降低检定流水线电流源故障率方法的研究与应用

2015-10-11唐哲，刘水

江西电力 2015年3期

唐哲，刘水

（1.国网赣西供电公司，江西新余 338000；2.国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

目前各网省电力公司的电能表、终端、集中器都将集中在各省计量中心采用自动检定流水线集中检定。由于全省的计量器具实现了集中检定，检定流水线必须按照时间节点计划进行检定才能满足全省的计量器具需求。因此计量器具检定流水线的故障率不能太高才能完成全省的检定任务，通过对计量器具检定流水线的故障率进行统计调查，平均每条检定流水线故障次数约为30次，其中由程控电流源故障导致的次数高达24次，占整体故障的80%，所以现在迫切需要降低检定流水线程控电流源的故障率。

1 故障原因分析

造成电流源故障的关键原因是功率管（IGBT）发热被击穿。

1.1 功率管（IGBT）的设计功率

以单相智能电表检定流水线为例，检定流水线一般有10个检定单元，每个检定单元120表位，一条检定流水线共计1 200表位。每个检定单元有独立的功率源（包括电压源和电流源），电流源通过功率管（IGBT）将小信号放大成检定所需的大电流。IGBT功率管的技术参数为：UN=600 V，IB=40 A，IMAX=80 A，采用双管并联推挽工作方式，过流能力为3 000 VA。

1.2 每个检定单元的正常负载

每块单相智能电表的电流元件功耗不超过1 VA，每个检定单元的IGBT只需带120块单相电能表和1块标准表，加上回路的损耗，按10倍裕度设计，每个检定单元IGBT的输出功率约为1200VA。所以在正常情况下，输出能力为3000VA的电流源供给1200 VA的负载是没用问题的。

1.3 实际功率

计量器具检定流水线常用最大输出电流为100 A，因此在该条件下测试最能反映问题。通过测试得知每个检定单元的实际功率为4 800 VA，远大于每个检定单元的正常负载1 200 VA。经分段测量和分析，发现电流源输出回路的接触电阻太大，大部分功率消耗在接触电阻上了。在智能电表检定流水线的电压、电流回路中，接触电阻最大的就是检定通电插针和智能电表接线孔之间的接触电阻。这部分接触电阻大的原因：一是电流回路为多表位串联，回路接触电阻也是120个表位串联；二是每次检定都要重新链接。由于插针和智能电表接线孔表面在微观上都凹凸不平，不能充分接触，并且每次接触的方向、力度都有差异而造成接触电阻又大小不一。用大电流电阻测试仪对接线通电插针和电能表接线孔之间进行电阻测试，经测试，压接接触电阻的平均值为4.054 mΩ。检定单元检测表位为120个，合计接触电阻为：4.054 mΩ×120=486.48 mΩ。当检定电流为100 A时，仅压接电阻上所消耗的功率为：W=I2×R=4 864.8 W，远远大于电流源提供的3 000 VA的额定功率，因而造成IGBT功率管烧坏。

根据JJF1033-2008《计量标准考核规范》规定，检定流水线需要进行重新检定后报主持考核的省质量技术监督部门审核批准后才能使用。该流程过程长，不光费用不菲，时间消耗也非常大。

针对这一状况，为降低计量器具检定流水线电流源故障率偏高的难题，为节省检定费用及增加检定流水线的有效工作时间，确保按时、保质、保量地完成检定任务。本实用新型提出了一种全新的思路：设计一种降低计量器具检定流水线电流源故障率的装置，即在检定通电插针插入智能电表接线孔前，将检定通电插针表面均匀搽上电接触导电脂，即可增强检定通电插针和智能电表接线孔的接触，又可防止检定通电插针生锈或被氧化，用以大幅降低检定通电插针和智能电表接线孔之间的接触电阻，从而降低计量器具检定流水线电流源的故障率。

插针和智能电表接线孔接头处即使采取其它各种措施，也不能做到“天衣无缝”。如果接触面积小于导体截面积，则根据电阻和导电面积成反比的道理可知，连接点接触面积愈小，电阻愈大；电阻愈大，则消耗功率越大，IGBT越易发生烧坏。另外，在外面有振动的情况下，还会出现时断时连的状态，那就可能在接头处出现电火花，则容易引起附近可燃物燃烧。

2 设计原理

降低计量器具检定流水线电流源故障率的装置的原理为：在检定通电插针插入智能电表接线孔前，将检定通电插针表面均匀搽上电接触导电脂，即可增强检定通电插针和智能电表接线孔的接触性能，又可防止检定通电插针生锈或被氧化，用以大幅降低检定通电插针和智能电表接线孔之间的接触电阻，大大减少电流功率源的输出功率，避免功率管IGBT被烧坏，从而降低计量器具检定流水线电流源的故障率。

2.1 产生接触电阻原因

1）由于接触面的凹凸不平，金属的实际接触面减小了，这样，当电流流过导体时，使电流线在接触面附近发生了严重的收缩现象，即在接触面附近导体有效的导电截面大大缩小，因而造成电阻的增加，这个电阻称为收缩电阻。

2）接触面在空气中可能迅速形成一层导电性能很差的氧化膜附着于表面，也使电阻增大了，这部分电阻称为膜电阻。因此，接触电阻是由收缩电阻和膜电阻组成。

电接触导电脂以复合皂稠化非矽酮类为载体，再添加超导电铜粉、抗氧化剂、抗磨损剂、防锈蚀剂等合成的均匀油脂。导电性能极好，接触电阻极低。因电接触导电脂为半流质胶状，可填补检定通电插针和智能电表接线孔接触面的凹凸不平，增大金属的实际接触面。因添加了铜抗氧化剂，抗氧化性及防锈性强，可防水、防腐、抗盐雾、耐腐蚀。所以可防止通电插针的铜氧化，避免通电插针和电表接线孔接触不良。电接触导电脂具有良好的高低温性能及与热塑性能，可使接触器、开关节点和连接器活动润滑，改善通电插针伸缩、开关闭合、连接器金属载流面的电气接触性能、提高使用寿命，不仅可防止接点处炭化物的积聚功能，还具有灭弧等性能优点。

2.2 工作原理

计量器具检定流水线正常运行时都依靠控制气泵气压推动通电插针插入电表接线孔通电对电表进行检定。本装置由计算机、夹具、电接触导电脂存储瓶、涂抹件、气压控制机和弹簧等组成，先控制夹具携带涂抹件夹住通电插针，将电接触导电脂均匀涂抹在检定单元的每个通电插针上，见图1，具体工作原理如下。

1）计算机由计量器具检定流水线的原有的控制计算机担任。计算机根据正常检定的业务流程，在检定单元已将备件电能表传送到位时，控制该检定单元所有通电插针全部断电。

2）气压控制机1和弹簧1通过一路气管控制夹具夹紧或松开通电插针。要加紧通电插针时，气压控制机1加大气压，当气压推力大于弹簧1的伸张力时，夹具带动涂抹层夹紧通电插针。要松开时，气压控制机1减少气压，当弹簧1伸张力大于气压推力时，夹具松开。

图1 夹具夹紧和松动插针工作原理

3）气压控制机2和弹簧2通过另一路气管控制夹具前后往复运动，将电接触导电脂均匀涂抹在检定单元的每个通电插针上。

4）每个检定单元配有一套电接触导电脂存储瓶，电接触导电脂存储瓶通过管道和每个表位每根通电插针的涂抹件相通。电接触导电脂存储瓶的工作原理就像一个注射推进器，通过气泵气压的推进可为每个涂抹件源源不断地提供电接触导电脂，存储瓶可通过打开瓶盖添加电接触导电脂，见图2。

5）涂抹件实际上就是安装在每个通电插针的夹具内侧的2块海绵，海绵源源不断地从导电脂存储瓶吸收导电脂，再均匀地涂抹在每个表位的通电插针上。

图2 在插针上涂抹电接触导电脂工作原理

6）通电插针表面涂抹上电接触导电脂后，检定流水线原有的气压控制机将已涂抹电接触导电脂的通电插针插入每个表位的电能表接线孔，这是检定流水线就可以通电压、电流开始检定了。

本方法与现有技术比较，有益的效果是：本装置在检定通电插针插入智能电表接线孔前，将检定通电插针表面均匀搽上电接触导电脂，即可增强检定通电插针和智能电表接线孔的接触，又可防止检定通电插针生锈或被氧化，大幅降低了检定通电插针和智能电表接线孔之间的接触电阻，从而降低计量器具检定流水线电流源的故障率。节省了IGBT烧坏后的检定费用，增加检定流水线的有效工作时间，确保计量器具检定流水线能按时、保质、保量地完成检定任务。

3 具体实施

3.1 降低检定流水线电流源故障率方法

1）目前计量器具检定流水线都已配有气泵和气源，都是通过气压控制器控制气压推动检定通电插针插入电表接线孔完成接线。完成检定后再通过负压将检定通电插针退出电表接线孔完成与电表的断开和分离。本实用新型利用检定流水线的现有气泵和气源，在原有气泵输出上增加2路气管输出，并分别用2个气压控制器控制。一路与弹簧1配合，用于控制夹具加紧或松开检定通电插针；另一路与弹簧2配合，用于推进或拉回夹具带动涂抹件夹住检定通电插针往复运动，将电接触导电脂涂抹在检定通电插针上，详见图1、2。

2）利用计量器具检定流水线现有结构支撑，每个检定单元安装一个导电脂存储瓶。导电脂存储瓶通过油管将导电脂输送到每个表位的夹具上，为通电插针准备导电脂。

3）由于电接触导电脂并非良导体，它在导体接触面的导电性是利用隧道效应实现的，因此电接触导电脂在插针表面不能涂抹的太厚，一般厚度为0.05~0.1mm，涂太厚会影响效果。因此夹具海棉对插针需加紧。

3.2 实施效果

按照本方法实施后，对检定流水线电流输出回路电阻重新进行测试。经测试每根插针与电表之间的平均接触电阻为1.3mΩ，整个电流回路一共120个表位，接触电阻总计为：1.3×120=156mΩ。输出100A电流时电流源的负载功率为：1×121+1002×0.156=1681W，小于检定流水线的设计负载能力。