电子式电能表绝缘性能对EMC抗扰度试验的影响与改进

中心议题：

• 讨论电子式电能表的绝缘性能对EMC抗扰度试验的影响及改进措施
• 进行各项EMC抗扰度试验，达到事半功倍的效果

解决方案：

• 增大间隙或爬电距离能使电能表的绝缘性能符合要求
• 选用质量好的变压器
• 简化脉冲输出电路，去掉多余部分电路

引 言
电子式电能表(或称静止式电能表，以下简称电能表)绝缘性能和电磁兼容性能的好环，直接关系到人民生命财产的安全以及电能计量的准确性，因此，在国家标准中列为必须进行的试验项目。我们在电能表性能试验中发现，有相当数量的试验样品当其绝缘性能不符合要求时，对其进行EMC电磁兼容性能试验时会产生相当大的影响。本文就此现象进行分析并提出为消除这种影响而采取的措施，同时提出一个优先选择的试验顺序。

技术要求
GB／T 17215—20020级和2级静止式交流有功电能表》对绝缘性能的基本要求是：电子式电能表属于Ⅱ类防护绝缘包封仪表，采用绝缘材料表壳，无保护接地措施。其额定输人电压≤300V时，试验脉冲电压为6kV。电路结构最小间隙允许3．Omm；最小爬电距离6．3mm(室内仪表)和lOmm(室外仪表)[1]。

绝缘性能对EMC抗扰度试验的影响
a.对电快速瞬变脉冲群试验影响电能表性能试验中，我们发现凡绝缘性能不能通过6kV冲击电压试验的样品，绝大多数通不过4kV脉冲群试验。通过分析和对比试验，我们认为这种通不过，并不是由于电能表本身的原理设计问题，而是源于一个简单的、被忽视的事实— — 带电元器件空间间隙或印制电路板布线爬电距离不够造成的，是电路设计缺陷和制造工艺问题。从而造成试验时脉冲群试验设备保险丝烧坏，试验无法进行。

b.对浪涌试验的影响
其现象和产生原因同脉冲群试验。但由于电浪涌比群脉冲波具有更高的冲击能量，因此在对脉冲群试验不产生影响的场合，也可能对浪涌试验产生影响。

c.对静电放电试验的影响
在电能计量器具的性能试验中，曾发现过因绝缘问题而导致静电放电试验[2]通不过的例子(见表1)。

d. 对电压跌落试验的影响在我们的试验中，尚未发现由于绝缘问题而导致电压跌落试验不能进行或通不过的例子，但理论分析表明：存在绝缘问题的电能表，有可能改变跌落波波形，这直接导致了实际跌落试验波形不符合要求，从而带来试验的复现性和一致性问题。

原理性分析
(1)6kV冲击电压试验是为了确定电能表经受短时高压冲击而不损坏的能力。试验目的一方面是基本保证变压器(含电压互感器、电流互感器)的初、次级间，及其绕组匝间或层间的绝缘质量，另一方面是基本保证在正常工作中连接到电网不同相位导线的仪表的不同线路间的绝缘，这些线路是可能发生过电压的。6kV冲击电压试验是直接施加在电压线圈两端的，以此检验电能表电压线圈绝缘是否合格；同时脉冲电压也会耦合到变压器次级，形成对电能表低压电路的瞬态干扰。冲击电压试验过程中要求仪器不应产生飞弧、击穿放电现象。其试验波形：按GB／T 16927．1《高压试验技术》规定为1．2／5Otis脉冲；试验电压等级为6kV[3]。

(2)电浪涌现象通常是指开关操作(包括设备和系统对地短路、飞弧故障)或雷击(含避雷器动作)会在电网或通信线上产生瞬态过电压或过电流。试验时通过耦合／去耦网络施加到电能表的被测端口。GB／T 17626．5规定了浪涌的试验波形参数按GB／T16927．1规定的1．2／5Oμs开路电压波和8／20μs短路电流波[4]。

比较上述两项试验，可见：二者试验目的不同，试验电压施加方式不同，试验电压等级前者为6kV，后者为4kV；浪涌试验还对短路电流波形有要求。其共同点是试验电压波形是一样的。而且直接施加在电能表电压线圈两端的6kV瞬态冲击电压也会耦合到变压器次级，形成浪涌试验的部分效果。

(3)电快速瞬变脉冲群试验是模拟电感性负载快速接通和断开，或触点弹跳时产生的暂态骚扰，这种暂态骚扰以脉冲群形式出现。GB／T 17626．4规定了试验波形和试验等级l5]。由于电能表电压和电流线路要承受幅度为4kV，持续时间60s的脉冲群试验，因此可以预见，绝缘强度不合格的电能表引起的内部放电、飞弧，击穿会造成该项试验不合格。

改进措施和试验结果
a.问题产生原因由于市场对电子式电能表的功能要求不断增加，因此新技术、新型电子元器件更新速度很快，电路板设计不断更新，不少厂家对其性能尚未完全掌握。在电子式电能表新产品试制过程中，绝缘问题是普遍存在的；主要表现形式有以下几种：(a)线路板布线爬电距离不够(多见于光耦输入／输出部分及周围电路)；(b)连线间绝缘不符合要求，焊接点质量不高，焊锡堆积，形成尖峰放电。(c)带电元器件空间距离不够，形成尖端放电；(d)变压器自身绝缘不符合要求；(e)脉冲输出电路过于复杂且不符合要求。以上以(a)情况较为多见。就绝缘性能而言，上述5种情况都可归结为间隙或爬电距离不够。

b.改进措施    (1)对于(a)情形，改进印制板布线；相关区域增大间距，增大爬电距离。
    (2)对于(b)情形，加强连线绝缘强度或增大间距，提高焊接点焊接质量。
    (3)对于(c)情形，增大元器件间的空间距离。
    (4)对于(d)情形，选用质量好的变压器。
    (5)对于(e)情形，简化脉冲输出电路，去掉多余部分电路(含元件)。

c.试验结果部分典型实例和试验结果列于表1。
 

结束语
我们对国内众多电能表生产厂家的试验样品进行的成功整改说明，大多数情况下，国产电子式电能表在通过了试验成本相对较低的脉冲电压试验后，许多即可达到国家标准要求的电磁兼容性能指标。

因此，电子式电能表及其类似产品进行定型鉴定、样机性能试验时，试验程序可以优化为：首先通过6kV脉冲电压试验，再进行各项电磁兼容性能试验，可以节约时间、人工、仪器设备消耗等试验成本，取得事半功倍的效果。