典型故障深层次原因分析电能表

典型故障深层次原因分析(电能表)典型故障深层次原因分析(电能表)典型故障深层次原因分析(电能表)八．提供以下典型故障的深层次的故障原因分析，提出技术和管理上的防范措施（一）概述公司是电能计量仪表行业最具技术影响力和发展潜力公司之一，公司拥有技术创新、先进制造和质量管理等核心优势。电能计量产品是可靠性技术、测量技术及数据处理等高新技术和经验技术相结合的高技术产品。公司拥有：经验丰富团队：公司主要研发人员丁敏华、杨光、刘峥嵘、姜干才、高宜华、张喜春、吴永岚、王蕾、陈伟等在电能计量仪表研发、生产上具有近二十年的技术和生产工艺经历。自主研发和关键核心技术：优秀的专业技术研发团队和技术服务团队，稳定可靠的技术平台，典型可靠设计方法，保证了产品的持续稳定可靠。测试体系及方法建设：公司重视测试体系和方法建设，测试方法和规程按国际、国家标准执行。根据产品的特性，建立了完整完善的研发测试体系，确保产品设完成之后满足各项标准以及客户需求。测试体系包括项目组自测、部门测试组验收测试、小批测试、中批量测试和产品性能极限测试，并在完全批产之后进行产品性能的定期抽检，确保产品整个制造周期内性能的一致。先进制造和质量管理：公司通过多年实践经验积累，形成了以信息化、自动化为核心的先进制造体系。拥有自主研发的先进的MES生产制造执行系统，成熟的工艺流程、先进的生产和检测设备保障了炬华科技用电信息采集系统产品和智能电能表产品制造水平处于国内领先地位。详见本章第（四）公司关键核心技术、产品平台、测试体系和生产质量保障建设（二）公司产品运行稳定可靠，未受到过国家电网关于质量和履约通报批评1.国网计量中心测试和连续中标公司积极参加国网用电信息采集系统建设，2009年公司参加国网计量中心电能表产品送检，单相智能表和三相智能表全部通过测试，是少数两款表型测试合格厂家之一。公司在2009年国网集中招标中单相智能表和三相智能表，是少数两款表型中标厂家之一。在国家电网后续智能电能表和用电信息采集系统产品招标中，连续中标。2.产品运行稳定可靠，未受到过国家电网质量和履约通报批评1）公司中标国网智能表产品自2010年交付，经局方检测合格后安装运行，产品稳定和可靠，现场未出现批次、批量问题和故障。2）公司中标产品运行至今，未受到过国家电网质量和履约通报批评。（三）典型故障的深层次的故障原因分析和提出技术和管理上的防范措施1.某供应商供货批次的智能电能表运行中发生计量严重失准。故障原因分析：电能表软件设计存在缺陷，该软件版本程序中计量芯片校验程序存在漏洞，智能电能表在快速停复电时，主处理器MCU未能成功将配置参数写入计量芯片，而后续程序也未对计量芯片的配置参数进行校验，计量芯片运行在错误的配置参数下，造成电能计量失准。1).电能表计量设计基本原理智能电能表设计一般采用专用高集成度计量专用芯片外加高速微处理器进行设计。微控制器（单片机）通过高速SPI总线对计量芯片进行读写控制，获取相应的计量数据；通过计量芯片的PULSE脉冲口获取电能量值；通过对计量芯片的RESET管脚进行复位，确保计量芯片始终可靠工作。2).造成计量失准故障原因深层次分析造成计量失准的根本原因是未对计量芯片参数监控，一般上电后要重新配置参数，过程中监控计量芯片参数，与存放在EEPROM的初始参数比较，一旦发现校验不对，及时重置。个别厂家设计人员经验不足，没有充分考虑上电过程中和运行过程中干扰，引起计量芯片参数乱和出错，没有程序容错设计，本故障是典型的计量芯片增益出错，导致脉冲常数与设置不同而引起计量失准。=1\*GB3①.硬件设计上有缺陷，造成易被干扰硬件设计中相关接口电路匹配参数错误，极易导致外界干扰数据总线操作，造成时序错误，导致计量芯片内部寄存器被错误或计量芯片死机等现象，计量异常。=2\*GB3②.软件设计流程上在上电程序初始化过程中以及在程序长期运行过程中，没有做好容错，均可能会造成计量严重故障。上电初始化后没有校核一次所有参数；正常运行过程中没有定期校核所有参数；校核操作仅仅针对校验和参数，未校核每一项参数；=3\*GB3③软件设计上规范上欠缺对校表参数的容错如果做得不够充分，在电能表长期运行中，极易造成校表参数丢失，从而导致计量故障，如下表所示：错误的设计方法设计错误的深层次原因正确的设计方法参数没有多备份对参数的读写极易被干扰，造成存储的数据错误，导致参数丢失，错误等现象；参数具有3个以上的备份。在参数错误情况下可以比较容易的恢复到正确值。参数存储没有校验和或校验和未容错处理参数读取后不能判断是否读取成功；或存校验和在一定概率无法判断是否成功。如参数值为0，校验和也为0，无法判断校验和是否正确。参数存储应跟随校验和，且校验和加“5A”容错；可以方便快速确认数据读取是否正确；参数多备份之间简单复制，没有容错几个备份复制后完全相同，导致容错不够充分，在特殊数值处理上会产生错误，如00或0xFF的处理。多个数据备份之间存在一定的逻辑关系，如异或处理，避免极值不容错的出现；多备份参数存储在存储器同一页面由于存储器存在页擦写处理方式，或读写其他参数时超出预期读写地址，极易导致相邻的数据被擦写或更改，导致备份也失效。数据应存储在不同的页面扇区中，避免被错误擦写。多备份参数存储在存储器映像地址区当EEPROM的IIC总线地址位被干扰后，会造成芯片中存储空间变成映像空间，导致读写时同时更改映像地址，备份数据失效。数据存储地址规划时，将多备份数据在EEPROM中的存储错开有可能的映像空间，避免问题产生。3).技术和管理防范措施计量是电能表的核心功能，我公司基于二十多年的丰富设计经验，强调风险管控前置模式，对计量相关的故障预防经验丰富，措施有效，从研发设计上、设计测试上、工艺控制上多管齐下防患于未然。=1\*GB3①.研发设计上a)硬件上设计中，对涉及相关计量部分电路，使用标准原理图库，经过市场充分运行验证；电路设计经过公司内部专家评审模式确认；设计采用统一标准，有效运用运行经验；b)软件上：对涉及相关计量的软件有专用的共享函数库，采用经过运行充分验证的计量函数，结合的规范数据接口，严谨的处理流程和构架，确保计量程序无任何隐患。=2\*GB3②.设计测试上a)硬件上提高标准等级进行测试，小批测试，中批抽样测试；b)软件上采用大量的标准测试用例，自动化测试软件进行大规模数据加载测试；模拟计量加速测试；对于非标部分，多轮次测试；c)可靠性测试：模拟现场大负载、程控上下电试验、快速上下电、慢上慢下电实验；及时发现设计和生产上产品缺陷。 模拟现场测试装置成熟产品长期监控，定期抽检进行全性能试验；载波、RS485通讯帧测试电能表也容易在载波、RS485通讯帧测试时，由于现场干扰引起数据帧纷乱或限长度，导致程序堆出错，程序飞走和用电数据出错。公司模拟通讯时非常态帧测试，保证程序可靠和稳定运行。=3\*GB3③工艺质量管控上a)关键节点软件自动监控，系统及时预警，及时发现异常；b)生产中的所有数据通过信息采集，系统自动分析监控；c）校表参数及预置参数经过多重比对，避免错误设定；d）常温和高温老化，系统自动实时监控比对，确保批量质量；2.某供应商供货批次的本地费控智能电能表由于软件程序设计缺陷，在频繁断电时会出现金额负跳变现象。故障原因分析：电能表在掉电时使用电解电容的储能为ESAM供电，使用时钟电池为MCU供电。当电能表检测到掉电时，MCU发起指令对ESAM执行扣费操作，当ESAM扣费成功后，而电解电容储能恰于此时耗尽，ESAM未能将扣费结果返回MCU，MCU误认为ESAM扣费未成功。在电能表再次上电时，由于电能表软件程序设计存在缺陷，未读取ESAM的剩余金额进行判断，MCU再次发送ESAM扣费指令，导致对ESAM中金额重复扣费，造成ESAM中的剩余金额低于EEPROM的剩余金额。1).电能表与ESAM设计基本原理现有智能电能表CPU与ESAM之间一般采用7816接口总线连接，以实现两者之间的数据传输。基本原理图如下：电源检测基本原理图现有电能表电源检测一般分为两种：1)采用电源检测芯片，当表计上电工作电源VDD降低到某个阀值时,电源检测芯片输出管脚置低（低电平），当表计上电工作电源VDD高于某个阀值时，电源检测芯片输出管脚置高（高电平）。此时，表计CPU通过判断引脚电平，为低电平时，表计为掉电状态，高电平时，表计为上电状态。2)将变压器整流后的电压，通过电阻分压后，得到检测电压,该电压随着外部市电电压变化而变化，表计可设置某个阀值，并定时采样检测电压，当检测电压低于该阀值时，表计为掉电状态，当检测电压高于该阀值时，表计为上电状态。一般更好合理采用后一种方式，以便更及时检测到掉电状态，CPU及时处理相关掉电程序，保证掉电处理任务完成。2).造成故障原因深层次分析造成故障的根本原因是程序设计和硬件设计配合，未充分考虑下电过程CPU供电和ESAM供电的协调，程序流程上不够完善，没有程序容错设计，本故障是典型的上下电程序缺陷和测试、试验不到位引起。=1\*GB3①.硬件设计上：系统电源设计余量不足，未能保证系统掉电过程所需电能；两个电路不是同一个电源，导致CPU处理时序失效，CPU又未能容错造成；=2\*GB3②.软件设计上：A、软件设计流程上进行保证，下图给出一个错误的流程，解释错误原因。下图给出一个正确流程图，解释预防的内容；3).技术和管理防范措施安全认证功能是电能表数据安全的核心功能，我公司基于二十多年的丰富设计经验，强调风险管控前置模式，对计量相关的故障预防经验丰富，措施有效，从研发设计上、设计测试上、工艺控制上多管齐下防患于未然。=1\*GB3①.研发设计上a)硬件上设计中，对涉及相关计量部分电路，使用标准原理图库，经过市场充分运行验证；电路设计经过公司内部专家评审模式确认；设计采用统一标准，有效运用运行经验；b)软件上：对涉及相关计量的软件有专用的共享函数库，采用经过运行充分验证的计量函数，结合的规范数据接口，严谨的处理流程和构架，确保计量程序无任何隐患。=2\*GB3②.设计测试上a)硬件上提高标准等级进行测试，小批测试，中批抽样测试；b)软件上采用大量的标准测试用例，自动化测试软件进行大规模数据加载测试；模拟计量加速测试；对于非标部分，多轮次测试；c)可靠性测试：模拟现场大负载、程控上下电试验、快速上下电、慢上慢下电实验；及时发现设计和生产上产品缺陷。 模拟现场测试装置d)载波、RS485通讯帧测试电能表也容易在载波、RS485通讯帧测试时，由于现场干扰引起数据帧纷乱或限长度，导致程序堆出错，程序飞走和用电数据出错。公司模拟通讯时非常态帧测试，保证程序可靠和稳定运行。e)快速插拔CPU卡测试对带CPU卡产品，由于不同插拔卡速度差异，影响CPU、ESM和CPU卡通讯可靠和数据可靠。公司制定了CPU卡的测试流程，严格进行常规测试和快速插拔等非常规测试，保证CPU卡、ESM和EEPROM数据，保障电能表可靠运行。f)

成熟产品长期监控，定期抽检进行全性能试验；3）=3\*GB3③工艺质量管控上a)关键节点软件自动监控，系统及时预警，及时发现异常；b)生产中的所有数据通过信息采集，系统自动分析监控；c）校表参数及预置参数经过多重比对，避免错误设定；d）常温和高温老化，系统自动实时监控比对，确保批量质量；3.某供应商供货产品在运行中发生计量严重失准。经分析原因在于生产工艺流程中手工分板操作存在缺陷，造成电能表计量芯片的基准源去耦电容C4出现损坏，导致电能表运行过程中计量芯片的采样数据放大，引起电能表计量失准。1).电能计量基准源电路原理及引起计量失准的基本原因电能表计量基准源是计量芯片内部分压后产生，外接电容滤波，一般接一个出C40.1uF贴片电容和一个10u或22u的电解电容或钽电容。个别厂家为节省成本，也有只设计一个0.1uF贴片。正确基准源电路不完善基准源电路正常时，Vref可由下列公式计算得到：=1\*GB3①.C4电容在是断非断情况下，容易造成变成电阻，电容C4变成电阻时，Vref可由其中：R1,R2为计量芯片内部基准电源部分被等效的电阻；R4为电容C4处于是断非断状态，变成电阻时的阻值大小；VCC为计量芯片的电源电压；=2\*GB3②.C4电容断裂，相当于开路此种情况如果有C5电容存在，将不影响计量。如果个别厂家为节省成本省了C5，此基准源容易受外部干扰，也将导致计量失准。2).造成计量失准故障原因深层次分析造成C4电容损伤的根本原因是采用手工分板，设计时电容方向不对，造成电容变电阻，引起基准源不对，造成计量失准，本故障是典型的设计和生产工艺欠缺。=1\*GB3①.贴片电容位置影响C4电容平行于分板方向布置，且处于线路板中心部位，远离边沿。线路板中心位置，受各个方向的应力形变较大，易造成电容裂开，开路。错误=2\*GB3②.用手工分板造成电容损伤拼版线路板人工分板时，由于操作员对掰板用力的控制把握不准，PCB板受剪切力形变，同时传导至电容C4（0805），剪切力会造成电容裂开，开路。手工分板图片=3\*GB3③.回流焊、波峰焊对贴片电容的影响贴片电容由陶瓷和金属的结合体。由于陶瓷体部分和金属部分热传导性差异较大，受到急冷和急热的情况下，陶瓷体容易产生宏观裂纹。=4\*GB3④.高温老化欠缺所致线路板、整表经过24小时60℃高温通电老化，电容C4（0805），处于线路板中心布置，受应力变化较大。通过高温通电老化筛选，能消除加工应力，挥发残余溶剂等物质，使潜伏的故障、缺陷提前出现，尽最大可能把产品的早期失效消灭在正常使用之前。3).技术、工艺上的防范措施：=1\*GB3①.设计早期预防a）遵循《线路板设计规范》对线路板进行严格评审。根据设计规范逐条排查，设计的工艺性。把可能出现的问题扼杀于萌芽状态。加强对新品的试流，在小批试流中，做到早期发现，及时修正。b）加强对产品的超工作环境状态的型式试验、高低温循环湿热试验。对线路板、器件（电容）受热胀冷缩引起的变形，以及应力传导的破坏性进行预估和修正。c）按照《线路板设计规范》把贴片电容C4转90度布置与V槽的；对于分板槽较长的线路板，可采用局部邮票孔联接方式，减少分板时的应力。正确=2\*GB3②.采用分板机裁板工艺a）采用机械分板机设备。裁切板线路板时，PCB板受力较均匀，同时传导至器件的剪切力较小，不易造成电容裂开，开路。b）人工掰板由于操作员掰板时用力大小较难把握，PCB板受剪切力形变较大，同时传导至电容C4（0805）的应力，会造成电容裂开、开路。分板机裁板图片=3\*GB3③.控制生产过程中温度对电容的影响回流焊、波峰焊对电容的影响。贴片电容由陶瓷和金属的结合体。由于陶瓷体部分和金属部分热传导性差异较大，受到急冷和急热的情况下，陶瓷体容易产生宏观裂纹。金属内电极部分的热传导性很好，热膨胀系数较大，在受热的情况下，金属部分和陶瓷部分存在一定程度膨胀不一致的情况，从而出现内部应力，容易造成瓷体微裂纹。大尺寸贴片电容，更为明显。所以在回流焊、波峰焊时要控制好温度曲线：预热时间要充分，确保电容器预热充分，预热温度要平稳增加，焊接后的冷却方法应尽可能是自然冷却，避免温度突变。推荐炉温温度曲线=4\*GB3④.高温老化线路板、整表经过24小时60℃高温通电老化，把器件（电容）如材质组织不稳定、表面污染、焊接空洞、芯片和外壳热阻匹配等不良加速暴露出来。一般产品缺陷，需要在元器件工作于额定功率和正常工作温度条件下，运行1000个小时左右方能全部被激活（暴露）。显然这样很麻烦、很费时，所以我们需要采取加速试验的办法来检测，即采用对元器件施加热应力，消除加工应力，挥发残余溶剂等物质，使潜伏的故障、缺陷提前出现，尽快使产品通过失效浴盆特性初期阶段，进入高可靠的稳定期。电子元器件的失效浴盆曲线图模块老化整机老化4.某供应商供货产品在运行中发生计量严重失准。经分析原因在于生产制造环节质量控制不严，电路板清洗质量未严格把关，部分元器件受到灰尘污染，故障电能表安装期间适逢梅雨季节，计量芯片基准电源的去耦电容C4管脚由于污染，在受潮后对地形成旁路导通，导致计量芯片基准源电压值向下严重偏移，造成采样值放大、电能计量失准。1).电能计量基准源电路原理及引起计量失准的基本原因电能表计量基准源是计量芯片内部分压后产生，外接电容滤波，一般接一个出C40.1uF贴片电容和一个10u或22u的电解电容或钽电容。个别厂家为节省成本，也有只设计一个0.1uF贴片。正确基准源电路不完善基准源电路正常时，Vref可由下列公式计算得到：C4电容在受潮情况下，容易造成变成电阻，电容C4变成电阻时，Vref可由其中：R1,R2为计量芯片内部基准电源部分被等效的电阻；R4为电容C4处于是断非断状态或受潮湿，变成电阻时的值大小；VCC为计量芯片的电源电压；C4电容在受潮或受到污染时情况下，容易造成变成电阻，此时电阻一般为几兆欧以上，此大电阻与内部电阻并联后，基准电压下降，误差变正，电能表快走。2).造成受潮计量失准故障原因深层次分析造成C4电容受潮的根本原因是线路板材容易受潮、清洗不到位，线路板三防漆涂覆工艺处理和流程欠缺，造成C4电容变潮变成大电阻，引起基准源不对，造成计量超差，本故障是典型的生产工艺欠缺和管理不严格造成。=1\*GB3①.线路板板材，防潮存在问题：线路板选材是非常重要的，若选用劣质材料的线路板极易受湿粘灰，导致C4管脚端绝缘阻抗下降，电能计量失准。线路板是一种湿敏器件，若没有按“湿敏器件工艺规程”管理（包装、储存、烘烤），极易造成线路板氧化、发霉。=2\*GB3②.助焊剂与线路板清洗不到位：线路板焊接时，贴片焊膏中的助焊剂，以及波峰焊时使用的助焊剂，均含少量卤素，若炉温过低助焊剂不能完全挥发，线路板会存在腐蚀性。焊接后线路板若不进行清洗或清洗不干净，残留助焊剂和灰尘污垢，造成产品采样值放大、电能计量失准。=3\*GB3③.三防漆涂覆工艺流程不规范：线路板若不经过高温老化除去了潮气后，喷涂三防漆，极易把潮气以及清洗时的残余溶剂，覆盖在涂覆三防漆的计量芯片区域内，造成潮气和残余溶剂无法挥发，使计量芯片引脚腐蚀，导致电能计量失准。=4\*GB3④.结构上防潮不严密：结构件外壳选材是较为关键的。若选用一般ABS材料，外壳易变形，表盖与底座不密合，密封防潮性能下降，造成线路板、计量芯片、电容受潮，绝缘性能下降，导致电能计量失准。=5\*GB3⑤.整机高温通电老化时间和检测欠缺：装成整机后，产品必须经过24小时70℃，通电加载老化、模拟实时运行老化。进一步挥发潮气，考验结构件外壳的形变，有效控制在极端环境条件下，产品的工作的稳定性，早期发现高温通电状态下的各种不良。3).技术、工艺、生产上的防范措施：=1\*GB3①.线路板选材及工艺管控线路板板材应采用性能优良的耐氧化、耐腐蚀FR-4双面环氧，在高温下，特别是在吸湿后受热下，其材料的机械强度、尺寸、粘接性、吸水性、热分解性、热膨胀性等各项参数稳定性较好，线路板表面工艺：采用有机保焊膜工艺---防氧化板（OSP），真空包装，有效防止氧化与腐蚀。PCB板是一种湿敏器件，必须按照《湿敏器件管控规范》来管理。库存线路板按防潮等级，分列放置在专用防潮柜内，按使用有效期先进先用，真空包装，开包后根据不同的板材质严格控制在空气中爆露时间，超时须进行烘烤，烘烤后才能上线使用或真空回包储存。只有实行工艺管控，才能防止线路板氧化、发霉。线路板防腐工艺措施：=2\*GB3②.助焊剂选型与线路板超声波清洗SMT印刷时焊膏中的助焊剂、波峰焊使用的助焊剂，应采用免清洗、低固含量的产品，减少助焊剂残留，对线路板的侵蚀。回流炉、波峰炉的炉温，按工艺要求定时进行炉温测试，确保线路板上器件的温度与要求的炉温曲线一致。焊接后线路板必须进行超声波清洗，超声波经粗洗、精洗和漂洗工艺过程，把超声波作用于清洗剂，使清洗剂产生分子振动，产生大量气泡，气泡撞击污物从线路板表面及器件引脚缝隙中脱落，达到清洁目的，有效的清除了助焊剂残留和灰尘污染，使产品在现场长期工作的稳定性。=3\*GB3③.三防漆涂覆工艺线路板若经过高温老化除去了潮气后，喷涂三防漆。线路板关键元器件区域涂覆三防漆，作为绝缘、防潮、防盐雾腐蚀、防霉处理。元器件关键区域包括：0.4mm密脚间距IC、计量区域、时钟区域。=4\*GB3④.结构设计、选材上防潮结构件壳材料采用优质工程塑料(含增强玻纤聚碳酸酯）。具有耐弱酸弱碱特性及抗紫外线；外壳与底盖的密封圈采用防腐蚀、耐用的硅胶发泡材料；采用防潮结构设计，结构件盖、底间设计较深的密封沟槽，四周环绕，使结构件盖、结构件底、端钮上结构件面通过密封圈压合连接在一起，确保密封性。确保密封防潮。=5\*GB3⑤.模块高温储存老化、整机高温通电老化模块线路板进行24小时高温储存老化，挥发助焊剂残留及潮气。产品整机无表盖通电老化，有效防止器件早期失效。产品装成整机后，必须经过24小时70℃的通电加载老化、模拟工作现场实时运行。进一步挥发潮气、残余物质，进一步消除加工装配时产生的应力。有效控制在极端环境条件下，产品的工作稳定性。把有缺陷的产品，消灭在正常使用之前。=6\*GB3⑥.生产环境（温、湿度）控制A）生产过程有温、湿度要求的生产场所（贴片、模块调试、校表、检表、出厂检室），按工艺规定要求控制温、湿度，做好环境控制记录。B）贴片、波峰、焊接、清洗工位进行大功率通风防护，用活性碳过滤后排放。C）外观检查场所确保光线充足，光线符合自然光的照明要求。=7\*GB3⑦.成品储存防潮措施成品包装加放干躁剂，确保产品防潮干燥。成品仓库保持良好通风、干燥，适当控制环境温、湿度。=8\*GB3⑧.产品测试和周期性测试 定期对智能电能表进行型式试验，防潮、防腐、防霉菌、防显热试验上必须进行72小时以上高温高湿72小时试验和长时间盐雾试验，确保产品完好，不受潮，可靠运行，计量精确。高温高湿72小时试验B）长时间盐雾试验交变湿热试验箱盐雾试验箱C)防水雨淋试验试验D)沙尘试验防水雨淋试验箱沙尘试验箱某供应商供货批次产品在运行中发生掉电黑屏故障。经分析原因在于智能电能表中的热敏电阻选型不当，当运行现场电压升高或环境温度升高时，流过热敏电阻的电流将增加，热敏电阻跳闸电流阀值将降低，一旦流过热敏电阻的电流达到其跳闸电流阀值，热敏电阻的阻值将急剧增加，造成智能电能表电源回路断电，导致掉电黑屏故障发生。1).电能表电源设计和热敏电阻的保护原理电能表电源设计时要考虑到抗380V或420V，一般要求达到4个小时420V不烧变，单靠变压器设计难以承受，变压器设计复杂，采用单独依赖变压方式电能表成本很高。一般采用变压器与热敏电阻结合方式，满足设计要求。=1\*GB3①.采用变压器和热敏电阻组合抗420V过压电能表中所使用的热敏电阻都是采用PTC材料的热敏电阻，在电能表中起过压保护等作用，在电能表起电压保护的PTC热敏电阻在电能表电源设计中的位置一般如下图所示：=2\*GB3②.热敏电阻的分类及温度曲线=3\*GB3③.PTC热敏电阻的保护原理如下PTC热敏电阻一般串联在负载电路中，当电路处于正常工作状态时,流过PTC热敏电阻的电流不足以使其温升超过居里温度而处于低阻状态，一旦电路出现故障或过压使回路中电流突增时,PTC热敏电阻的阻值因自热在短时间内上升3-4个数量级呈高阻状态将电路切断。当故障排除后，PTC热敏电阻器又恢复原导通状态。2).造成故障原因深层次分析由热敏电阻在电能表所处的位置图看出，发生此现象的主要原因是热敏电阻在电压升级和高温的同时作用下导致PTC热敏电阻的保护提前，造成系统掉电，追究造成故障的深层次的设计原因是由于PTC热敏电阻的选型不当所致、变压器的输出功率设计问题，还有对电能表所运行环境及其负载的变化考虑欠缺所致。=1\*GB3①.设计上选择热敏电阻不当出现故障的主要问题是设计上热敏电阻选型不当造成，只考虑常温和220V电压下能正常工作。热敏电阻选型未考虑下列因素：最大工作电压PTC热敏电阻器串联在电路中，正常工作时仅有一小部分电压保持在PTC热敏电阻器上，当PTC热敏电阻器启动呈高阻态时，必须承受几乎全部的电源电压，因此选择PTC热敏电阻器时，要有足够高的最大工作电压。不动作电流和动作电流为得到可靠的开关功能，动作电流至少要超过不动作电流的两倍。由于环境温度对不动作电流和动作电流的影响极大(见下图举例说明)，因此要把最坏的情况考虑进去，对不动作电流来说，选应用在允许的最高环境温度时的值，对动作电流来说，选应用在较低环境温度下的值。C）在最大工作电压时允许的最大电流需要PTC热敏电阻器执行保护功能时，要检查电路中是否有产生超过允许的最大电流的条件，一般是指用户存在产生短路可能性的情况。D）开关温度（居里温度）提供居里温度75℃、85℃、105℃、120℃的的过流保护元件，一方面，不动作电流取决于居里温度和PTC热敏电阻器芯片的直径；另一方面须考虑，这样选择的PTC热敏电阻器会有较高的表面温度，是否会在线路中导致不希望的副作用。一般情况下，居里温度要超过最高使用环境温度20~40℃。=2\*GB3②.测试上不完善出现故障的主要问题是设计测试上只考虑常温和220V电压下能正常工作，未考虑不同电压、不同温度下热敏电阻的特性。未进行高低温试验未进行不同电压测试未进行电表不同功能使用下测试未组合不同电压、不同温度下测试3).技术、工艺上的防范措施由于热敏电阻PTC的选型比较繁琐和一些不确定因素，公司电能表中，选用高性能的变压器和DC-DC稳压块能满足最大工作电压，尽可不用热敏电阻保护，毕竟PTC是保护器件，对计量和实际的工作没有任何作用，反而可能会产生一些不确定的因素。=1\*GB3①.电源设计电路上防范坚强电源设计保证产品质量公司在电能表电源设计时充分考虑到抗380V或420V4个小时不烧变，在满足CPU对计量、载波、RS485通讯、显示等要求时，尽量依靠变压器和高效率DC-DC电源电路，避免使用热敏电阻。确保电能表在不同电压、不同环境温度下正常使用。热敏电阻选型全方位兼顾如电能表产品不能依靠高效变压器和高效开关电源解决的设计方案中，采用热敏电阻。在设计中要兼顾以上几个参数，同时也要考虑变压器的最大输出功率、最小输入电压、最高工作温度等情况下于变压器进行参数匹配，在参数匹配下，再考虑一定余量进行选择最合适的PTC，只有两者匹配好，才能达到最好的效果。在变压器材料及参数发生变化时，需要及时调整PTC的参数选取合适的PTC。=2\*GB3②.测试上确保使用稳定可靠还针对使用PTC的电能表做高压及高温测试，在此情况下查看变压器和PTC的参数变压进行一些参数调整，这样使得PTC在现场的保护中不要起到不必要的副作用。公司十分重视对具有热敏电阻保护的电能计量产品进行严格测试，确保产品稳定可靠。设计测试上考虑常温和220V电压下能正常工作，同时测试不同电压、不同温度、不同工作状态下热敏电阻的特性。A)高低温试验(-45℃～85℃)B)不同电压测试(-154V～420V)未进行电表不同功能使用下测试(带负载、载波通讯、485通信、显示等不同状态下)以上A、B、C不同组合下测试环境温、湿度。高低温试验不同电压范围测试高温老化试验=3\*GB3③.周期性测试定期对智能电能表进行型式试验，确保产品在不同环境温度、不同电压和不同功能运行下测试和模拟试验，保证产品可靠运行和计量精确。6.某供应商生产制造过程管控存在缺陷，部分智能电能表在潜动阀值设置时人为录入错误，导致电能表在现场运行过程中发生潜动现象。1).电能表潜动阀值设置原理和要求=1\*GB3①.防潜动设计程序里未做潜动阀值，或潜动阀值过小，导致微小干扰信号被错误计量，发生潜动，设计中防潜门限一般默认为启动门限的30%-50%；=2\*GB3②.运行过程中产生潜动的主要原因电能表在安装运行过程中环境因数很多，如电能表安装电线靠近电能表壳体或环绕电能表，容易产生磁场，产生干扰，引起电能表潜动。现场接线如示意图如下：2).造成电能表潜动故障原因深层次分析=1\*GB3①.设计上存在缺陷没有防潜阈值设定，导致干扰信号被错误计量；有防潜阈值设定，但干扰产生的型号过大，防潜阈值未能实际起作用。过高的电磁场对表计的计量影响研究不够透彻造成。=2\*GB3②.设计工艺不成熟表内变压器在表计线路板的布置与锰铜采样位置距离太靠近，锰铜在变压器产生的磁力线范围内。变压器本身产生磁场、或受外磁场影响，对锰铜产生影响，导致锰铜阻值产生微少变化，导致潜动。=3\*GB3③.测试上不完善测试思路趋于日常正常使用，未多考虑极端影响情况。=4\*GB3④.生产工艺流程不严格电能表防潜动阀值、脉冲常数等一般采用程序固化形式，可靠保证不出错，不采用生产流程过程中设置。如采用设置方式，在生产设置防潜动阀值后必须进行参数比对，保证每个表设置参数正确。3).技术、工艺和管理防范措施=1\*GB3①.设计工艺上防范措施A)设计专利锰铜式样，完全避免锰铜采样片在电磁场下的影响B)变压器内部绕组方向更改，在电磁场下影响做到最小。C)计量电路采样采用特殊设计布线，将PCB所布采样线路在电磁场下的受影响做到最小。D）变压器在表计线路板的布置与锰铜采样位置距离尽量远离。E）锰铜采样线的绕紧处理。束口处也要处理，如图3。不宜采用图1和图2.图1错误图2错误图3正确=2\*GB3②.常规测试防范和极限测试A)常规测试防范对产品进行加不同微小电流进行潜动测试，保证产品潜动功能合格和符合相关国家标准和国家电网技术要求。B)极限测试1.结合产生影响的原理知识，自制电磁场影响环境，且用高于现场的环境影响条件测试表计防潜。电磁场强度高达120安匝。2．在不同的电磁场测试环境下，潜动试验测试时间为24小时，且不能有一个及以上的脉冲输出。3.表计在电磁场环境测试时，考虑表计与安装电线各种可能的交错方式，进行多方位测试。4.测试时提供的表计电压为日常实际使用的市电电压，不能采用电能表检验装置提供的电源。否则测试结果不可靠，导致错误判断。5.试验布置如下图，线圈为12匝，可通过调节输入电流控制电磁场的安匝数，通过调整表计与线圈的摆放，观察不同位置试验的影响。=3\*GB3③.生产管控措施我公司自主研发的“MES生产制造执行系统”能够管控整个生产过程信息。潜动阀值由工艺员根据订单工艺要求，编入工艺方案中，并通过项目主管审核。生产复检工序时，采用程控全自动误差检验装置，联网“MES系统”通过扫描条形码，自动调用潜动阀值等复检方案，自动完成基本误差、潜动、启动等复检工序，避免了人工录入出错。=4\*GB3④.产品全检和周期性抽检A）潜动检测潜动检验项目是公司电能计量产品全部采用全检项目之一，保证产品潜动全部符合设计要求和相关国家标准周期性测试公司品质安全管理部负责，定期进行生产产品潜动常规和极限状态下测试，保证产品潜动合格，现场使用不发生潜动。7.某供应商供货产品在验收检测过程中发生炸裂和电池故障。经分析原因在于制造工艺问题，由于电池焊接工艺存在缺陷，在长途运输过程中的振动造成电池焊脚断裂，电池正、负极发生脱落，触碰到电池周围的220V电路后，220V电路对电池进行反向充电或过充电，导致电池发生炸裂。1).电池基本构造和电路在智能电表中，由于时钟保存等需要，锂电池是关键的原器件之一。锂电池由于：①能量比较高②使用寿命长③额定电压高④具备高功率承受力强⑤自放电率低⑥重量轻⑦高低温适应性强⑧绿色环保，无有毒有害重金属元素和物质等优点在电能表中大批量使用，但毕竟由于锂电池的工作原理，锂电池在进行反向充电或过充电时存在炸裂和爆炸的安全隐患，这些需要通过电池生产厂家和电能表生产设计时进行避免。=1\*GB3①.电池的结构图（主要组成部分）：=2\*GB3②.电能表电池电路=3\*GB3③.3.6V锂电池电池不能充电3.6V锂电池电池不能充电，在电池电路上要选择反向漏电流极小的二极管，防止反向充电造成电池爆炸；同时应远离超过5V电源，特别是220V电源，防止电池脚碰到，引起爆炸。2).造成故障原因深层次分析:造成电池爆炸的主要原因为设计、工艺和制造上原因，设计上选择质量较好的电池，电池引脚质量较差，没有远离220V电源，工艺焊接上没有采取双面焊接或打胶固定电池，造成电池焊接不好，经过振动、运输等环节脱落造成反向充电引起。=1\*GB3①.设计上缺陷设计上电池没有远离远离超过5V电源，特别是220V电源。电池选型上未注意电池质量和引脚的可焊性和引脚的刚度和柔软度，防止电池运输中振动中脱落。=2\*GB3②.焊接工艺上未到位由于电池引脚较长，相对其他器件重量较重，不应采用单面焊接或不打胶工艺，容易引起电池脚断，造成故障。电池单面焊接示意图电池焊接不到位示意图=3\*GB3③.产品测试未做振动、冲击试验电能表厂家一般需要长途运输，中间要经过不同的路况，电能表受到的振动和冲击。本故障产生也有厂家没有经过批量产品出厂型式试验，未做振动和冲击造成。3).技术和管理防范措施=1\*GB3①.设计上注意电池选型和电池位置A)3.6V电池选型在电能表设计采用优质厂家的高性能的防爆电池，并严格控制每批器件的进货检验，保证器件本身的问题降到最低，并且在生产上我公司在采取了以下几个措施防范此类事件的发生。针对电池的设计和材料的选型，防止电池爆炸，电池厂家在设计和选材时特别需要注意几点：a)为了防止电池的正负极直接碰触而短路，电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸，来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时，自动关闭细孔，让锂离子无法穿越，防止危险发生，因此选择好的隔膜纸很重要；b)电池针脚焊接一定要控制好焊接工艺；一次锂电池生产厂家在多次试验中对锂电池的内在结构和外部排气阀上做了适当调整，在高功率电池正极端加上热敏感可恢复性保险丝，并在这种安全措施比较有效降低锂电池爆炸的几率。因此，在电池的技术选择上，需要选择优质电池和专业的生产厂家显得更加关键，3.6V电池选择韩国的Tekcell和SAFT电池（价格较高），两种电池我公司经过10年使用未出现任何质量问题，保证炬华科技产品质量。B)3V电池选型三相表停电抄表电池一般选择高能量的锂锰柱状电池，3V电池选择就有防爆功能的武汉力兴电池，两节封装，安全可靠。该电池具有泄放能量小孔，如下图右，防止电池充电有充电或短路发热热时，产生的压力泄放，不发生爆炸和燃烧。同时采用双节CP-2封装，保证安全可靠。该电池我公司经过5年使用未出现任何质量问题。C)电池表内位置布局注意点电池电路及电池位置在整个电路板设计上远离220V高压部分，选择在低压区放置，以防止万一一脚脱落情况下，触碰高压部分；图为：电池放置位置在非高压区电池管脚周围尽量预留一定的安全距离，在此距离内不放置器件。如图：=2\*GB3②.生产工艺严格把关A)双面焊接电池在焊接时，电池管脚在PCB上的焊盘要选择合适，并且需要在正反面两边都要焊接，保证焊接的可靠性和牢固性；如下图（电池正面+电池焊脚反面）所示：电池固定电池底面和PCB之间加胶水，增加电池在PCB板上的牢固性=3\*GB3③.严格的振动、冲击试验电能表厂家一般需要长途运输，中间要经过不同的路况，电能表受到的振动和冲击。电能表产品设计定型、批量生产应抽检，进行6个面的振动和冲击试验，确保产品在振动、冲击下完好，产品正常可靠运行。8.某供应商供货单相载波费控智能电能表在现场运行环境下进行载波通信时，由于变压器容量设计不足，可能随机发生MCU和计量芯片掉电，造成计量芯片参数被复位，电能表呈现正误差超差。1).电能表电源设计基本要求=1\*GB3①.电能表电源设计电能表电源设计因满足计量、CPU、载波、RS485、显示等功能模块的供电要求，特别注意在产品全部功能打开时的供电需求。=2\*GB3②.掉电检测电路现有电能表电源检测一般分为两种：1.采用电源检测芯片，当表计上电工作电源VDD降低到某个阀值时,电源检测芯片输出管脚置低（低电平），当表计上电工作电源VDD高于某个阀值时，电源检测芯片输出管脚置高（高电平）。此时，表计CPU通过判断引脚电平，为低电平时，表计为掉电状态，高电平时，表计为上电状态。2.将变压器整流后的电压，通过电阻分压后，得到检测电压,该电压随着外部市电电压变化而变化，表计可设置某个阀值，并定时采样检测电压，当检测电压低于该阀值时，表计为掉电状态，当检测电压高于该阀值时，表计为上电状态。一般更好合理采用后一种方式，以便更及时检测到掉电状态，CPU及时处理相关掉电程序，保证掉电处理任务完成。=3\*GB3③.载波模块接口设计要求单相智能表载波接口三相智能表载波接口VCC为通信模块模拟部分电源，电压范围：＋12V～＋15V，输出功率：1.5W。滤波电容放电时间常数不小于10倍工频周期，总容量不小于2200F）。VSS为通信地。VDD为通信模块数字部分电源，电压：5V±5%，电流：50mA。RXD为模块给电能表发送信号引脚。TXD为电能表给模块发送信号引脚。/SET为MAC地址设置使能；低电平时，方可设置载波模块MAC地址。STA为模块状态引脚，接收时地址匹配正确输出0.2s高电平；发送过程输出高电平，表内CPU判定载波发送时禁止操作继电器。/RST为模块复位输入引脚（低电平有效）。EVENTOUT为电能表事件状态输出，当有开表盖、功率反向、时钟错误、存储器故障事件发生时，输出高电平，请求查询异常事件；查询完毕输出低电平。2).造成电能表故障原因深层次分析造成“单相载波费控智能电能表在现场运行环境下进行载波通信时计量芯片被复位、电能表呈现正误差超差”的根本原因是电能表电源设计存在问题，设计未充分考虑电能表在带载情况下，所有功能打开时的电流需求，导致电能表处于工作临界状态，不断复位。同时测试上存在按常规测试，未考虑极限状态下电能表运行，是设计和测试经验不足的体现。=1\*GB3①.变压器容量设计不够：变压器设计余量不足，导致通讯等需要较大功率时拉低电压，造成系统掉电。一般采用加大变压器输出功率表、更改LDO电源为DC-DC电源提升电源效率，得到改善；=2\*GB3②.载波模块接口设计未达设计要求设计中未按照国家电网公司的电能表相关型式规范要求对载波电源进行设计，接口电源达不到设计指标。VCC为通信模块模拟部分电源：电压范围：＋12V～＋15V，输出功率：1.5W。滤波电容放电时间常数不小于10倍工频周期，总容量不小于2200F）。VDD为通信模块数字部分电源：电压：5V±5%，电流：50mA。=3\*GB3③.设计中掉电检测点的设计错误的掉电电压监测点选择会导致CPU误判掉电，进入低功耗运行，从而造成计量芯片复位；错误的掉电电压门限设计也会导致通讯等大功率运行时电压波动下CPU误判掉电。掉电检测点应选择在CPU电源输入的前级，并较好的与其他工作电路隔离，可以避免出现此类故障。=4\*GB3④.设计上未按功率需求分离电源电源设计中未将瞬时大功率输出电路模块与CPU系统电源隔离设计，导致大功率运行时影响CPU系统电源，造成系统误判，形成故障；=5\*GB3⑤.测试上不完整测试是解决设计缺陷的关键措施之一，该原因未测试电能表在带载工作，载波平凡通讯状态下，不同电压范围（-30%～+30%）下运行状况。3).技术、工艺和管理防范措施=1\*GB3①.电源设计上防范措施充分考虑电源设计的合理性，载波电源和CPU电源、计量电源分路，在载波通讯时不影响电能表工作和计量正常。采用高效载波和CPU、计量芯片分路供电充分考虑电源设计的合理性和余量，考虑电能表在载波通讯、负控开关动作时带负载正常可靠运行。载波电源和CPU电源、计量电源分路，在载波通讯时不影响电能表工作和计量正常。采用高效采用高性能DC-DC开关电源，提升电源使用效率掉电电源检测点防置与载波电源电路隔离，避免干扰掉电检测电路防放置前端，并与载波电源隔离，避免因载波通讯时拉低电压，造成假性掉电事件。设计上满足载波接口技术要求设计中应该严格按照国家电网公司的电能表相关型式规范要求对载波电源进行设计，并预留足够余量，同时设计中应该考虑在各种极限情况下的电源输出能力，如最低正常工作电压输入、最高工作环境温度，最大载波通讯负荷等情况，并需要增加防止故障发生的保护电路。=2\*GB3②.产品测试上防范措施A)载波通讯适应不同载波模块常规测试产品设计测试除常规功能性能测试，载波表应适应不同功率要求的载波模块（鼎信、东软、晓程、瑞斯康等），确保载波通讯时电能表计量、显示、负控功能正常。B)载波接口测试载波接口测试是非常关键的，必须满足国家电网公司关于载波接口输出电压电流技术要求。VCC为通信模块模拟部分电源：电压范围：＋12V～＋15V，输出功率：1.5W。滤波电容放电时间常数不小于10倍工频周期，总容量不小于2200F）。VDD为通信模块数字部分电源：电压：5V±5%，电流：50mA。极限测试公司在产品测试上不仅完成上述常规测试和载波接口测试，还进行电能表在不同电压、不同工作环境、载波通讯下极限测试。a)高低温试验(-45℃～85℃)b)不同电压测试(-154V～312V)未进行电表不同功能使用下测试(带负载、载波通讯、485通信、显示等不同状态下)以上A、B、C不同组合下测试=3\*GB3③.生产工艺和产品检测上防范措施公司生产工艺规程严格，生产过程中流程规范，对载波智能电能表在生产流程中检测每个表载波接口；检测每个表载波通讯功能，确保产品现场可靠运行。