性和耐久性；（d）評估產品批的實際安全工作極限，如臨界輸入電壓、最高工作

12、溫度、最大負載水平等。可靠性評價與一般質量檢驗的差別在于，質量檢驗的重點在于測試產品的性能是否符合設計規范，而可靠性評價更關注特定條件下產品的性能適應性和變化趨勢。因此，可靠性評價是要通過適當的檢驗手段、方法把產品中潛在的缺陷和薄弱環節盡早暴露出來，避免應用后才逐漸表現出來。2電能表可靠性評價考慮要素2.1環境剖面和任務剖面電能表的環境剖面是指出廠開始直至現場使用壽命終了或退出使用的整個壽命期可能經歷的事件和條件。結合其結構特點，電能表在運輸、貯存、安裝、使用過程中的環境應力，主要有：機械振動、溫度、濕度，部分地區可能還要考慮灰塵、鹽霧等條件。環境剖面可參考GB/T4798-2008標準制訂。

13、任務剖面是指在預期工作任務中，主要可能經歷的事件和條件，它是產品壽命期間環境剖面的一個片段。具體來說，電能表的任務剖面是指在一個自然日（月、年）的時段內，電能表所經歷的電壓、負載條件以及外部氣候環境條件。從整個壽命期來看，還應當考慮電壓、負載條件隨時間的變化情況。電能表產品生命周期過程如圖1所示。圖1電能表產品生命周期過程Fig.1Procedureduringtheproductlifeperiodofelectricenergymeters2.2現有廣品檢驗過程Q/GDW364-2009等規范中的檢驗項目主要是考查電能表產品在出廠或到貨時的質量水平，所進行的環境試驗也主要是考察電能表的環境

14、適應性，并沒有考查產品的環境耐久性問題。根據可靠性工程經驗，經過嚴格檢驗的合格產品在初期階段的功能、性能狀態都較好，常規檢測一般都不易暴露產品潛在的缺陷和薄弱點。而這些缺陷和薄弱點正是可靠性評估工作需要關注的重點。另外，現有的驗收檢驗方法主要是通過電學測試的方式進行檢驗，對于工藝中存在的焊點虛焊、開裂、離子污染等影響產品可靠性的缺陷不一定能夠發現，必須通過顯微鏡觀察等手段才能檢測出來。2.3主要缺陷和敏感應力分析根據電網運行監測數據，現場故障率從高到低排序依次是通信、計量功能、顯示、控制、處理單元、電源電池等。故障原因主要有幾種類型：（a）電路設計缺陷，如電壓浪涌防護不足、降額設計不足、參數漂

15、移考慮不到位等；（b）工藝相關的缺陷，如組裝焊接缺陷等；（c）物料自身質量缺陷；（d）超技術規范使用，如輸入電壓過高、環境溫度過高等。引起產品現場故障的原因可能是復雜的，需要對故障表進行失效分析，并統計導致故障發生的主要缺陷和薄弱環節以及相應的外部應力，另外，還需要對關鍵電路、工藝以及物料進行可靠性關鍵因素分析，然后有針對性地評價產品中可能存在的風險點。表1給出了影響電能表可靠性的部分缺陷及其相應的檢測（暴露）方法。表1電能表部分缺陷及其檢測方法Tab.1Partialdefectsandtestmethodsofthemeters類別影響產品可靠性的缺陷電路電路功耗大導致耗電快功耗測試設計熱

16、降額設計不足導致高溫失效高溫工作評價類溫漂設計不當導致高溫參數超差高溫工作評價組裝焊接缺陷（虛焊、開裂等）光學顯微鏡觀察、機械應力試驗評價工藝類PCBA表面殘留離子導致漏電離子清潔度測試、潮熱試驗評價軸向引線二極管彎腳損傷芯片潮熱試驗評價、溫度循環評價多層陶瓷電容內部裂紋潮熱試驗評價、溫度循環評價物料變壓器內部線圈絕緣漆破裂潮熱試驗評價類光耦封裝污染導致鍵合腐蝕開路溫度循環評價貼片電阻端電極開裂、銀遷移等潮熱試驗評價、溫度循環評價3可靠性評價方案設計基于以上分析結果，提出一種智能電能表的可靠性定性評價方案，如圖2所示。B外觀檢查與電性能測試質量評價D環境耐久性試驗C1組裝工|C3表囿子藝外觀檢

17、查清潔度測試D1帶電潮熱試驗D2高溫D3帶電存儲工作溫度循環C2焊點切片觀察C4絕緣阻抗測試C4C1、C2工評價結果圖2可靠性評價方案Fig.2Diagramforreliabilityassessmentscheme帶包裝機械應力試驗本試驗是模擬電能表產品（帶包裝）在運輸、轉移、安裝過程受到的機械應力的影響，主要考慮隨機振動、沖擊兩種類型。目的是評估電能表的結構件、焊點在運輸和安裝過程中抵抗機械應力的能力，具體包括：（a）考查振動過程對LCD、變壓器、負荷開關、電解電容、電池等大體積組件的影響；（b）考查內部焊點、連接線、鎰銅片等的互連可靠性。進行本試驗的樣品包裝應當進行額外防護，或者在試驗

18、現場由包裝方重新包裝。一般電能表的帶包裝機械應力試驗可以參考國際包裝運輸協會ISTA-3E-2004等規定的隨機振動、沖擊試驗條件和方法進行。外觀檢查與電性能測試機械應力試驗后，拆除包裝再對產品進行外觀檢查和電性能測試，以考查機械振動試驗后電能表外觀、電氣性能的狀態是否符合產品技術規范要求，測得的合格結果參數也可以作為后續試驗的參考基準。需要說明的是，電能表可靠性評價項目試驗前后都應判斷產品是否出現功能失效或性能變化，且應當盡量覆蓋所有的功能和性能參數。表2給出了一般試驗前后需要監測的主要功能和性能參數。表2電能表電測項目Tab.2Electricaltestitemsofthemeters類

19、別監測項目主要相關電路性能類基本誤差、起動、潛動、日計時誤差計量、計時電路485、紅外、載波通信通信、存儲電路功能類停電、上電查表LCD、電池、按鈕、存儲拉閘功能控制、負荷報警電路組裝工藝質量評價產品的組裝工藝質量是影響產品的應用可靠性的重要內容，也是導致現場失效的重要原因。組裝工藝缺陷主要包括：（a）焊接缺陷，如焊錫珠、焊料過多、連焊、虛焊、焊點開裂、漏焊等；（b）裝配損傷，如LCD、陶瓷電容、貼片電阻的損傷；（c）導線壓傷；（d）電池、電解電容等大體積元件未加固；（e）PCB表面存在離子殘留、臟污，可能導致電遷移、漏電。因此，需要對電能表內部電路板進行組裝工藝外觀檢查、關鍵焊點切片觀察、離

20、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現此類工藝缺陷。電能表的組裝工藝質量評價可參考IPC-A-610E（組裝工藝焊點外觀）、IPC-TM-6502.1.1（切片觀察）、IPC-TM-6502.3.25c（離子清潔度測試）、IPC-TM-6502.6.3（絕緣阻抗測試）等標準進行。環境耐久性試驗電能表安裝后需要長期運行，必須考慮長期持續的氣候環境對可靠性帶來的影響。結合電能表的使用環境，主要考慮以下幾種環境耐久性試驗：（1）帶電濕熱試驗本試驗目的在于暴露產品由潮氣導致的相關失效，如：（a）PCB的過孔間可能出現導電陽極絲現象；（b）接線端子、鎰銅片出現腐蝕，可能導致漏

21、電、接觸不良、斷裂等；（c）存在污染的焊點可能出現電遷移；（d）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；（e）水汽在溫度變化條件下，或者經歷局部工作發熱后，可能出現凝露、水膜等現象。本試驗結束后，除了電性能測試外，還應當對產品內部進行絕緣阻抗測試，以檢測是否存在劣化現象。根據對6個不同型號電能表的摸底試驗結果，推薦先根據GB/T2423.34-2008試3敘Z/AD進行條件為（65立）C,（95匕）RH的帶電交變濕熱試驗（條件1）,試驗共10個循環（240小時），再進行（240500）小時溫度、濕度條件為（852）C,（853）%RH的帶電穩態濕熱試

22、驗。（2）高溫存儲、工作本試驗的目的是暴露產品在存儲或工作條件下由于持續高溫導致材料膨脹、性能劣化、熱疲勞等缺陷和薄弱點，例如：（a）7805、二三極管芯片的熱設計余量不足導致失效；（b）晶振經歷高溫后可能出現無法起振、頻率漂移的問題；（c）貼片電阻、陶瓷電容等元器件在高溫條件下性能漂移、退化。根據電能表摸底試驗結果，推薦進行（240500）小時（85105,蟲）C的高溫存儲、工作試驗。（3）帶電溫度循環本試驗目的在于暴露產品由于材料的熱膨脹系數不一致導致的缺陷和薄弱點：例如：（a）焊接不良引起的連接問題，如虛焊、冷焊、焊錫不足等；（b）多層陶瓷電容內部微裂紋在溫變條件下擴大；（c）用粘膠固定

23、的時鐘晶振經歷溫變條件下松動；（d）光耦、紅外接收頭等經歷溫變條件后可能出現信號傳輸異常；（e）PCB、玻璃二極管等在溫變條件下出現開裂、開路；（f）LED、計量芯片、MCU、數據存儲、ESAM、RS485通信芯片等器件內部不同材料界面分層引起的電連接問題；（g）變壓器連接端子在溫變條件下可能出現拉脫斷裂的問題。試驗結束后，除了電性能測試外，還應當對產品的焊點進行外觀和切片觀察，以檢測是否存在劣化現象。根據電能表摸底試驗結果，推薦進行（240500）次高溫為+125C,低溫為-55C,駐留時間為30分鐘，轉換時間小于3分鐘的快速溫度循環試驗。（4）鹽霧試驗本試驗的目的是評價電能表長期暴露在含鹽

24、大氣環境中的防護能力，同時模擬可能經歷的大氣污染物對電能表可靠性的影響，考查產品的結構密封性和電路的抗腐蝕性能。本試驗作為可選試驗，例如在濱海、島嶼等海洋環境氣候影響嚴重的地區使用的電能表應當進行鹽霧試驗。本試驗可參考GB/T-2000試3僉Kb進行。強度、時間的考慮電能表的環境耐久性評價的應力強度（溫度、濕度）、試驗時間可以參考通用的壽命應力模型進行計算。常用的模型有Arrhenius溫度加速模型、Eyring模型、以及Peck溫度濕度模型等。應用這些模型需要設定各自產品的激活能系數，否則可能導致計算出結果與實際相差甚遠。一種可行的方法是首先獲得產品的現場壽命分布數據，然后對同型號批產品進行

25、加速試驗，通過試驗結果數據和現場數據來計算激活能，并不斷進行迭代修正才能獲得產品準確的激活能系數。這種繁瑣過程對于廠家型號都較多的電能表驗收評價是不適用的。因此，當前條件下可以設定一個基準點，對不同廠家型號的電能表的可靠性水平進行定性考查。LCD及電池考慮智能電能表所用鋰電池（ER14250型）的典型工作溫度范圍是-55C+85C,在高溫條件下容易出現電解液揮發、漏液并存在爆炸的風險，因此在高溫存儲、工作試驗過程中應當先將電池拆卸。現場使用過程中電池壽命下降的另一種原因是電池以外的電路功耗過大，需要考查不同環境下電池以外的電路耗電情況。LCD的典型工作溫度范圍是-20+70。當試驗超過其工作溫

26、度一定范圍后，會出現支架形變、黑屏等故障，這些故障一般是由于材料本身局限導致的，應當予以排除。因此，電池和LCD的可靠性，需要單獨進行考核。4可靠性評價實施案例案例說明某電能表廠家按照相關產品技術要求和正常工藝生產一小批量產品作為試驗樣本母體，從中隨機抽取一定數量作為可靠性評價的試驗樣品，并由廠家進行包裝后送檢進行可靠性評價試驗。按照上述評價方案，送檢的全部樣品（帶包裝）依次進行機械應力試驗以及外觀、電測，然后從中隨機選取（36）只樣品分別進行組裝工藝質量評價，再隨機從前述步驟檢3合格的樣品中選取22只樣品分別進行濕熱、高溫存儲工作和溫度循環試驗。試驗結果與分析通過可靠性評價試驗，發現該批次電

27、能表存在以下問題：（1）組裝工藝外觀檢查發現電路殘留焊錫較多，貼片電阻兩端出現連錫現象；（2）帶電潮熱試驗約300小時后，發現2只樣品的計量功能出現故障，分析是由于內部電路焊點間出現焊料遷移導致。根據分析結果，判斷該批次電能表的生產工藝較差，主要表現為焊接和清洗工序控制不到位。如果該批次電能表大批量安裝使用，出現類似故障的風險將增加。5結束語文中研究探討了電能表可靠性評價的關鍵要素，提出了一種電能表的可靠性評價建議方案，同時給出了一些推薦的試驗方法和條件，并用實際評價案例進行了簡單闡述。下一步相關工作包括：（1）研究可靠性評價試驗結果與現場壽命分布之間的量化關系，從而可以給出明確的量化評價判據

28、；（2）研究LCD、電池等關鍵物料的可靠性評價方法、評價依據及其與整表可靠性的對應關系。產品可靠性工程涉及到設計、生產、試驗等各個環節，前期需要較多的人力、物力投入，但隨著可靠性工作不斷推進，它必定也能帶來豐厚的產出，為提升產品的質量可靠性提供技術保障。參考文獻Q/GDW364-2009,單相智能電能表技術規范S.Q/GDW364-2009,TechnicalspecificationforsinglephasesmartelectricitymetersS.2馮守超.單相智能電能表電氣性能評價方法研究D.華北電力大學，2013.FengShouchao.TheresearchonElectr

29、icalperformanceevaluationmethodofsingle-phasesmartmeterD.SchoolofEletricalandElectronicEngineering,2013.JB/T50070-2002,電能表可靠性要求及考核方法S.JB/T50070-2002,ReliabilityrequirementsandrelilibilitycompliancetestforelctricalenergymetersS.IEC-62059-31-1-2008,ElectricitymeteringequipmentDependability-Part31-1:Ac

30、celeratedreliabilitytesting-ElevatedtemperatureandhumidityS.IEC-62059-32-1-2011.Electricitymeteringequipment-Dependability-Part32-1:Durability-TestingofthestabilityofmetrologicalcharacteristicsbyapplyingelevatedtemperatureS.6浦志勇，林克.加速壽命試驗與電能表的可靠性試驗方法J.電測與儀表,2008,45(12):63-66.PUZhi-yong,LINKe.AcceleratedlifetestandmethodforreliabilitytestofkWhmeterJ.ElectricalMeasurement&Instrumentation,2008,45(12):63-66.7張松,李亦非.關于電子式電能表加速壽命試驗技術的研究J.電測與儀表,2010,47(7A):89-91.ZHANGSong,LIYi-fei.Researchforelectr