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赖荣光，邱泽鹏，陆鹰
(1.珠海安瑞通电子科技有限公司，广东 珠海 519000；
2.南方电网广西梧州供电局，广西 梧州 543000)
配电网一体化高压电能测量装置(简称“一体化装置”)是一种直接接入6～35 kV配电网电力线路测量有功电能与无功电能的数据终端[1]，为配电自动化系统和用电信息采集系统提供数据，实现联络、分界、分段关口的双向电能计量，线路分段计量考核与同期线损计算[2-5]，线路负荷监测与变压器的故障监测，高压防窃电监测与定位[6]，已成为近10年高压整体计量的研制与应用热点，目前国内投运数量超过10 000台。
一体化装置由电子式高压电流互感器(current transformer，CT)、电子式电压互感器(potential transformer，PT)、供电单元、电能测量单元、时钟单元和通信单元等组成，高度集成了高压取能、高压计量、无线通信等一二次融合技术[7-8]，各功能单元按一体化模块设计，封装在同一壳体内，使得其整体可以工作在高电压侧，有利于整体校验，其测量的电能精度为整体误差[9-11]。
对于一体化装置，要求其有10年以上的使用寿命，因而在研发设计、材料选型、生产制造到安装使用的全过程，对其安全性、可靠性、耐候性等都提出了非常高的要求。DL/T 2180—2020《配电网同期线损测量装置通用技术条件》除了规定交流耐压、冲击电压和局部放电(以下简称“局放”)等电气安全要求外，还规定了装置在非工作状态下温度-40～70 ℃的高低温试验。此类一体化装置的高质量要求主要体现在2个方面：①在运行环境方面，安装于10 kV架空线路或环网柜的一体化装置，实际运行于高电压、大电流的工作场合和交变湿热的外部环境，且受到各种应力(主要包括环境应力、电应力、电磁干扰[12-15])影响；
②在产品设计方面，一体化装置的某些功能模块密封在结构紧凑的小型化腔体中，包含有电路板、连接导线、通信天线、绝缘硅胶等，存在隐患。
一体化装置因其体积小、重量轻而具备整机批量老化试验条件。可实现批量老化处理的常规低压电子产品的老化试验方法[16]不适用于一体化装置的老化试验，原因有：①一体化装置直接从10 kV母线的线电压或相电压获取工作电源，老化时要在高压、大电流的高温环境下进行通电；
②高压老化试验受限于升压与升流设备的带载能力，以及受设备与建筑物的安全距离、设备接地、产品尺寸等综合影响。
针对上述存在问题，研究并设计了10 kV电压等级的高低温老化试验系统和老化方案，由软件控制实现一体化装置的整机通电老化检测，通过施加不同的工作电压、电流和控制所需的温湿度，模拟装置处于正常通电运行的高低温与交变湿热环境，依据检测结果分析电、热和湿等外部应力对产品可靠性的影响，将老化检测贯穿于产品设计、研制、生产和使用全过程，提前暴露电子元器件的与预期性能不符、早期失效，以及生产工艺的隐性缺陷，提高产品可靠性、稳定性，优化生产工艺，实现高压一体化装置的零缺陷、免维护。
1.1 老化试验系统组成
所研制的老化试验系统主要包括高压电能计量设备检验装置[17](下文简称“检定装置”)、恒温恒湿试验箱(下文简称“老化箱”)和检表软件，系统组成如图1所示。
图1 高压电能测量装置老化试验系统框图
检定装置包括三相电能标准表、三相低压程控功率源、10 kV高压升压器及其标准PT、10 kV高压升流器及其标准CT、多表位电能误差计[18]、高压与低压侧电流档位控制器等，电压输出为0～10 kV、电流输出为0～400 A，相位0°～360°，整体准确度等级为0.05级。通过直接对比标准表与被检设备的电能脉冲，可以准确得到被检设备的整体误差。
检表软件运行在安装了Windows系统的主控计算机上，以程控方式实现检定装置的三元件法升压与反馈、二元件法升流与反馈，并可执行定制的老化检测项目，判定检测子项的合格与否，将检测结果保存至数据库。
老化箱采用三相220 V供电，输入功率12 kW，自带液晶显示与触摸屏控制器，可调节输出温度-70～150 ℃和湿度20%～98%，具有恒温、恒湿控制功能，升温约4.0 ℃/min，降温约1.0 ℃/min。可直接将检验装置输出的A、B、C三相10 kV高压线接入与接出老化箱，以达到整机通电老化处理。另外，老化试验系统必须搭建专门的接地(接地电阻小于5 Ω)，不能采用普通的建筑接地。
1.2 检定装置升源控制
用检验装置与老化箱搭建一套在线老化试验系统，将高压引入老化箱，通过手动操作面板设定老化箱的温湿度，检定装置由检表软件自动实现升压升流控制。
三相低压程控功率源CL309通过内部的数字式信号发生器产生相序、幅值、相位、频率等参数均可控的三相数字电压和电流信号，这些数字信号经D/A转换成模拟信号，再由3组稳压、稳流、稳相功率放大器形成标准的三相低电压、电流信号。这些低电压、电流信号分别经升压器、升流器形成高电压和大电流信号，它们再由标准PT、CT反馈给三相电能标准表，由检表软件定时每秒读取标准表的电压、电流、相位等信号的实际值并与设定值进行比较，根据比较结果重新调整功率源的输出，即反馈给功率源内的信号发生器。利用这一反馈过程，通过2～5次(可设)的调整输出，可使升压器、升流器输出的各项参数满足检定指标要求，如电压0.8Un～1.2Un(Un为额定电压)，负载点0.01In～Imax(In为额定电流，Imax为最大电流)，功率因数阻性1.0、感性0.5(记为“0.5L”)、容性0.8(记为“0.8C”)，每次升源控制达到稳定输出的时间约为100 s。
1.3 电流档位控制
一体化装置的In标准值(每相)为5 A、10 A、15 A、20 A、30 A、40 A、50 A、60 A、75 A、100 A、150 A、200 A、300 A、400 A等，使用检验装置对一体化装置进行检验时，需要在全量程(0.01In～Imax)的负荷电流范围内实施。10 kV高压升流器及其标准CT(0.05级)的输入端与输出端各具有多个电流档位抽头，其对应关系参见表1和表2。10 kV高压升流器有5个一次接线输出档位，10 kV高压CT有6个一次接线输入档位和6个二次接线输出档位。
表1 10 kV高压升流器量程与接线关系
表2 10 kV高压CT一二次接线对应关系
在现有大多数依靠10 kV高压升流器与CT切换大电流的检验装置中，为了保证电流输出的准确度，当需要输出一定量程的电流时，要将校验装置停机，依靠人工手动更换高压升流器或高压CT的档位，这会严重影响校验装置在实际批量生产或检测时的安全性、时效性、自适应性和自动化水平。为了实现电流档位自动切换，在检验装置的高压侧设计了一种基于磁保持继电器的高压侧电流档位控制器，主要由处理器、无线通信模块、磁保持继电器(DC 12 V，300 A)、隔离电源(220 V/12 V)等组成。在低压侧，设计了一种通过小型固态继电器直接闭合与断开CT二次接线的输出档位。相比由步进直线电动机、PLC控制卡、电动机驱动器、档位光电开关、丝杆、滑块等组成的机电式电流档位控制器，此控制器具有以下优点：①结构简单，成本低，维护性好，换档速度快；
②检表软件与控制器之间采用本地微功率无线(470～510 MHz)通信，消除有线通信传输在高压环境下存在的干扰屏蔽与安全距离问题；
③在升源控制中通过检表软件控制串接于升流器与CT的输入/输出档位的继电器断开/闭合，以输出满足检定要求的电流精度；
④在电流回路中通过电流档位控制器选择继电器自动切换电流量程，实现电流的线性连续输出，档位切换时间依赖于通信命令的下发与响应，约为3～6 s；
⑤可以承受大电流的长时间运行与工作，避免在停机状态下由人工手动换接升流器或CT的电流档位而产生的错接、虚接或漏接等安全隐患，提高高压计量设备在校验、检定、老化处理过程中的安全性、时效性。
1.4 检表软件设计与开发
基于非常成熟的C#语言、dotNet4.0框架、Access数据库设计与开发了运行于Windows系统的配套检表软件，采用了面向对象、多线程、串口通信、网络通信、定时器、共享内存、数据库存取等的编程技术，对功率源、标准表、误差计、被检设备等硬件进行多通道通信、多规约解析和多任务处理，支持友好的人机界面，以文件或数据库保存相关配置文件和检测结果，软件系统架构如图2所示。
图2 检表软件系统架构框图
因生产厂家采用不同的技术方案，配电网一体化装置元器件的选用、生产过程、质量管控及包装运输等各环节都不一样，对质量的影响程度也存在差异，老化试验的评估侧重点也将不同。参考当前智能电能表在可靠性设计、可靠加速寿命试验以及失效机理等方面的研究现状[19-20]，借鉴复合绝缘子老化性能的评估方法[21-22]和金属化膜电容器的加速老化方法[23]，以下分析老化试验对此类装置在设计选型、制造工艺与检测等方面的应用。
2.1 不同温度下核心器件的选型检测
国内主流的一体化装置根据安装位置可分为柱上型、环网柜型和架空型，装置的PT变比为100，CT变比为10，有功电能整体误差为0.5级，无功电能误差为2级，如图3所示。
图3 3种一体化装置外形图
一体化装置集成了电子式电压传感器和电压、电流小信号的高保真处理，内部电能计量回路的精密电子元器件(如采样电阻、分压电阻和计量芯片)及其布线容易受到高电压大电流的电磁场干扰，以及数字接地与模拟接地的共地串扰，其中温度对电压采样影响最大。
以电阻分压的关键器件——高压电阻(10 MΩ，温度系数2×10-5℃-1)为例，要求其温度系数小、阻值稳定、线性度好。在其他硬件部分不变情况下，以2种电阻(样品A与样品B)制作2台架空型样机，并且在功率因数分别为1.0、0.5L的试验条件下，老化试验系统输出不同温度，以检测高压电阻的电压幅值变化情况，获得2种样品的电压-温度曲线，如图4、图5所示。
图4 样品A电压-温度曲线
图5 样品B电压-温度曲线
分析电压-温度曲线，样品A的电压幅值随温度变化的一致性优于样品B，更加适合于架空型一体化装置的电阻分压器件。
2.2 高温下制造工艺缺陷的检测
一体化装置生产过程中，对于内部电路板的元器件，采用表面贴装技术、波峰焊、手工焊、刷三防漆等生产工艺，并且内部高压器件(如高压电容或高压电阻等)灌满绝缘硅胶。装置故障主要发生在供电变压器、电源转换芯片、无线模块、防水密封圈和器件连接点等位置。通过高温老化处理，可以在几十小时内暴露元器件潜在的失效，快速发现焊接、装配、测试等工艺的隐藏缺陷，例如多引脚的各种封装IC芯片或接插件的虚焊、少焊、连锡；
若要求一体化装置进水后依然能在户外高温、高湿环境下正常工作，刷有三防漆的电路板在浸水状态下的常温与高温下性能可能不一样，水温达到一定程度(如60 ℃以上)则可能导致三防漆失效而腐蚀元器件，须经过高温、高湿老化试验选型三防漆；
另外，绝缘硅胶存在因季节不同而特性不一致的现象，可能引起硅胶膨胀而出现因张力拉断导线焊点、撑开电路板焊点，或干涉其他结构件等，经过60 ℃高温老化处理可提前暴露此问题。
影响一体化装置绝缘状态和可靠寿命的主要因素有电应力、热应力、机械应力和环境应力[24]，影响最大的电应力主要表现形式是过电压、合闸涌流和局放，故通过其交流耐压等级、局放水平可以评估装置的灌胶工艺及绝缘状态[25]。灌满绝缘硅胶的高压元器件若存在引线断开、焊接点脱离或者腔体内部驻留空气等状况，在相间施加14.5～30 kV电压时，会出现内部放电而导致局放超标。例如在常温时整机的局放正常值小于20 pC，经过高温老化处理，高压元器件受到周围硅胶高温膨胀所产生的应力，一旦其连接引脚受力断开，局放的老化后检测值将远远大于正常值。
2.3 不同温度下测量值精度的检验
一体化装置的电压采样主要采用电阻/电容分压以及相应的抗干扰措施，而高压电阻/电容在计量回路中体现出不同的温度特性，将会影响电压测量的比差及相位差。为了验证基于二元件法的分相计量单元(A相与C相)的测量精度，分别对柱上型、环网柜型和架空型一体化装置进行不同温度下的老化试验，在供电电压10 kV，电流10 A，功率因数分别为1.0、0.5L、0.8C，老化箱中施加湿度85%和温度-40～70 ℃的条件下，测量分相的电压(倍率100)、电流(倍率10)和有功电能误差，结果见表3—表5。
表3 老化试验中柱上型一体化装置的测量精度
表4 老化试验中环网柜型一体化装置的测量精度
表5 老化试验中架空型一体化装置的测量精度
GB/T 32856—2016《高压电能表通用技术要求》规定了环境温度变化引起的相对误差限值，对于0.5级有功电能表，允许温度每变化10 ℃时电能误差小于0.3%，以上3种类型的一体化装置都可满足温度变化对电能精度的计量要求，从而保证新型一体化装置的整体误差为有功电能0.5级、无功电能2级。需要指出的是，架空型一体化装置采用了开口CT，与其他2种装置采用闭口CT的检测结果相比，电压与电流的幅值精度略差一点。只要对电子式PT与CT采取良好的屏蔽方式，在不同温度下电压或电流采样受相间高压电场的干扰就会很小，从而保证电压、电流、相位差从一次侧变换成二次侧时不失真或失真小，再经过电能计量芯片处理所获得的测量值就会稳定，整体误差将具有良好的一致性。
一体化装置与普通低压电能表都具有计量、通信和存储功能，但在结构、原理和电磁兼容性试验上存在很大差异，对功能和性能的老化检测项目也有显著区别。针对一体化装置，按照GB/T 2828.1—2012《计数抽样检验程序 第1部分：计数抽样检验程序按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划》对“不合格”的定义，老化检测项目及不合格权重分类参见表6，A、B、C类不合格的加权系数分别为1、0.6、0.2。
表6 老化检测项目及不合格权重分类
在老化检测过程中，将一体化装置放入老化箱，确保与检定装置的电压、电流回路连接正确，输出额定电压、电流进行通电老化处理，例如电压10 kV、电流100 A。在生产过程中进行一体化装置的批量老化处理时，为了提高生产效率、优化生产流程而无需施加电流，老化完成之后确保整机硬件可靠之后再进行校表与检表。操作工作过程如下：首先加电启动老化箱，设定老化温度与湿度；
随后通过检表软件控制检定装置输出给定的电压，装置进入工作状态，检测前要对装置进行参数设置、时间校准、数据总清；
待温湿度达到设定值(如温度60 ℃和湿度85%)，在检表软件中启动检测功能，在老化周期(如24 h)内，将通过无线通信方式自动连续抄读相关数据项，以实时判断其工作状态并鉴别其在老化过程中的失效时间，如通信失败次数、复位次数、死机等，检测结果可自动保存在文件或数据库中，方便产品质量的追溯与监控；
老化完毕，对整机进行耐压检测、局放检测、误差校准与检定等。被检设备检测完毕，只要所有检测项目的加权系数不小于1，则判定失效，拒收不满足质量要求的装置。
在配电网一体化装置出厂之前，需要保证其质量符合技术规范和用户需求。采用所研老化试验系统，可实现一体化装置整体功能与性能的在线高压通电老化检测，有助于研发过程中对核心器件的选型和制造工艺缺陷的识别，有利于生产制程中提前判别不合格产品和生产工艺缺陷，确保不同温度下装置整体校验时电能整体测量的准确度；
因此，高低温老化试验(特别在真实工作的高电压、大电流环境下对一体化高压计量设备实施通电老化处理)是控制产品质量的必要手段。
所研制的老化试验系统具有如下优点：
a)创新地设计了基于磁保持继电器的电流档位控制器。检定装置可以在不停机状态下输出不同工作电压、电流和相位，并控制不同温度、湿度，满足不同结构类型、额定电压、额定电流、计量方式的一体化装置的老化处理和检测需求。
b)检定装置采用三元件法升压，相比二元件法的升压控制，由三相三线制的线电压变成相电压输入，输入电压降低了42.3%，可以大大降低升压器的绝缘耐压等级，提高其长期在高电压环境之下的使用寿命。当升压、升流稳定后，电压、电流幅值误差均为0.05%，且同相电压与电流之间的相位小于±10°，将三相多功能标准表的计量模式由三元件法自动切换成二元件法，使其与一体化装置的二元件法计量的模式一致。
c)对于相关标准对一体化装置在非工作状态下温度(-40～70 ℃)的高低温试验的要求，所研制的老化试验系统填补了以往的不足。高压通电老化处理是必要与重要的试验和检验手段之一，有助于实际开发设计、生产制造中提前发现、筛选和剔除早期失效的电子元器件、潜在的工艺缺陷或存在缺陷的产品，分析其失效模式及失效机理，以整体检验与控制的方式实现产品质量的提升与保障。
下一阶段的研发方向有：①该老化试验系统目前侧重应用于研发设计及小批量试制阶段的器件选型、性能测试和工艺验证，老化箱空间紧凑，温控较快，但仅能摆放4套被检设备。为了适应更大批量生产的老化处理流程，需要在此原理基础上，根据生产能力定制一款体积更大的老化空间及摆放更多的支架，增大检定装置的三相功率源、升压器及升流器的带载能力，合理规划无线信道(可设)，同时容纳8～32套装置，提高老化效率。②通过优化升源控制流程、老化检测项目和老化时间，保障老化试验的有效性，切实提高产品的可靠质量。
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