Análise das Causas Comuns de Falhas Operacionais em Medidores Inteligentes de Energia Elétrica

Com o desenvolvimento contínuo das redes inteligentes, os medidores de energia inteligentes estão sendo cada vez mais amplamente aplicados, e diversos tipos de falhas operacionais nos medidores inteligentes são frequentemente encontrados no trabalho de medição de energia. Este artigo analisa as causas das falhas dos medidores inteligentes e propõe soluções correspondentes, usando vários casos reais de falhas operacionais como exemplos.

1. Tela Preta
Tela preta refere-se a um medidor alimentado sem exibição, que é a falha mais comumente ocorrida em medidores inteligentes em operação no campo. Ao remover e testar esses medidores defeituosos, descobriu-se que o capacitor na posição C2 do sub-módulo DCDC está danificado, o chip regulador de tensão na placa de alimentação está queimado ou o fio neutro UN se soltou. As causas desta falha de tela preta são analisadas da seguinte forma: sobretensão instantânea no circuito (como raios ou flutuações da rede elétrica) ou harmônicos de ordem superior gerados por ambientes operacionais complexos podem danificar capacitores e queimar chips reguladores de tensão; operações inadequadas que não seguem o processo de fabricação podem resultar em soldagem ruim ou desprendimento do fio neutro.

2. Exibição Embolada
Exibição embolada refere-se ao fenômeno em que a tela LCD de um medidor de energia inteligente mostra traços faltantes. As possíveis causas incluem soldagem ruim nos pinos do LCD ou o medidor instalado ao ar livre e exposto a radiação solar de alta temperatura prolongada. Por exemplo, um medidor trifásico de uma empresa mostrava a energia ativa total direta como 702,610.88 kWh, a energia de pico como 700,451.96 kWh, a energia de ponta como 700,987.42 kWh, a energia fora de ponta como 700,551.59 kWh e a energia vazio como 700,619.91 kWh. Em condições normais, a energia ativa total direta deve ser igual à soma das energias de pico, ponta, fora de ponta e vazio. No entanto, esta equação não se manteve para este medidor. Os últimos oito dígitos do código de barras exibidos na LCD eram 75517684, enquanto aqueles na placa de identificação eram 05517684.

Isso indica que a exibição LCD tinha traços faltantes—onde o dígito "0" foi exibido incorretamente como "7", confirmando uma falha de exibição embolada. Quando o medidor foi lido no local usando um leitor de medidores portátil, a energia ativa total direta foi registrada como 002,610.88 kWh, a energia de pico como 000,451.96 kWh, a energia de ponta como 000,987.42 kWh, a energia fora de ponta como 000,551.59 kWh e a energia vazio como 000,619.91 kWh. A soma das leituras individuais correspondia ao total, confirmando ainda mais o diagnóstico de exibição embolada. A causa principal desta falha foi determinada como exposição prolongada à radiação solar de alta temperatura devido à instalação ao ar livre do medidor.

3. Inabilidade de Ler Dados de Energia
Esta falha tipicamente refere-se à aparição do símbolo "←" (indicando fluxo de energia reverso) no canto inferior esquerdo da tela LCD, com a leitura de energia ativa total direta como zero e a energia ativa reversa mostrando um valor não-zero. A investigação revelou que a causa principal era a fiação incorreta do medidor, e o consumo de energia real era igual à leitura de energia ativa reversa. Após corrigir o erro de fiação, o medidor retomou a operação normal.

4. Subtensão da Bateria
Os medidores de energia inteligentes monofásicos e trifásicos são equipados com baterias internas de relógio que alimentam o chip de relógio interno. Os medidores trifásicos também têm uma bateria para leitura de medidor em caso de falta de energia, localizada atrás da porta de programação no painel do medidor. Quando ocorre uma falha de subtensão da bateria, a luz de alarme do medidor permanece acesa constantemente e aparece um símbolo de baixa potência na LCD. O manuseio no local envolve a remoção do selo da porta do painel, abertura da porta, retirada da bateria e medição da tensão entre seus terminais positivo e negativo usando um voltímetro de corrente contínua. Se a tensão atender às especificações, a bateria deve ser reinstalada e reposicionada para garantir bom contato; se a tensão estiver abaixo do valor nominal, a bateria deve ser substituída.

5. Registro Rápido (Sobre-registro)
Um medidor inteligente monofásico de um usuário mostrou um aumento súbito na leitura de energia. Testes no local com um instrumento de calibração mostraram que o medidor estava dentro dos limites de erro aceitáveis. Testes em laboratório após a remoção também confirmaram que o medidor atendia aos padrões, mas a leitura pré-calibração foi de 4,505.21 kWh e a leitura pós-calibração foi de 4,512.32 kWh—indicando que 7.111 kWh foram registrados durante o teste, enquanto um teste típico de medidor monofásico consome apenas cerca de 1 kWh. Isso confirmou a falha de "registro rápido."
A análise revelou que a tensão de alimentação do CPU era significativamente maior do que os 5V projetados, causando operações de leitura/escrita anormais no barramento I2C. Uma inspeção adicional do circuito de alimentação identificou um capacitor C2 danificado. As possíveis causas do dano do capacitor incluem altas tensões instantâneas devido a flutuações da rede ou raios, e harmônicos de ordem superior de ambientes elétricos complexos.

6. Análise Compreensiva
Os medidores de energia inteligentes são dispositivos multifuncionais que vão além da medição básica de energia para incluir armazenamento e processamento de informações, monitoramento em tempo real, controle automático e interação de dados. Eles atendem às necessidades de medição de energia, gestão de marketing e atendimento ao cliente. No entanto, sua função principal continua sendo a medição precisa de energia, que deve ser tanto precisa quanto estável. Portanto, além de utilizar plenamente os sistemas de aquisição de energia para monitorar o status operacional e eventos anormais dos medidores inteligentes, é essencial analisar as causas raiz das falhas dos medidores e implementar ativamente medidas de melhoria.

Com base na análise dos casos de falhas operacionais, as principais causas das falhas dos medidores são resumidas da seguinte forma:

(1) Influências ambientais, incluindo interferência eletromagnética, harmônicos, alta tensão, raios, descarga eletrostática, temperatura e umidade excessivas, campos eletromagnéticos de alta frequência e pulsos de transientes elétricos rápidos (EFT).

(2) Baixa qualidade de componentes, incluindo baterias, CPUs, telas LCD, relés, varistores, capacitores, chips de medição, reguladores de tensão, chips de relógio, cristais, diodos optoacopladores 485 e módulos de comunicação por portadora.

(3) Falhas de software, incluindo travamentos do sistema, mudanças repentinas na exibição de energia e erros de relógio.

(4) Problemas de mão de obra, incluindo técnicas de soldagem subpadrão por parte dos fabricantes de medidores (levando a juntas frias ou soltas) e fiação incorreta durante a instalação pelas empresas de fornecimento de energia.

Para abordar essas causas de falhas, as seguintes medidas podem ser tomadas:

(1) Fortalecer a seleção de componentes para garantir que os medidores inteligentes operem de forma confiável mesmo em condições ambientais extremas.

(2) Aumentar os testes de software para melhorar a capacidade de prevenção de erros e resistência a interferências do software.

(3) Melhorar a supervisão da qualidade da mão de obra, monitorando e avaliando efetivamente a qualidade de montagem interna e as práticas de instalação no local.