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。