Учет электрической энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебно-методическое пособие

Учет электрической энергии. Часть 1

Моногаров С.И.

Армавир 2014

Содержание

Введение

1. Индукционные счетчики

1.1 Принцип действия и устройство индукционных счетчиков

1.2 Классификация и технические характеристики счетчиков

1.3 Конструкция счетчика

1.4 Схемы включения счетчиков

1.5 Измерительные трансформаторы в цепях учета

1.6 Наладка цепей учета на отключенной установке

1.7 Проверка правильности включения счетчика на действующем присоединении

1.8 Снятие показаний счетчиков

2. Электронные счетчики

2.1 Счётчик ватт-часов активной энергии переменного тока статический "Меркурий 200"

2.1.1 Устройство и работа счётчика

2.2 Порядок работы

3. Поверка счётчиков электроэнергии

3.1 Методика поверки счётчиков электроэнергии на месте эксплуатации при помощи поверочной установки "УППУ-МЭ 3.3" производства НПП Марс-Энерго

3.2 Установка для поверки счетчиков электрической энергии ЦУ6804M

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Электрические счётчики - электроизмерительное оборудование, предназначенное для учёта потреблённой электроэнергии переменного или постоянного тока. Первый счётчик электроэнергии переменного тока был разработан Оливером Б. Шелленбергером в 1888 году. С тех пор индукционные счётчики электроэнергии непрерывно совершенствуются. Например, в 80-е годы в Советском Союзе Вильнюсским заводом электроизмерительной техники выпускался электрический однофазный счётчик СО-И446 класса точности 2,5 предназначенный для учета потребления активной энергии переменного тока в условиях умеренного климата в закрытых помещениях при отсутствии в воздухе агрессивных паров и газов. Вращающий элемент - тангенциального типа. Счетный механизм - барабанного типа. В общих чертах схемы многих индукционных счётчиков схожи и не отличаются чрезмерной сложностью, в качестве примера можно привести схему всё того же СО-И446.

Вследствие высокой надёжности и малой себестоимости, индукционные счётчики до сих пор массово изготовляются, именно с их помощью производят большую часть измерений электроэнергии. Так, например, счётчики СО-ЭАРХ модификации СО-ЭАРХ-2, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2010 году, класса точности 2 являются модернизацией счётчика СО-И446 с классом точности 2,5. Также в качестве примеров можно привести счётчики СА4-514, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2004 году; счётчики СА4-518, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2001 году; счётчики СО-ЭЭ6705, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2005 году; счётчики СА4-ИБ60, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2006 году. Несмотря на все свои достоинства, индукционные счётчики имеют такие недостатки, как недостаточная точность и ограниченные функциональные возможности, что проявилось при переходе на многотарифные системы, вводе предоплаты, а также с введением, в процессе развития информационных технологий, автоматизированных систем учета потребления электроэнергии и организации дистанционного сбора показаний счётчиков. Поэтому появилась потребность в создании качественно нового прибора для учёта потребления электроэнергии - электронного счетчика, который был бы совместим с другими элементами системы учета и обладал бы более высокой точностью. Электронные счётчики имеют во многом похожие схемы, в качестве примера, дающего общие представления об их строении можно привести блок-схему простейшего электронного счётчика электроэнергии.

Так, например счётчик активной энергии переменного тока статический однофазный "Арбитр", выпускающийся с 2009 года, обладает классом точности 1. Также в комплекте с ним может по отдельному заказу организации, производящей проверку и эксплуатацию счётчиков, поставляться кабель для связи счётчика с компьютером и программа arbitr-e.exe для считывания показаний счётчика "Арбитр-Э" при выходе из строя ЖКИ. Счётчик обладает небольшими габаритными размерами - 112х70х65 мм и малой массой - 0,26 кг. Кроме него в качестве примеров можно привести счётчики ЦЭ-2726, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2005 году; счётчики "Эшелон" 2023, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2007 году; счётчики BFM036/BFM136, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2007 году; счётчики "Меркурий" 202, зарегистрированные в государственном реестре средств измерений в 2008 году. Принцип действия измерительной схемы счётчика основан на измерении мощности, потребляемой нагрузкой, путём перемножения входных сигналов от датчиков тока (шунт) и напряжения. Перемножение производится специализированной микросхемой, формирующей импульсную последовательность, пропорциональную потребляемой мощности. Импульсы поступают на электромеханическое отсчётное устройство, отображающее величину потреблённой электроэнергии, а также на светодиодный индикатор и телеметрический выход, используемый при поверке счётчика.

Разработка электронного счётчика электроэнергии - весьма сложная в техническом и научном плане задача, так как необходимо обеспечить широкий диапазон диапазона по напряжению, току и коэффициенту мощности. Дополнительными ограничениями являются нормирование потребления по цепи напряжения и требование по электромагнитной совместимости. Жесткими требованиями являются длительный срок службы и большой межповерочный интервал. С конца 1990-х годов на рынке электронные счётчики начали вытеснять индукционные, к 2009 году их доля в общем объёме составила 89,6%.

В настоящее время можно выделить следующие тенденции в развитии электронных счетчиков:

1. Постепенный переход на электронные отсчетные устройства взамен морально устаревших электромеханических. Этот переход уже сейчас экономически оправдан для многофункциональных счетчиков.

2. Применение специализированных БИС и микропроцессоров, что позволяет, с одной стороны, повысить класс точности и надежность счетчиков, а, с другой стороны, без увеличения аппаратурных затрат существенно увеличить функциональные возможности счетчиков, например: фиксировать максимумы потребления мощности, организовать "электронный архив", обеспечить алгоритм предоплаты и т. д.

3. Создание технических средств, позволяющих внедрить наиболее эффективную систему расчетов за пользование электроэнергией с предоплатой и льготным кредитованием.

4. Создание модульных блоков питания, в том числе с литиевыми источниками тока, обеспечивающих сохранение информации суммирующими устройствами в обесточенном состоянии и переходных процессах в сети.

5. Создание модулей связи, обеспечивающих передачу измерительной информации по силовому кабелю, что позволит наиболее эффективно решить проблему дистанционного сбора показаний счетчиков.

Первый раздел написан на основе /8/, так как данный источник является одним из лучших по индукционным счетчикам.

Просьба отправлять замечания и пожелания на почту zxc6074@yandex.ru

1. Индукционные счетчики

1.1 Принцип действия и устройство индукционных счетчиков

Для измерения израсходованной или выработанной энергии в сетях переменного тока промышленной частоты обычно применяются счетчики индукционной системы. В приборах индукционной системы происходит взаимодействие переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной части прибора. Электромеханические силы взаимодействия вызывают движение подвижной части.

Счетчик представляет измерительную ваттметровую систему и принадлежит не к показывающим, а к интегрирующим (суммирующим) приборам. Поэтому угол поворота подвижной части не ограничен, и она вращается с частотой вращения, пропорциональной значению мощности. Очевидно, что в таком случае, количеством оборотов подвижной части можно измерять электроэнергию, определяемую как произведение мощности на время.

На рис. 1 показано схематическое устройство однофазного счетчика активной энергии. Основными его узлами являются электромагниты 1 и 2, алюминиевый диск 3, укрепленный на оси 4, опоры оси - подпятник 5 и подшипник 6, постоянный магнит 7. С осью связан при помощи зубчатой передачи 8 счетный механизм (на рисунке не показан), 9 - противополюс электромагнита.

Обмотка электромагнита 1 включена на напряжение сети U, т. е. параллельно электроприемнику, поэтому она называется параллельной обмоткой или обмоткой напряжения. Обмотка электромагнита 2 включена последовательно с электроприемником, и через нее протекает полный ток нагрузки I. В связи с этим она называется последовательной или токовой обмоткой. Комплекс деталей, состоящий из последовательной и параллельной обмоток и их магнитопроводов, называется вращающим элементом счетчика.

Ток IU протекающий по обмотке напряжения 1, создает переменный магнитный поток Фоб, часть которого Фи пересекает диск.

Однако для упрощения будем рассматривать два потока, отметив при этом, что третий поток приводит к увеличению результирующей электромеханической силы. Согласно закону электромагнитной индукции, в диске наводятся вихревые токи (токи трансформации) iu и ii, которые замыкаются вокруг следов соответствующих потоков. Между током ii и потоком Фи с одной стороны и между током ii и потоком Фu с другой стороны возникают электромеханические силы взаимодействия, которые и создают вращающий момент.

Рисунок 1 Схематическое устройство индукционного счетчика

Этот момент пропорционален произведению магнитных потоков и синусу угла сдвига между ними ш:

Мвр = sin ш,(1)

где - коэффициент пропорциональности.

Активная мощность, потребляемая однофазным электроприемником, определяется по формуле

P = UI cosц(2)

где ц - угол сдвига фаз между током и напряжением,

Сравним формулы (1) и (2). Магнитные потоки и пропорциональны соответственно U и I. Если осуществить в счетчике каким-либо конструктивным приемом постоянное выполнение равенства

sin ш = cos ц,

то вращающий момент счетчика будет пропорционален измеряемой активной мощности, т.е.

Мвр = с1Р (3)

Зная зависимость между основными тригонометрическими функциями, можно записать, что если sinш = cos ц, то ш=90°+ц т.е. при ц=0° ш=90°. Иными словами, угол сдвига между рабочими магнитными потоками должен быть равен 90°.

Для обеспечения требуемого 90-градусного сдвига в счетчике применено разложение магнитного потока Фоб на две составляющие. Рабочий поток Фu, пересекая диск, замыкается через противополюс. Нерабочий поток замыкается через средний и боковые стержни магнитопровода, не пересекая диска. Сдвигая эти потоки относительно .друг друга и делая их различными по величине, можно повернуть вектор Фи на требуемый угол. Для дополнительной подгонки угла сдвига в счетчике предусмотрены регулировочные устройства, о которых будет сказано далее.

Итак, электромеханические усилия создали момент, приводящий диск во вращение. Известно, что частота вращения установится, когда вращающий момент будет уравновешен тормозным. Тормозной момент складывается из нескольких составляющих: момент трения в опорах и счетном механизме, момент трения диска о воздух, индукционный тормозной момент от пересечения диском рабочих потоков и другие. Поэтому значение тормозного момента будет зависеть от многих факторов и не может быть строго определенным. Если снабдить счетчик постоянным магнитом, то вращаясь между полюсами магнита, диск пересекает его магнитные силовые линии. В толще диска наводится дополнительная ЭДС, пропорциональная его частоте вращения. Электромеханическая сила взаимодействия потока и тока, им вызванного, направлена против движения диска, т. е. создает тормозной момент. Этот момент так же, как и наведенная ЭДС, пропорционален частоте вращения и значительно превосходит перечисленные "паразитные" тормозные моменты. Поэтому с достаточной точностью можно считать, что результирующий тормозной момент Мт пропорционален только частоте вращения диска n:

Мт = с2n, (4)

где с2 - коэффициент пропорциональности.

Определенная для данной нагрузки частота вращения установится при равенстве вращающего и тормозного моментов, т.е.

Мвр = Мт (5)

Или

с1Р = с2n,

откуда

P= n (6)

т.е. частота вращения диска пропорциональна активной мощности, а расход электроэнергии пропорционален числу оборотов диска.

Рассмотрим принцип действия трехфазных счетчиков активной энергии. Как известно, активную мощность в трехфазной цепи без нулевого провода можно измерить с помощью двух ваттметров, включенных по схеме, приведенной на рис. 2,а. Мощность всей системы определяется как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров

Р = при равномерной и симметричной нагрузке фаз

P= (7)

Рис. 2 Принципиальная схема измерения мощности по схеме двух ваттметров (а) и схема трехфазного двухэлементного счетчика (б)

Соответственно для измерения активной энергии в этой цепи можно применить два однофазных счетчика, включенных по такой же схеме. Тогда расход электроэнергии определится как алгебраическая сумма значений, измеренных счетчиками. Если же объединить два однофазных счетчика так, чтобы их вращающие элементы действовали на диски, которые насажены на одну общую ось (рис. 2, б), то мы получим трехфазный счетчик. В трехфазной четырехпроводной цепи расход электроэнергии измеряется трехэлементным счетчиком, элементы которого включаются на фазные напряжения и токи. Вращающие элементы этих счетчиков воздействуют на три (счетчик СА4-ТУ) или два диска (счетчик СА4-И672М).

Реактивная мощность трехфазной цепи при полной симметрии нагрузок определяется по формуле

Q = (8)

Нетрудно уяснить, что если в трехэлементном счетчике активной электроэнергии изменить схему включения так, что между током и напряжением, подводимым к каждому элементу, будет дополнительный сдвиг 90° (рис. 3, а), то мы "превратим" его в счетчик реактивной энергии [sinц=cos (90°-ц)]. Принцип получения 90-градуоного сдвига пояснен на рис. 3,б. Из этих рисунков видно, что в первом элементе ток сопрягается с напряжением не (как в счетчике активной энергии), а UBC. При чисто активной нагрузке IА совпадает с U а и сдвинут относительно UBc на 90°. Если же между 1А и UA существует сдвиг на угол ц, то U относительно UBc будет сдвинут на 90°+ц. Аналогично 90-градусный сдвиг получен и в двух других вращающих элементах. Для измерения реактивной энергии предназначен также двухэлементный счетчик с 90-градусным сдвигом с разделенными последовательными обмотками, схема которого приведена на рис. 4,а.

Рис. 3. Схема счетчика реактивной энергии с 90-градусным сдвигом (a) и векторная диаграмма, поясняющая принцип получения 90-градусного сдвига (б)

Особенностью такого счетчика является наличие в каждом вращающем элементе двух последовательных обмоток, по которым проходят токи различных фаз. Направления намотки противоположны. Поэтому вращающий момент пропорционален геометрической разности протекающих токов (если число витков в обеих обмотках условно принять одинаковым). Необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство: несмотря на то, что счетчик двухэлементный, к нему подводятся токи всех трех фаз, или (как будет показано далее) токи двух фаз и нулевого провода. Таким образом, наряду с трехэлементным счетчиком, счетчик с разделенными обмотками может применяться и в трех- и в четырехпроводной сетях. Для учета реактивной энергии в сети без нулевого провода широко применяются более простые двухэлементные трехфазные счетчики с 60-градусным сдвигом (рис. 4, б). Сопрягаемые токи и напряжения подводятся по 90-градусной схеме, однако сдвиг по фазе между рабочими магнитными потоками параллельной и последовательной обмоток равен 60°.

Такой сдвиг достигается путем включения в параллельные цепи добавочных резисторов.

Рис. 4. Схемы счетчиков реактивной энергии с разделенными последовательными обмотками (а) и с 60-градусным сдвигом (б)

Применение 60-градусного сдвига дало возможность получения вращающего момента, пропорционального sinц, при двух элементах счетчика (а не трех) при более простой конструкции.

В эксплуатации счетчик с 60-градусным сдвигом удобен тем, что его схема включения такая же, как и для счетчика активной энергии.

1.2 Классификация и технические характеристики счетчиков

Различают однофазные и трехфазные счетчики. Однофазные счетчики применяются для учета электроэнергии у потребителей, питание которых осуществляется однофазным током (в основном, бытовых). Для учета электроэнергии трехфазного тока применяются трехфазные счетчики.

Трехфазные счетчики можно классифицировать следующим образом.

По роду измеряемой энергии - на счетчики активной и реактивной энергии.

В зависимости от схемы электроснабжения, для которой они предназначены, на трехпроводные счетчики, работающие в сети без нулевого провода,и четырехпроводные,работающие в "сети с нулевым проводом.

По способу включения счетчики можно разделить на 3 группы:

Счетчики непосредственного включения (прямого включения), включаются в сеть без измерительных трансформаторов. Такие счетчики выпускаются для сетей 0,4/0,23 кВ на токи до 100 А.

Счетчики полукосвенного включения своими токовыми обмотками включаются через трансформаторы тока. Обмотки напряжения включаются непосредственно в сеть. Область применения - сети до 1 кВ.

Счетчики косвенного включения включаются в сеть через трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Область применения - сети выше 1 кВ. Изготовляются двух типов.

Трансформаторные счетчики - предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие определенные наперед заданные коэффициенты трансформации. Эти счетчики имеют десятичный пересчетный коэффициент (10n).

Трансформаторные универсальные счетчики - предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие любые коэффициенты трансформации. Для универсальных счетчиков пересчетный коэффициент определяется по коэффициентам трансформации установленных измерительных трансформаторов.

В зависимости от назначения счетчику присваивается условное обозначение. В обозначениях счетчиков буквы и цифры означают: С - счетчик; О - однофазный; А - активной энергии; Р - реактивной энергии; У - универсальный; 3 или 4 для трех- или четырехпроводной сети. Пример обозначения: СА4У - трехфазный трансформаторный универсальный четырехпроводный счетчик активной энергии.

Если на табличке счетчика поставлена буква М, это значит, что счетчик предназначен для работы и при отрицательных температурах (-15° - +25°С).

Счетчики активной и реактивной энергии, снабженные дополнительными устройствами, относятся к счетчикам специального назначения.

Техническая характеристика счетчика определяется следующими основными параметрами.

Номинальное напряжение и номинальный ток - у трехфазных счетчиков указываются в виде произведения числа фаз на номинальные значения тока и напряжения, у четырехпроводных счетчиков указываются линейные и фазные напряжения. Например: 3x5 А; 3x380/220 В.

У трансформаторных счетчиков вместо номинальных тока и напряжения указываются номинальные коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов, для работы с которыми счетчик предназначен, например: 3x150/5 А, 3x6000/100 В.

На счетчиках, называемых перегрузочными, указывается значение максимального тока непосредственно после номинального, например 5-20А.

Номинальное напряжение счетчиков прямого и полукосвенного включения должно соответствовать номинальному напряжению сети, а счетчиков косвенного включения - вторичному номинальному напряжению трансформаторов напряжения.

Точно так же номинальный ток счетчика косвенного или полукосвенного включения должен соответствовать вторичному номинальному току трансформатора тока (5 или 1 А). Счетчики допускают длительную перегрузку по тону без нарушения правильности учета: трансформаторные и трансформаторные универсальные-120%; счетчики прямого включения -200% и более (в зависимости от типа).

Класс точности счетчика - это его наибольшая допустимая относительная погрешность, выраженная в процентах. В соответствии с ГОСТ 6570-75 счетчики активной энергии должны изготавливаться классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; счетчики реактивной энергии - классов точности 1,5; 2,0; 3,0. Трансформаторные и трансформаторные универсальные счетчики учета активной и реактивной энергии должны быть класса точности 2,0 и более точные.

Класс точности устанавливается для условий работы, называемых нормальными. К ним относятся: прямое чередование фаз; равномерность и симметричность нагрузок по фазам; синусоидальность тока и напряжения (коэффициент линейных искажений не более 5%); номинальная частота (50 Гц±0,5%); номинальное напряжение (±1%); номинальная нагрузка; cosц=1 (для счетчиков активной энергии) и sinц=l (для счетчиков реактивной энергии); температура окружающего воздуха 20°±3°С (для счетчиков внутренней установки); отсутствие внешних магнитных полей (индукция не более 0,5 мТл); вертикальное положение счетчика. Передаточное число счетчика - это число оборотов его диска, соответствующее единице измеряемой энергии. Например, 1 кВт*ч равен 450 оборотам диска. Передаточное число указывается на табличке счетчика. Постоянная счетчика - это значение энергии, которое он измеряет за 1 оборот диска. Если передаточное число N имеет размерность "оборот на киловатт-час", то его постоянная С, Вт*с/обор определится по выражению



Чувствительность счетчика - определяется наименьшим значением тока (в процентах к номинальному) при номинальном напряжении и соsц=1 (sinц=1), который вызывает вращение диска без остановки. При этом допускается одновременное перемещение не более двух роликов счетного механизма. Порог чувствительности не должен превышать: 0,4% -для счетчиков класса точности 0,5; 0,5%-для счетчиков классов точности 1,0; 1,5; 1,0%-для счетчиков класса точности 2,5 и 3,0.

Емкость счетного механизма - определяется числом часов работы счетчика при номинальных напряжении и токе, по истечении которых счетчик дает первоначальные показания. Согласно ГОСТ 6570-75 емкость должна быть не менее 1500 ч.

Собственное потребление мощности (активной и полной) обмотками счетчиков - ограничено стандартом. Так, для трансформаторных и трансформаторных универсальных счетчиков потребляемая мощность в каждой токовой цепи при номинальном токе "не должна превышать 2,5 ВА для всех классов точности, кроме 0,5. Мощность, потребляемая одной обмоткой напряжения счетчиков до 250 В: для классов точности 0,5; 1; 1,5 - активная, 3 Вт, полная 12 ВА, для классов точности 2,0; 2,5; 3,0 - соответственно 2 Вт и 8 ВА.

На табличках некоторых счетчиков имеется надпись "Со стопором" или "Обратный ход застопорен". Стопор препятствует вращению диска против направления, указанного стрелкой.

Импортные счетчики могут иметь графическое условное обозначение стопора.

1.3 Конструкция счетчика

Рассмотрим конструкцию трехфазных счетчиков на примере счетчика САЗУ-И680М /8/. Механизм счетчика монтируется на литой стойке из немагнитного сплава, которая расположена в прямоугольном цоколе. Цоколь закрывается кожухом с застекленным окном. Снизу к цоколю крепится зажимная коробка с крышкой. Механизм счетчика состоит из следующих узлов: два вращающих элемента, два тормозных магнита, подвижная система в виде оси с двумя алюминиевыми дисками, опоры подвижной системы (подшипник и подпятник), счетный механизм. На оси счетчика укреплен противосамоходный флажок.

Вращающий элемент представляет собой магнитную систему, на которой расположены: параллельная обмотка, последовательная и дополнительная обмотки, короткозамкнутые витки.

Магнитная система снабжена также поворотной лопаточкой, балансировочными винтами-регуляторами и стальной пластиной, вставленной под каркас параллельной обмотки.

Дополнительная обмотка замкнута на петлю из никелиновой или манганиновой проволоки. Сопротивление петли можно изменять путем перемещения винтового зажима.

Дополнительная обмотка с проволочной петлей и короткозамкнутые витки создают дополнительные потери на пути полного потока последовательной цепи. От этих потерь зависит угол внутреннего сдвига между рабочими магнитными потоками. Как было показано ранее, этот угол должен быть равен 90°.

Разрезание короткозамкнутых витков и перемещение винтового зажима вверх ведет к увеличению внутреннего угла сдвига.

При малых нагрузках силы трения в опорах и счетном механизме могут стать соизмеримыми с электромагнитными силами и вызвать недопустимое увеличение погрешности. Для компенсации сил трения прибегают к созданию небольшого дополнительного момента, называемого компенсационным, за счет ответвления от основного магнитного потока Фи небольшой его части Фк. В описываемом счетчике поток Фк ответвляется в поворотную лопаточку. В результате взаимодействия расщепленных потоков и возникает компенсационный момент, значение которого не зависит от нагрузки и регулируется углом поворота лопаточки. Регулировку производят при малых нагрузках.

Под действием компенсатора трения в счетчике может возникнуть нежелательное явление самохода, т.е. вращение диска при отсутствии нагрузки. Противосамоходное устройство состоит из флажка и пластины. Под действием сил притяжения, возникающих между ними, диск счетчика останавливается. Устранение самохода и регулировку чувствительности производят путем подгибания и отгибания флажка, установленного вблизи пластины.

Два постоянных магнита служат для создания тормозного момента. Крепление магнита позволяет перемещать его в радиальном направлении. Этим обеспечивается регулировка тормозного момента, а следовательно, и частоты вращения. При приближении магнитов к центру частота вращения уменьшается.

Одним из наиболее ответственных узлов счетчика является подпятник. Существуют однокамневые и двухкамневые подпятники (рис. 6,а и б); двухкамневый более износостоек и поэтому получил широкое применение. На нижний конец оси насажена оправа с агатовым или корундовым камнем. Второй (опорный) камень, амортизированный пружиной, заключен в съемной втулке. Между двумя камнями расположен полированный стальной шарик.

Конструкция подшипника показана на рис. 6,в. Верхняя часть оси представляет втулку из латуни или полимерного материала. Сверху в нее входит стальная игла, пропущенная через отверстие в бронзовом колпачке и закрепленная в иглодержателе. Подшипник счетчиков старых выпусков заполнялся маслом. В современных счетчиках-подшипник работает без смазки, что обеспечивает постоянный момент трения.

Рис. 6. Опоры счетчика:

а - однокамневый подпятник; б - двухкамневый подпятник; в - подшипник

Счетный механизм (рис. 7) представляет собой счетчик оборотов роликового типа, отградуированный в киловатт часах (с десятичным множителем).

Рис. 7. Счетный механизм

Вращение диска через червячную пару и зубчатую передачу сообщается ролику с нанесенными цифрами. Когда ролик совершит полный оборот, то с помощью трибки, сидящей на оси, он передаст движение следующему ролику, и тот продвинется на одну десятую оборота. Третий ролик сделает уже одну десятую оборота при полном обороте второго и т. д. Чаще всего роликовый счетный механизм имеет пять или шесть роликов. Ролики прикрыты алюминиевым щитком с вырезанными цифровыми окошками. На щитке-табличке наносятся паспортные данные и заводской номер счетчика. Счетный механизм работает без смазки.

Кожух и крышка зажимной коробки имеют отверстия для установки пломбы. На наружной стороне крышки зажимной коробки обычно прикреплен съемный щиток для указания коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов.

1.4 Схемы включения счетчиков

Счетчик электроэнергии является прибором, реагирующим не только на значение энергии, но и на направление ее передачи /8/. Поскольку измеряемая электроэнергия пропорциональна мощности нагрузки, то в дальнейшем мы будем оперировать понятием "направление мощности".

Как известно, в электрической цепи активная энергия передается от ее источника (генератора) к приемнику (нагрузке). Разрежем один из проводов, соединяющих источник питания с электроприемником, с целью включения последовательной обмотки измерительного прибора. Конец провода, обращенный к источнику питания, можно назвать генераторным, а другой конец, обращенный к нагрузке, - нагрузочным.

В распределительных сетях, предназначенных для электроснабжения промышленных предприятий, объектов сельского хозяйства и других объектов, активная и реактивная мощности, как правило, передаются в одном направлении. Это объясняется тем, что электроприемники представляют собой активно-индуктивные сопротивления, т.е. наряду с активной потребляют и реактивную энергию.

При наличии у потребителя компенсирующих устройств направления активной и реактивной мощности могут быть противоположными. Однако в большинстве случаев учет реактивной энергии, отдаваемой потребителем в сеть, не производится.

В замкнутых сетях направления активной и реактивной мощности могут быть различными и изменяющимися в зависимости от режима работы. Диск счетчика должен вращаться только в направлении, указанном стрелкой, так как в противном случае показания счетчика будут уменьшаться. Поэтому в таких сетях необходимы счетчики со стопорами, причем по два - для каждого вида энергии.

Заметим, что направление мощности от шин в линию принято считать положительным, а от линии к шинам отрицательным.

Трехфазную систему токов и напряжений можно изобразить графически в виде векторов, т.е. отрезков - определенной длины и направления. Направление вектора напряжения от нулевого или низшего потенциала к высшему считают положительным. Вектор обозначается двумя индексами, из которых первый обозначает конец вектора (острие стрелки), а второй - его начало.

Рис. 8. Векторная диаграмма трехфазного двухэлементного счетчика активной энергии при индуктивной нагрузке

Начало вектора фазного напряжения имеет нулевой потенциал, поэтому его индекс опускается. Таким образом, векторы фазных напряжений обозначают Uа, UВ, Uс. В симметричной системе они сдвинуты между собой на 120°. Известно, что изменение фазы от 0 до 360° можно представить как вращение вектора. Условно принято, что трехфазная система напряжений вращается против часовой стрелки. Если взять за начало отсчета (0°) вертикальную прямую, то вектор Uв пересечет эту прямую после вектора Uа, но ранее вектора Uс. Иными словами, Uв отстает от UА на 120°, Uс отстает от Uв на 120°. Такое чередование (следование) фаз называется прямым.

Линейное напряжение представляет собой геометрическую разность двух фазных напряжений, так, напряжение Uав=Uа-Uв. Построив этот вектор, мы видим, что он опережает вектор U а на 30°. В то же время вектор Ubа является таким же вектором, но повернутым в противоположную сторону (сдвиг на 180°).

Векторная диаграмма токов и напряжений двухэлементного счетчика активной электроэнергии (рис. 8) построена для индуктивной нагрузки (активная и, реактивная мощность положительны). В этом случае вектор тока IA сдвинут относительно вектора U а на некоторый угол ц, отсчитываемый против часовой стрелки. Как принято считать, при индуктивной нагрузке (реактивная мощность положительна), ток отстает от фазного напряжения. Это утверждение справедливо и для тока Iс. Если бы нагрузка была емкостной (активная мощность положительна, реактивная отрицательна); токи опережали бы фазные напряжения.

Как будет показано ниже, положение вектора тока, проходящего через последовательную обмотку счетчика, можно определить с помощью приборов, а затем, построив векторную диаграмму, сделать заключение о правильности включения счетчика.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных схем включения счетчиков, сформулируем ряд общих положений.

Ток, проходя от генератора к нагрузке, должен проходить через последовательную обмотку счетчика от ее начала к концу. Другими словами, генераторный провод сети должен быть подключен к генераторному зажиму последовательной обмотки.

Начало последовательной обмотки расположено на зажимной коробке левее конца и обозначается буквой "Г" (генератор) или меньшим цифровым индексом, конец - буквой "Н" (нагрузка) или большим цифровым индексом. Таким образом, при положительном направлении мощности к началу последовательной обмотки счетчика прямого включения подключается провод, идущий от шин РУ, а при отрицательном - идущий от линии.

Если счетчик включен через трансформаторы тока, то к началу последовательной обмотки подключается провод от того зажима вторичной обмотки трансформатора тока, который однополярен с выводом первичной обмотки, подключенным к генераторному токопроводу (об однополярных зажимах измерительных трансформаторов будет сказано далее). При этом направление тока в последовательной обмотке будет таким же, как и при непосредственном включении.

К зажимам параллельных обмоток слева направо подключаются фазы в порядке их прямого чередования. К среднему зажиму обязательно подключается средняя фаза. Имеется в виду вторичное напряжение той фазы, в которой трансформатор тока, не использован в схеме. Такой же порядок следует соблюдать и для подключения фаз к последовательным обмоткам.

Выполнение этих условий обеспечивает как правильные направления токов, так и правильные их сочетания с напряжениями в каждом элементе счетчика. Тот факт, что в элементах счетчика реактивной энергии сопрягаются токи и напряжения "чужих" фаз, не должен вызывать неясностей. Перекрещивание фаз выполнено во внутренней схеме, а порядок внешних подключений остается таким же как и для счетчика активной энергии.

На рис. 9 приведены схемы полукосвенного включения счетчиков в четырехпроводной сети 380/220 В. Схема на рис. 9,а требует для монтажа меньшей затраты провода или меньшего количества жил контрольного кабеля.



Рис. 9 Схемы полукосвенного включения трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводной сети: а - с совмещенными цепями тока и напряжения; б - с раздельными цепями тока и напряжения

Кроме того, она более проста, в связи с чем при ее сборке уменьшается вероятность неправильного включения, а проверить правильность включения можно упрощенными способами без снятия векторной диаграммы. Недостаток схемы заключается в невозможности замены счетчиков без отключения присоединения. Этот недостаток исключен в схеме на рис. 9,6, где цепи напряжения могут быть отсоединены.

Рис. 10. Схема косвенного включения двухэлементных счетчиков активной и реактивной энергии

На рис. 10 изображена схема косвенного включения счетчиков в сети выше 1000 В. Для среднего элемента счетчика реактивной энергии вместо тока Iв подведена геометрическая сумма токов Ia+Iс, которая, как известно, равна-IB. Поэтому эта сумма подводится в противофазе, т. е. к концу обмотки. К началу обмотки подключается нулевой провод трансформатора тока.

Схема включения счетчика обычно нанесена на крышке зажимной коробки. Однако в условиях эксплуатации крышка может оказаться снятой со счетчика другого типа. Поэтому необходимо убедиться в достоверности схемы путем сверки с типовой и с разметкой зажимов.

1.5 Измерительные трансформаторы в цепях учета

Рассмотрим кратко некоторые вопросы, касающиеся применения измерительных трансформаторов для учета электроэнергии.

У трансформаторов тока начало и конец первичной обмотки обозначаются индексами Л1 и Л2 (линия), а начало и конец вторичной обмотки - соответственно И1 и И2 (измерение). Зажимы Л1 и И1 однополярны. Это значит, что 'направление тока во внешней цепи, подключенной к зажимам И1 и И2, совпадает с направлением тока в первичной цепи Л1-Л2. Так, если зажим Л1 является генераторным, то генераторным будет и зажим И1. В распределительных устройствах принято устанавливать трансформаторы тока зажимом Л1 в сторону сборных шин. Тогда зажим И1 является генераторным при положительном направлении мощности. У встроенных трансформаторов тока однополярными являются верхний зажим первичной цепи ("верх") и зажим А вторичной обмотки.

На паспортной табличке трансформатора тока указывается его коэффициент трансформации в виде отношения номинальных первичного и вторичного токов. Номинальный вторичный ток трансформаторов тока обычно равен 5 А. В некоторых случаях для электроустановок 110 кВ и выше изготовляют трансформаторы тока с номинальным током вторичной обмотки 1А. Номинальный ток счетчика должен соответствовать номинальному току вторичной обмотки трансформатора тока. Вторичные обмотки трансформаторов тока при косвенном и полукосвенном включении счетчиков (с раздельным присоединением цепей напряжения) должны заземляться.

Как известно, обычно трансформатор тока выбирается с условием, чтобы его вторичный ток не превышал 110% номинального. С другой стороны, трансформаторы тока, выбранные с завышенными коэффициентами трансформации с учетом тока КЗ, при малых вторичных токах имеют повышенные погрешности. При максимальной нагрузке присоединения вторичный ток должен составлять не менее 40% от номинального тока счетчика, а при минимальной - не менее 5%.

Пример 1. Необходимо выполнить учет электроэнергии на силовом трансформаторе 630 кВ*А, 10/0,4 кВ. Мощность нагрузки трансформатора изменяется от 80 кВ*А до номинальной. Ячейка трансформатора оборудована трансформаторами тока с Кi = 100/5. Требуется проверить их пригодность.

Номинальный первичный ток трансформатора по стороне 10кВ

Ток минимальной нагрузки

Вторичный ток при номинальной нагрузке



Отношение вторичного тока к номинальному в процентах составит:

Вторичный ток при минимальной нагрузке

Отношение вторичного тока к номинальному в процентах составит:

Таким образом, трансформатор тока нужно заменить трансформатором тока с К=75/5 или 50/5.

Встречаются случаи, когда трансформаторы тока, выбранные с учетом тока КЗ или характеристик релейной защиты, не обеспечивают точность учета из-за завышенного коэффициента трансформации. Это обстоятельство вынуждает устанавливать дополнительный комплект трансформаторов тока или переносить счетчики в другую точку сети. Так, для линии, отходящей от шин подстанции и принадлежащей потребителю, счетчики допускается устанавливать не на питающем, а на приемном конце (вводе) у потребителя. На силовых трансформаторах допускается установка счетчиков со стороны низшего напряжения.

Действительный коэффициент трансформации трансформатора тока несколько отличается от номинального, а вектор вторичного тока образует с вектором первичного тока некоторый угол. Другими словами, трансформатор тока обладает погрешностью по току и по углу. Наибольшая допускаемая погрешность определяет класс точности трансформатора тока. Класс точности трансформаторов тока для присоединения расчетных счетчиков трансформаторов тока должен быть не ниже 0,5. Для присоединения счетчиков технического учета допускается использование трансформаторов тока класса 1,0 и менее точных встроенных трансформаторов тока.

Погрешность трансформатора тока зависит от его нагрузки.

Наибольшая нагрузка, при которой погрешность не выходит за пределы класса точности, указывается в паспортной табличке. Нагрузка трансформатора тока определяется полным сопротивлением его внешней вторичной цепи. Сюда входят сопротивления всех последовательно включенных приборов, а также соединительных проводов и переходных контактов. В практических расчетах допускается арифметическое сложение полных сопротивлений, что создает расчетный запас.

Как правило, цепи измерения и учета выполняются отдельно от цепей релейной защиты. Лишь в случаях, когда такое разделение требует установки дополнительных трансформаторов тока, допускается их совместное присоединение. При этом не должны изменяться класс точности трансформаторов тока и необходимые характеристики релейной защиты.

Отсюда, в частности, следует, что ряд реле и устройств с большим сопротивлением не может быть включен в цепи учета. Таковы индукционные реле тока и мощности, реле прямого действия, быстронасыщающиеся трансформаторы и содержащие их устройства и др.

Сопротивления обмоток измерительных приборов и реле приводятся в заводских каталогах и в справочной литературе. Недостающие данные могут быть получены путем измерения. Если указана потребляемая мощность прибора Рц, то сопротивление Zп находится по формуле



где Iп - номинальный ток прибора или минимальная уставка реле по току.

Сопротивление соединительных проводов определяется по формуле

где l - Длина провода между трансформатором тока и счетчиком, м; у - удельная проводимость; для меди у =53 м/(Ом-мм²), для алюминия у=32 м/(Ом-мм²); s - сечение провода, мм².

В токовых цепях сечение медных проводов должно быть не менее 2,5 мм², алюминиевых - не менее 4 мм².

Переходное сопротивление Rк принимают равным 0,1 Ом.

Для схемы соединения трансформаторов тока "неполная звезда" расчетная нагрузка ZH,Pасч определяется по приближенной формуле

ZH,Pасч= (12)

где Zп, ф - сопротивление реле и приборов, включенных в фазный провод; Zп0 - сопротивление. реле и приборов, включенных в нулевой провод.

Для схемы соединения "полная звезда"

ZH,Pасч= (13)

Пример 2. Во вторичные обмотки трансформаторов тока ТПЛ-10, соединенные в неполную Звезду, включены счетчик активной энергии САЗУ-И670, счетчик реактивной энергии СР4У-И673 и амперметр Э-30. Счетчики расположены в шкафу учета. Длина контрольного кабеля 15 м. Жилы медные сечением 2,5 мм². Определить вторичную нагрузи трансформаторов тока.

Сопротивления приборов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Приборы	Тип	Sп ВА	Сопротивление, Ом
			Zп,ф	Zпо
Амперметр	Э-30	1.	-	0,04
Счетчик,	САЗУ-И670	0,4	0,015	-
Счетчик	СР4У-И673	0,4	0,015	0,015
Итого			0,03	0,055

Суммарная расчетная нагрузка по (12)

Zн,расч. = , 112 + 0,03 + 0,055 + 0,1 = 0,379 Ом при допустимом ZН=0,4 Ом.

Параллельные обмотки счетчиков в сети напряжением выше 1000 В питаются от трансформаторов напряжения. Для этой цели применяются как трехфазные, так и группы однофазных трансформаторов напряжения. Вторичное междуфазное напряжение у них равно 106 В. Таким же должно быть и номинальное напряжение подключаемых к ним счетчиков.

Принятые обозначения выводов трехфазного трансформатора напряжения для стороны высокого напряжения - А, В, С, О и для стороны низкого напряжения - соответственно а, Ь, с, 0. Трансформатор имеет нулевую группу соединения, т.е. одноименные векторы первичных и вторичных напряжений совпадают (если пренебречь погрешностью).

На рис. 11 два однофазных трансформатора напряжения соединены по так называемой схеме открытого треугольника (не следует путать с разомкнутым треугольником!). Эта схема обеспечивает симметричные трехфазные напряжения Uab, Ubc, Uca, поэтому она предназначена для питания приборов и реле, включенных на междуфазное напряжение.



Рис. 11. Схема соединения однофазных трансформаторов напряжения в открытый треугольник

Вторичные обмотки трансформаторов напряжения подлежат заземлению. У трехфазных трансформаторов напряжения заземляется либо нулевая точка, либо вывод фазы. В открытом треугольнике заземляется общая точка вторичных обмоток трансформаторов, которая должна соответствовать вторичным выводам, соединенным между собой, и подключенным к "средней" фазе.

Трансформаторы напряжения обладают погрешностью по напряжению и по углу, обусловленной падением напряжения в обмотках от токов нагрузки. Погрешность по напряжению проявляется в некотором уменьшении вторичного напряжения при нагрузке. Угловая погрешность характеризуется некоторым углом между векторами первичного и вторичного напряжения.

Значения погрешностей зависят от мощности нагрузки трансформатора напряжения. Чем она больше, тем больше токи в обмотках. Пропорционально этим токам увеличиваются падения напряжения в обмотках.

Предельно допустимое значение падения напряжения трансформатора определяет его класс точности. Для каждого класса точности устанавливается номинальная мощность Sном. Обычно для трансформатора напряжений устанавливается два или три класса точности и две или три соответствующие им номинальные мощности. Таким образом, трансформатор напряжения в зависимости от нагрузки может работать в различных классах точности.

Для того чтобы выяснить, работает ли трансформатор напряжения в требуемом классе точности, необходимо выполнить расчет его нагрузки. Порядок расчета следующий.

По данным исполнительной схемы составляется перечень измерительной и релейной аппаратуры, подключенной к цепям напряжения. Должно быть отмечено, к каким фазам подключен каждый аппарат. В перечень включается только аппаратура, находящаяся под напряжением постоянно. Заносятся данные о потребляемой мощности Sп каждого аппарата, выраженной в вольт-амперах. В справочной литературе потребляемая мощность обычно дается при Uном=100 В, Но может быть дана и при других значениях напряжения. Для аппаратуры, включенной на линейное напряжение, мощность приводится к напряжению 100 В, а для аппаратуры, включенной на фазное напряжение - к фазному напряжению 100/В. Пересчет осуществляется по формуле

)

где Sп - потребление при расчетном напряжении Un; S'n-потребление, заданное при напряжении U'п.

Если известно сопротивление Zn прибора, то потребляемая мощность определяется по выражению

Для счетчиков в справочной литературе обычно дается потребление активной мощности в ваттах. Принимая cosф=0,38, можно определить потребление полной мощности Sсч по выражению

/0,38.

Если данные о потребляемой мощности отсутствуют, они могут быть получены путем измерений.

Путем арифметического суммирования одноименных междуфазных нагрузок определяются нагрузки Sаb. Sbc, Sсa.

При соединении трансформаторов напряжения в открытый треугольник мощность нагрузки STH каждого из них определяется по формуле

+0,73 (17)

где и наибольшая и наименьшая мощности междуфазной нагрузки. Определенная таким образом мощность нагрузки не должна превышать номинальной для требуемого класса точности.

Для трехфазного трансформатора напряжения определяется мощность нагрузки STH каждой из фаз по формуле

+ 0,423 (18)

а в случае наличия нагрузки Sф, включенной на фазное напряжение,

+ 0,423Sф.(19)

Из трех вычисленных таким образом нагрузок берется наибольшая , и проверяется неравенство

.(20)

Расчет по приведенной методике является приближенным ввиду допущенных упрощений - мощности отдельных нагрузок суммируются арифметически, неравномерность нагрузки учитывается приближенно. Эти упрощения создают некоторый расчетный запас.

Дополнительная погрешность измерения электроэнергии возникает вследствие, падения напряжения в проводах, соединяющих трансформатор напряжения со счетчиком.

Падение напряжения U представляет собой геометрическую разность между вектором линейного напряжения U2 на зажимах трансформатора напряжения и вектором U'2 на зажимах счетчика (рис. 12). В ПУЭ, однако, нормируется не падение, а потеря напряжения, т. е. арифметическая разность U2 и U'2 (U').Как видно из рис. 12, при индуктивном характере нагрузки U> U'. Разница между падением напряжения и ее потерей растет с увеличением угла между напряжением и током нагрузки трансформатора напряжения.

Поэтому определенное расчетным или опытным путем падение напряжения необходимо сопоставить с нормируемым значением потери напряжения.

Сечение и длина проводов и кабелей в цепях напряжения расчетных счетчиков выбираются таким образом, чтобы потери напряжения в этих цепях составили не более 0,25% номинального напряжения при питании от трансформатора напряжения класса точности питания от трансформатора напряжения класса точности 0,5 и не более 0,5% при питании от трансформатора напряжения класса точности 1,0.

Потеря напряжения до счетчиков технического учета должна составлять не более 1,5%.При номинальном напряжении 100 В потеря напряжения в вольтах численно совпадает с потерей напряжения в процентах.

Падение напряжения в проводах может быть распределено путем следующего расчета.

Рис. 12. Векторная диаграмма вторичных цепей трансформатора напряжения

Определяется сопротивление одной жилы контрольного кабеля или соединительного провода по формуле (11).

В цепях напряжения сечение s медных жил должно быть не менее 1,5 мм², алюминиевых- не менее 2,5 мм².

Определяется мощность нагрузки наиболее загруженной фазы трансформатора напряжения по формулам (14)-(16).

Определяется ток нагрузки этой фазы:

=.(21)

Определяется падение линейного напряжения:

(22)

для двух трансформаторов напряжения, соединенных в открытый треугольник при нагрузке, близкой к чисто индуктивной,

. (23)

Рис. 12. Векторная диаграмма вторичных цепей трансформатора напряжения

Вторичные цепи трансформатора напряжения защищаются автоматическими выключателями или предохранителями.

Они должны быть снабжены устройством сигнализаций срабатывающей при всех видах нарушения исправности цепей напряжения.

1.6 Наладка цепей учета на отключенной установке

В объем наладочных работ на отключенной установке входит внешний осмотр, проверка схемы в натуре путем прозвонки, проверка изоляции и измерительных трансформаторов. Проверка измерительных трансформаторов включает в себя проверку однополярных выводов обмоток, снятие вольт-амперной характеристики трансформаторов тока, проверку их нагрузки. Эти же работы в полном или частичном объеме выполняются в порядке текущей эксплуатации, при заменах или капитальных ремонтах измерительных трансформаторов, после переделки вторичных цепей при нарушении правильности учета.

Внешний осмотр. Внешнему осмотру подвергаются все вторичные цепи от измерительных трансформаторов до счетчиков. Проверяются комплектность и отсутствие механических повреждений элементов вторичных цепей (сборки зажимов, переходные коробки, испытательные блоки и пр.), качество разделки контрольных кабелей, надежность и правильность крепления счетчиков, отсутствие окисления контактных соединений, состояние устройств обогрева. Необходимо проверить выполнение в полном объеме маркировки проводов и контрольных кабелей. При централизованном размещении счетчиков, проверяется наличие надписей с наименованием присоединений. Все замеченные недостатки немедленно устраняются.

Прозвонка проводников имеет целью установить полное соответствие монтажа принципиальной и монтажной схемам, включая соответствие маркировок. Перед тем как приступить к прозвонке (и к последующей проверке изоляции), необходимо проверить отсутствие напряжения на всех зажимах при помощи вольтметра или указателя напряжения.

Во избежание обратной трансформации трансформаторы напряжения отключаются с обеих сторон. Прозваниваемый провод хотя бы с одного конца должен быть отсоединен от схемы - это исключает возможные обходные цепи.

В результате прозвонки устанавливается следующее. Провод не имеет обрыва; провод не имеет замыкания с другими проводами; концы провода замаркированы одноименно; концы провода подключены согласно схеме.

После прозвонки схему восстанавливают, плотно поджав все зажимы,

Проверка изоляции включает в себя испытание изоляции переменным напряжением 1000 В в течение 1 мин и измерение сопротивления изоляции мегаомметром. При эксплуатационных проверках допускается замена испытательного напряжения 1000 В переменного тока испытательным напряжением 2500 В постоянного тока при применении соответствующего мегаомметра. Перед проверкой необходимо отсоединить заземление трансформаторов тока. Делаются три замера: между последовательными цепями и "землей", между параллельными цепями и "землей", между последовательными и параллельными цепями. Во всех случаях сопротивление изоляции должно быть не ниже 1 МОм. В таком же порядке производится и испытание изоляции.

...