智能电能表可靠性评价方法研究与探讨-电测与仪表

智能电能表可靠性评价方法研究与探讨
薛阳1，张蓬鹤1，王雅涛1，何胜宗2，彭泽亚2，武慧薇2（1.中国电力科学研究院，北京100192; 2.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）
摘要：智能电能表批量上线之前如何评价其可靠性是一项重要的研究课题。

阐述了产品典型失效特征以及当前用于考核电能表的可靠性特征指标的不足之处。

从电能表的环境剖面和任务剖面入手，探讨分析了当前的验收检验项目，以及电能表的主要缺陷和敏感应力。

提出了一种电能表的可靠性评价建议方案，实际评价案例结果表明该方案具有一定的评价效果，也为可靠性量化评价作了铺垫。

关键词：智能电能表；可靠性评价；可靠性；缺陷
中图分类号：TP202 文献标志码：A 文章编号：
Study and Exploration on Reliability Assessment Method for
Smart Electricity Energy Meters
XUE Yang1, ZHANG Peng-he1, WANG Ya-Tao1, HE Sheng-zong2, PENG Ze-ya2, WU Hui-wei2
(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China. 2. The Fifth Electronics Research Institute of
Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610, China)
Abstract: How to assess the reliability of the smart electricity energy meters before batch installation has become an important issue. Typical failure features and the shortage of the reliability characteristic index used by electricity energy meters were expatiated. Starting from the environment plane and task plane, the check and test items, main defects and sensitive stresses were discussed and analyzed. A recommended reliability assessment scheme for electricity energy meter was put forward. The results of an actual assessment case proved the effectiveness of the scheme, which put a road for quantized reliability assessment.
Keywords: smart electricity energy meter, reliability assessment, reliability, defect
0 引言
近几年来，随着智能电能表大批量上线，其可靠性问题逐渐暴露出来，引起了电力管理部门的高度重视。

如何在批量上线之前对智能电能表进行可靠性评价验收，成为一项重要的研究课题。

国家电网于2009年颁布了Q/GDW364[1]等一系列智能电能表规范，涵盖了技术指标、机械性能、环境适应性、功能要求、电气性能、抗干扰及可靠性等技术要求、验收要求以及运行质量管理要求。

这些标准对于提高和完善电能表的标准体系和管理水平起到了重要作用[2]，然而，依据这些规范进行层层检测验收，还不足以有效地剔除潜在缺陷的产品，电能表的可靠性评价和验收工作有待进一步加强。

JB/T 50070-2002[3]规定了电能表的可靠性要求和考核方法，该方法模拟现场使用条件，与现场存在一定的对应性，但该标准是从传统机械式电能表移植到电子式电能表，而且可靠性验证的单台样品试验时间长、试验成本高，试验可执行性差，不适用于当前大批量采购、验收工作。

IEC 62059系列标准对交流电测量设备的可信性进行了定义，并给出了其可靠性加速试验和部分耐久性试验的方法。

其中，IEC62059-31-1[4]提供了一种利用恒定加速应力（高温和潮湿条件）对测量设备进行可靠性寿命估计的试验方法，并给出了温度、湿度的应力寿命模型，同时还考虑了电压、电流变化导致的温度变化因素。

利用该方法，使单台样品试验时间从几千小时下降到几百小时，缩短了可靠性评价的时间。

IEC62059-32-1[5]给出了高温条件下考查测量设备计量稳定性的试验方法。

文献[6-8]是在IEC 62059-31-1的基础上进行应用或者改进的电能表可靠性的预计和验证试验方法。

然而，在实际环境中，电能表所面临的环境条件是多变的，恒定高温、潮湿以及高温条件下暴露出的产品问题，不能够覆盖所有故障类型。

因此，一种有效的可靠性评价方法仍然值得深入研究。

本文结合电子产品可靠性工程经验，分析智能电能表的整个生命周期过程所面临的环境条件，各阶段存在的可靠性问题，探讨了智能电能表可靠性评价的考虑要素，提出了一种电能表的可靠性评价建议方案，并用实际案例进行了简单阐述。

1 可靠性基本概念
1.1可靠性特征指标
产品的可靠性可以用可靠度来定量表述，它是指产品在规定的条件下和规定的时间内，满足特定功能的概率。

根据Q/GDW364-2009，电能表产品的
可靠性特征量规定为平均寿命（MTTF ，Mean Time To Failure ，故障前的平均工作或存储时间），要求电能表在正常工作条件下，MTTF 不少于10年。

出厂前经过严格筛选、老练和调校的电能表的寿命分布可以用指数分布描述[9]，其可靠度R(t)为：
t
t
MTTF
R(t)e
e
λ-
-== （1）
其中，λ为失效率，对于指数分布，λ是MTTF 的倒数。

按照（1）式计算，到第10年结束时，电能表的可靠度为0.368，意味着累计63.2%的电能表已经出现故障，需要维修或报废，这种结果对于电力公司而言，显然是不可接受的[8,10]。

规定电能表可靠性特征指标时，一种更为恰当的方法是指明其累计失效率，例如，正常条件下工作十年的累计失效率不超过10%（置信度90%）。

这种规定方法，比指定MTTF 更加合理和具有约束力。

1.2电子产品失效特征
根据电能表现场运行故障统计数据，电能表同样具有类似“浴盆曲线”的失效分布特征，呈现早期和损耗期失效率高、偶然失效率低的特点[10]。

其中，早期失效期大多是由于质量控制不严引入的缺陷和损伤导致的，如电路和结构设计缺陷、物料缺陷以及装配、运输和安装过程中引入的损伤等。

偶然失效一般是由于产品自身耐受电、热、化学等的强度不足并在外部随机应力条件下触发的，如产品的耐压、热设计和雷击防护等的余度不足或出现退化，在外部偶然性的异常高电压、高温和雷击放电等作用下导致故障。

偶然失效还包括产品的误用滥用、不明原因导致的失效。

损耗期失效主要是由于元器件材料老化、界面疲劳以及维护不当等导致，如温度、水汽、温度变化、辐射等应力的长时间累积作用所致。

结合表厂对返修电能表的故障分析结果，大多数现场失效属于早期失效和偶然失效。

1.3可靠性评价工作
可靠性评价是定性或定量地对产品的设计、物料、生产和使用过程进行可靠性评估，发现其中可能影响产品功能、性能的缺陷和薄弱环节。

它涵盖了量化的寿命评价内容，即评估产品能否达到预期的使用寿命。

一般来说，可靠性评价的对象是按照正常工艺生产的批产品，根据当前国家电网电能表的采购招标供货模式，应当在决定批量供货之前对电能表进行可靠性评价。

可靠性评价的目的包括：（a ）定量地评估电能表产品批的可靠性寿命水平是否达到设计预期。

定量评估电能表的寿命可以通过它的寿命件进行评估来获得，如电池、LCD 、电解电容等易损元器件；（b ）评估产品批所采用的电路结构、物料、生产工艺等
是否存在容易引起现场故障的潜在缺陷，如贴片陶瓷电容存在裂纹、焊接过程存在虚焊等；（c ）评估产品对于某种应力条件的适应性、耐久性，如高温、潮热、电磁干扰等环境条件下电能表的适应性和耐久性；（d ）评估产品批的实际安全工作极限，如临界输入电压、最高工作温度、最大负载水平等。

可靠性评价与一般质量检验的差别在于，质量检验的重点在于测试产品的性能是否符合设计规范，而可靠性评价更关注特定条件下产品的性能适应性和变化趋势。

因此，可靠性评价是要通过适当的检验手段、方法把产品中潜在的缺陷和薄弱环节尽早暴露出来，避免应用后才逐渐表现出来。

2电能表可靠性评价考虑要素 2.1环境剖面和任务剖面
电能表的环境剖面是指出厂开始直至现场使用寿命终了或退出使用的整个寿命期可能经历的事件和条件。

结合其结构特点，电能表在运输、贮存、安装、使用过程中的环境应力，主要有：机械振动、温度、湿度，部分地区可能还要考虑灰尘、盐雾等条件。

环境剖面可参考GB/T 4798-2008标准制订。

任务剖面是指在预期工作任务中，主要可能经历的事件和条件，它是产品寿命期间环境剖面的一个片段。

具体来说，电能表的任务剖面是指在一个自然日（月、年）的时段内，电能表所经历的电压、负载条件以及外部气候环境条件。

从整个寿命期来看，还应当考虑电压、负载条件随时间的变化情况。

电能表产品生命周期过程如图1所示。

图1 电能表产品生命周期过程
Fig.1 Procedure during the product life period of
electricity energy meters
2.2现有产品检验过程
Q/GDW364-2009等规范中的检验项目主要是考查电能表产品在出厂或到货时的质量水平，所进行的环境试验也主要是考察电能表的环境适应性，并没有考查产品的环境耐久性问题。

根据可靠性工程经验，经过严格检验的合格产品在初期阶段的功能、性能状态都较好，常规检测一般都不易暴露产品潜在的缺陷和薄弱点。

而这些缺陷和薄弱点正是可靠性评估工作需要关注的重点。

另外，现有的验收检验方法主要是通过电学测试的方式进行检验，对于工艺中存在的焊点虚焊、开裂、离子污染等影响产品可靠性的缺陷不一定能够发现，必须通过显微镜观察等手段才能检测出来。

2.3主要缺陷和敏感应力分析
根据电网运行监测数据，现场故障率从高到低排序依次是通信、计量功能、显示、控制、处理单元、电源电池等。

故障原因主要有几种类型：（a）电路设计缺陷，如电压浪涌防护不足、降额设计不足、参数漂移考虑不到位等；（b）工艺相关的缺陷，如组装焊接缺陷等；（c）物料自身质量缺陷；（d）超技术规范使用，如输入电压过高、环境温度过高等。

引起产品现场故障的原因可能是复杂的，需要对故障表进行失效分析，并统计导致故障发生的主要缺陷和薄弱环节以及相应的外部应力，另外，还需要对关键电路、工艺以及物料进行可靠性关键因素分析，然后有针对性地评价产品中可能存在的风险点。

表1给出了影响电能表可靠性的部分缺陷及其相应的检测（暴露）方法。

表1 电能表部分缺陷及其检测方法
Tab1.Partial defects and test methods of the meters 类别影响产品可靠性的缺陷检测方法
电路设计类电路功耗大导致耗电快功耗测试
热降额设计不足导致高温失效高温工作评价温漂设计不当导致高温参数超差高温工作评价
工艺类组装焊接缺陷（虚焊、开裂等）
光学显微镜观察、
机械应力试验评价PCBA表面残留离子导致漏电
离子清洁度测试、
潮热试验评价
轴向引线二极管弯脚损伤芯片
潮热试验评价、
温度循环评价
物料类多层陶瓷电容内部裂纹
潮热试验评价、
温度循环评价变压器内部线圈绝缘漆破裂潮热试验评价光耦封装污染导致键合腐蚀开路温度循环评价贴片电阻端电极开裂、银迁移等
潮热试验评价、
温度循环评价
3可靠性评价方案设计
基于以上分析结果，提出一种智能电能表的可靠性定性评价方案，如图2所示。

图2 可靠性评价方案
Fig.2 Diagram for reliability assessment 3.1带包装机械应力试验
本试验是模拟电能表产品（带包装）在运输、转移、安装过程受到的机械应力的影响，主要考虑随机振动、冲击两种类型。

目的是评估电能表的结构件、焊点在运输和安装过程中抵抗机械应力的能力，具体包括：（a）考查振动过程对LCD、变压器、负荷开关、电解电容、电池等大体积组件的影响；（b）考查内部焊点、连接线、锰铜片等的互连可靠性。

进行本试验的样品包装应当进行额外防护，或者在试验现场由包装方重新包装。

一般电能表的带包装机械应力试验可以参考国际包装运输协会ISTA-3E-2004等规定的随机振动、冲击试验条件和方法进行。

3.2外观检查与电性能测试
机械应力试验后，拆除包装再对产品进行外观检查和电性能测试，以考查机械振动试验后电能表外观、电气性能的状态是否符合产品技术规范要求，测得的合格结果参数也可以作为后续试验的参考基准。

需要说明的是，电能表可靠性评价项目试验前后都应判断产品是否出现功能失效或性能变化，且应当尽量覆盖所有的功能和性能参数。

表2给出了一般试验前后需要监测的主要功能和性能参数。

表2 电能表电测项目
Tab2.Electrical test items of the meters
类别监测项目主要相关电路
性能类
基本误差、起动、潜
动、日计时误差
计量、计时电路
功能类
485、红外、载波通信通信、存储电路
停电、上电查表
LCD、电池、按
钮、存储
拉闸功能控制、负荷
报警功能报警电路
3.3 组装工艺质量评价
产品的组装工艺质量是影响产品的应用可靠性的重要内容，也是导致现场失效的重要原因。

组装工艺缺陷主要包括：（a）焊接缺陷，如焊锡珠、焊料过多、连焊、虚焊、焊点开裂、漏焊等；（b）装配损伤，如LCD、陶瓷电容、贴片电阻的损伤；（c）导线压伤；（d）电池、电解电容等大体积元件未加固；（e）PCB表面存在离子残留、脏污，可能导致电迁移、漏电。

因此，需要对电能表内部电路板进行组装工艺外观检查、关键焊点切片观察、离子清洁度测试以及小间距布线之间的绝缘阻抗测试，从而有效而快速地发现此类工艺缺陷。

电能表的组装工艺质量评价可参考IPC-A-610E （组装工艺焊点外观）、IPC-TM-650 2.1.1（切片观察）、IPC-TM-650 2.3.25c（离子清洁度测试）、IPC-TM-650 2.6.3（绝缘阻抗测试）等标准进行。

3.4 环境耐久性试验
电能表安装后需要长期运行，必须考虑长期持续的气候环境对可靠性带来的影响。

结合电能表的使用环境，主要考虑以下几种环境耐久性试验：（1）带电湿热试验
本试验目的在于暴露产品由潮气导致的相关失效，如：（a）PCB的过孔间可能出现导电阳极丝现象；（b）接线端子、锰铜片出现腐蚀，可能导致漏电、接触不良、断裂等；（c）存在污染的焊点可能出现电迁移；（d）陶瓷电容器、计量芯片、光耦、二三极管、变压器、电解电容等随着水汽的侵入可能导致漏电；（e）水汽在温度变化条件下，或者经历局部工作发热后，可能出现凝露、水膜等现象。

本试验结束后，除了电性能测试外，还应当对产品内部进行绝缘阻抗测试，以检测是否存在劣化现象。

根据对6个不同型号电能表的摸底试验结果，推荐先根据GB/T 2423.34-2008 试验Z/AD 进行条件为（65±2）℃，（95±3）%RH的带电交变湿热试验（条件1），试验共10个循环（240小时），再进行（240～500）小时温度、湿度条件为（85±2）℃，（85±3）%RH 的带电稳态湿热试验。

（2）高温存储、工作
本试验的目的是暴露产品在存储或工作条件下由于持续高温导致材料膨胀、性能劣化、热疲劳等缺陷和薄弱点，例如：（a）7805、二三极管芯片的热设计余量不足导致失效；（b）晶振经历高温后可能出现无法起振、频率漂移的问题；（c）贴片电阻、陶瓷电容等元器件在高温条件下性能漂移、退化。

根据电能表摸底试验结果，推荐进行（240～500）小时（85～105，±2）℃的高温存储、工作试验。

（3）带电温度循环
本试验目的在于暴露产品由于材料的热膨胀系数不一致导致的缺陷和薄弱点：例如：（a）焊接不良引起的连接问题，如虚焊、冷焊、焊锡不足等；（b）多层陶瓷电容内部微裂纹在温变条件下扩大；（c）用粘胶固定的时钟晶振经历温变条件下松动；（d）光耦、红外接收头等经历温变条件后可能出现信号传输异常；（e）PCB、玻璃二极管等在温变条件下出现开裂、开路；（f）LED、计量芯片、MCU、数据存储、ESAM、RS485通信芯片等器件内部不同材料界面分层引起的电连接问题；（g）变压器连接端子在温变条件下可能出现拉脱断裂的问题。

试验结束后，除了电性能测试外，还应当对产品的焊点进行外观和切片观察，以检测是否存在劣化现象。

根据电能表摸底试验结果，推荐进行（240～500）次高温为+125℃，低温为-55℃，驻留时间为30分钟，转换时间小于3分钟的快速温度循环试验。

（4）盐雾试验
本试验的目的是评价电能表长期暴露在含盐大气环境中的防护能力，同时模拟可能经历的大气污染物对电能表可靠性的影响，考查产品的结构密封性和电路的抗腐蚀性能。

本试验作为可选试验，例如在滨海、岛屿等海洋环境气候影响严重的地区使用的电能表应当进行盐雾试验。

本试验可参考GB/T 2423.18-2000试验Kb进行。

3.5 试验应力强度、时间的考虑
电能表的环境耐久性评价的应力强度（温度、湿度）、试验时间可以参考通用的寿命应力模型进行计算。

常用的模型有Arrhenius温度加速模型、Eyring 模型、以及Peck温度湿度模型等。

应用这些模型需要设定各自产品的激活能系数，否则可能导致计算出结果与实际相差甚远。

一种可行的方法是首先获得产品的现场寿命分布数据，然后对同型号批产品进行加速试验，通过试验结果数据和现场数据来计算激活能，并不断进行迭代修正才能获得产品准确的激活能系数。

这种繁琐过程对于厂家型号都较多的电能表验收评价是不适用的。

因此，当前条件下可以设定一个基准点，对不同厂家型号的电能表的可靠性水平进行定性考查。

3.6 LCD及电池考虑
智能电能表所用锂电池（ER14250型）的典型工作温度范围是-55℃～+85℃，在高温条件下容易出现电解液挥发、漏液并存在爆炸的风险，因此在高温存储、工作试验过程中应当先将电池拆卸。

现场使用过程中电池寿命下降的另一种原因是电池以外的电路功耗过大，需要考查不同环境下电池以外的电路耗电情况。

LCD的典型工作温度范围是-20℃～+70℃。

当试验超过其工作温度一定范围后，会出现支架形变、黑屏等故障，这些故障一般是由于材料本身局限导致的，应当予以排除。

因此，电池和LCD的可靠性，需要单独进行考核。

4 可靠性评价实施案例
4.1案例说明
某电能表厂家按照相关产品技术要求和正常工艺生产一小批量产品作为试验样本母体，从中随机抽取一定数量作为可靠性评价的试验样品，并由厂家进行包装后送检进行可靠性评价试验。

按照上述评价方案，送检的全部样品（带包装）依次进行机械应力试验以及外观、电测，然后从中随机选取（3～6）只样品分别进行组装工艺质量评价，再随机从前述步骤检验合格的样品中选取22只样品分别进行湿热、高温存储工作和温度循环试验。

4.2 试验结果与分析
通过可靠性评价试验，发现该批次电能表存在以下问题：（1）组装工艺外观检查发现电路残留焊
锡较多，贴片电阻两端出现连锡现象；（2）带电潮热试验约300小时后，发现2只样品的计量功能出现故障，分析是由于内部电路焊点间出现焊料迁移导致，如图3所示。

根据分析结果，判断该批次电能表的生产工艺较差，主要表现为焊接和清洗工序控制不到位。

如果该批次电能表大批量安装使用，出现类似故障的风险将增加。

（a）残留焊锡珠（b）电阻两端连锡
（c）变压器焊点焊料迁移（d）手工焊点焊料迁移
图3 评价案例典型缺陷形貌
Fig.3 Typical Appearance of the Assessment Case
5 结束语
本文研究探讨了电能表可靠性评价的关键要素，提出了一种电能表的可靠性评价建议方案，同时给出了一些推荐的试验方法和条件，并用实际评价案例进行了简单阐述。

下一步相关工作包括：（1）研究可靠性评价试验结果与现场寿命分布之间的量化关系，从而可以给出明确的量化评价判据；（2）研究LCD、电池等关键物料的可靠性评价方法、评价依据及其与整表可靠性的对应关系。

产品可靠性工程涉及到设计、生产、试验等各个环节，前期需要较多的人力、物力投入，但随着可靠性工作不断推进，它必定也能带来丰厚的产出，为提升产品的质量可靠性提供技术保障。

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作者简介：
薛阳（1987—），男，工程师，硕士研究生，从事电能计量模拟仿真与元器件检测技术研究。

Email：
xueyang3@
张蓬鹤（1978—），女，高级工程师，博士研究生，从事电能计量及电子元器件检测技术研究。

王雅涛（1986—），男，工程师，本科，从事元器件检测及可靠性技术研究。

何胜宗（1985—），男，工程师，硕士研究生，从事电子产品失效分析及可靠性技术研究。

Email：
heshz03@
彭泽亚（1985—），男，助理工程师，本科，从事电子产品失效分析及可靠性技术研究。

武蕙薇（1988—），女，助理工程师，硕士研究生，从事电子产品失效分析及可靠性技术研究。