Учет электрической энергии

После испытания схема должна быть восстановлена.

Полярность зажимов измерительных трансформаторов проверяется с помощью чувствительного магнитоэлектрического прибора с нулем в середине шкалы, имеющего на своих зажимах обозначенную полярность (рис. 14, а). Источник постоянного тока напряжением 4-6 В подключается к первичной обмотке измерительного трансформатора. Измерительный прибор подсоединяют ко вторичной обмотке. "Плюс" источника и "плюс" прибора при этом должны быть подсоединены к зажимам, обозначенным как однополярные (например, Л1 и И1). Отклонение стрелки прибора вправо при замыкании рубильника подтверждает правильность обозначения.

Вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки от проходящего по ней тока намагничивания, является основной характеристикой, которая определяет исправность трансформатора тока. Схема для снятия вольт-амперной характеристики приведена на рис. 14, б.

Обычно в схеме применяют регулировочный автотрансформатор ЛATP либо несущественно отличающийся от него РНО. Используют амперметр и вольтметр электромагнитной системы класса точности 0,5. Если предел измерения амперметра 5 А, то его включают через трансформатор тока класса точности 0,2.

Для снятия характеристики при разомкнутой первичной обмотке на зажимы вторичной обмотки подается переменное напряжение через регулировочный автотрансформатор (рис. 14, б). Увеличивая ступенями напряжение для каждого его значения измеряют значение тока. При новом включении таким образом снимаются 10-12 точек и строится вольт-амперная характеристика. При плановых проверках снимаются 3-4 точки и проверяются их совпадение с ранее снятой характеристикой.

Рис. 14. Проверка трансформатора тока:

а - определение полярности обмоток; б - снятие характеристики намагничивания

При наличии короткозамкнутых витков характеристика резко снижается, как показано на рис. 15. Снижение характеристики может быть обнаружено при сравнении ее с характеристикой, снятой ранее, или с характеристиками однотипных трансформаторов тока.

Сопротивление проводов и жил кабеля во вторичных цепях измерить лучше всего мостом любого типа. Если ожидаемое значение сопротивления ниже 1 Ом, то следует применить мост УМВ или РЗЗЗ. При отсутствии моста можно измерить сопротивление с помощью амперметра и милливольтметра.

Рис. 15. Характеристики намагничивания исправного трансформатора тока I и трансформатора тока с короткозамкнутыми витками II

1.7 Проверка правильности включения счетчика на действующем присоединении

Сделать вывод о правильности включения счетчика можно, если векторная диаграмма, снятая на его зажимах, совпадет с нормальной (cм. рис. 8). Необходимыми и достаточными условиями для этого являются, во-первых, правильность выполнения вторичных цепей трансформатора напряжения и подключения к ним параллельных обмоток счётчика и, во-вторых, правильность выполнения вторичных цепей трансформатора тока и подключения к ним последовательных обмоток счетчика.

Исключением из этого правила являются случаи, когда и трансформаторы тока и трансформаторы напряжения включены с обратными полярностями, а счетчик тем не менее может быть включен правильно. Однако такие случаи маловероятны, и мы их не рассматриваем. Итак, проверка правильности включения счетчиков состоит из двух этапов: проверки цепей напряжения и цепей тока (снятие векторной диаграммы).

Проверка вторичных цепей трансформатора напряжения. Эта проверка заключается в проверке правильности маркировки фаз и в проверке исправности целей напряжения. Проверка выполняется под рабочим напряжением. Измеряются все линейные напряжения и напряжения каждой фазы относительно "земли". Очевидно, что в исправных цепях все линейные напряжения равны и составляют 100 - 110 В. Значения же напряжений между фазой и "землей" зависят от схемы включения трансформатора напряжения и выполнения вторичных цепей. Если два однофазных трансформатора напряжения соединены в открытый треугольник, либо применен трехфазный трансформатор напряжения с заземленной фазой, то напряжение этой фазы относительно "земли" равно 0, а на остальных фазах оно равно линейному. Если в трехфазном трансформаторе напряжения заземлена нейтраль вторичной обмотки, то напряжения всех фаз относительно "земли" составят около 58 В (100/3).

Проверку правильности наименования фаз начинают с отыскания фазы, которая должна быть подсоединена к среднему зажиму счетчика. В первом случае ее легко найти по результатам измерения напряжений относительно "земли". Во втором случае можно поступить следующим образом. Трансформатор напряжения отключают с обеих сторон. После проверки отсутствия напряжения и принятия всех необходимых мер безопасности на стороне высшего напряжения вынимается предохранитель средней фазы. Трансформатор напряжения включается в работу. Измеряются вторичные линейные напряжения. Линейные напряжения на отключенной фазе будут снижены (примерно вдвое), в то время как напряжение между неотключенными фазами не изменится. Найденная фаза подключается к среднему зажиму цепей напряжения счетчика, а две другие к крайним зажимам соответственно маркировке. Затем после повторного отключения трансформатора напряжения и принятия мер безопасности предохранитель устанавливается на место, после чего трансформатор напряжения включается в работу.

Остальные фазы во всех случаях можно определить при помощи фазоуказателя, который предназначен для определения порядка чередования фаз в трехфазной сети. Этот прибор представляет собой миниатюрный трехфазный асинхронный двигатель с кнопочным выключателем. В качестве ротора в нем используется легкий металлический диск с контрастными секторами. Прибор рассчитан на кратковременную работу (до 5с). Для проверки маркированные выводы фазоуказателя в таком же порядке, как и у счетчика, присоединяют к выводам обмоток напряжения счетчика и нажав кнопку, наблюдают за направлением вращения диска. Вращение диска по стрелке указывает на правильность маркировки, а следовательно, и на правильное подключение обмоток напряжения. В противном случае необходимо выявить одну из возможных причин, обратного чередования фаз: неправильную маркировку (расцветка фаз) первичных цепей или ошибку в выполнении вторичных цепей трансформатора напряжения. Для выявления причин обратного чередования фаз проверяют чередование фаз на ближайшей к трансформатору напряжения сборке зажимов и повторяют прозвонку цепей напряжения. После исправления ошибки (пересоединение "крайних" фаз в первичных цепях или в цепях трансформатора напряжения) проверку чередования фаз повторяют.

Определение правильности маркировки значительно упрощается, если от этого трансформатора напряжения питаются другие счетчики или устройства релейной защиты с заведомо проверенной правильностью включения. Тогда достаточно сфазировать с ними проверяемый счетчик.

Рассмотрим некоторые ошибки и неисправности, выявляемые при проверке цепей напряжения.

Перегорание предохранителей или отключение автоматического выключателя вследствие КЗ во вторичных цепях чаще всего происходит из-за ошибочного подключения цепей напряжения к зажимам последовательных обмоток.

Понижение или отсутствие линейного напряжения может быть вызвано различными причинами: обрыв провода или перегорание предохранителя, неисправность трансформатора напряжения, подключение к двум зажимам одноименной фазы. Конкретная причина выявляется в результате дальнейших проверок после отключения трансформатора напряжения.

Если при измерении линейных напряжений одно, из них, обычно между крайними зажимами, будет около 173 В, то это указывает на то, что вторичная обмотка одного трансформатора напряжения вывернута по отношению к вторичной обмотке второго трансформатора.

-Р(к шинам)

После исправления ошибок в схеме и устранения неисправностей все измерения повторяют.

(к шинам)

Проверка вторичных цепей трансформаторов тока. Для этой проверки сначала снимается векторная Диаграмма токов, т. е. определяются значения и положения векторов токов, проходящих через последовательные обмотки счетчика, относительно векторов напряжения.

Затем они сопоставляются с ожидаемыми расположениями векторов вторичного тока, определяемыми характером первичной нагрузки, направлением и значением активной и реактивной мощностей. Разделим окружность, являющуюся областью расположения вектора тока какой-либо фазы относительно одноименного фазного напряжения, на четыре квадранта (рис. 16). Если по данному присоединению направление активной мощности неизменно (распределительные сети, линии электроснабжения), то к счетчику активной энергии всегда подведена положительная активная мощность. Реактивная мощность может быть как положительной, так и отрицательной. В первом случае (индуктивная нагрузка) вектор тока располагается в первом квадранте, т.е. отстает от вектора одноименного фазного напряжения на 0°<ц<90о. Во втором случае (при емкостной нагрузке) он располагается во втором квадранте, т.е. опережает фазное напряжение.



В разветвленных сетях направления активной и реактивной мощности могут меняться. В этих случаях устанавливают по два счетчика со стопорами для каждого вида энергии.

Обмотки тока каждой пары включены встречно, т.е. векторы тока в них находятся в противофазе. Поэтому к двум счетчикам всегда подведена положительная мощность (активная и реактивная соответственно), и их диски вращаются.

К двум другим подведена отрицательная мощность. Их диски не вращаются, так как обратный ход застопорен. Векторы токов могут находиться в III и IV квадрантах. Отсюда следует, что для анализа векторной диаграммы, снятой на таком присоединении, необходимо получить от диспетчера энергосистемы информацию о том, куда направлены активная и реактивная мощности: от шин или к шинам.

Для снятия векторных диаграмм можно использовать следующие приборы: ватметр, вольтамперфазоиндикатор ВАФ-85, фазометр, векторметр Ц-50 и некоторые другие.

Наиболее удобен прибор ВАФ-85, применение остальных приборов усложняет работу.



Рис. 17. Схема внутренних соединений прибора ВАФ-85

Прибор ВАФ-85 предназначен для измерения значения и фазы переменного напряжения и тока, а также для определения чередования фаз. Значение тока может быть измерено без разрыва цепи. Схема ВАФ-85 показана на рис. 17. Он снабжен измерительным прибором магнитоэлектрической системы. Если переключатель В1 установить в положение "мА", измеряемый ток подается на прибор с соответствующих зажимов через согласующий трансформатор Т1 и диодные выпрямители Д1 и Д2. Если же переключатель В1 установить в положение "U, I", В2 в положение "Величина", а ВЗ - на соответствующий предел измерения, то, охватив провод с током электроизмерительными клещами, можно измерить значение тока в пределах 0,2-10 А. Электроизмерительные клещи представляют собой трансформатор тока с разъемным магнитопроводом, первичной обмоткой которого является провод с током. Нагрузкой вторичной обмотки являются сопротивления R3-R6 с которых напряжение через диодный выпрямитель ДЗ подается на измерительный прибор. При измерении значения и фазы напряжения оно подается на измерительный прибор ИП с зажимав * и U через сопротивления R7-R11. Переключателем В4, рукоятка которого совмещена с ВЗ, выбирается предел измерений.

Прибор ВАФ-85 имеет фазоуказатель, который представляет собой сельсин с трехфазным статором и заторможенным ротором. Ротор можно вращать рукой с помощью лимба. В зависимости от положения лимба изменяется фаза напряжения, индуктированного в обмотке ротора, относительно напряжения питания статора сельсина. Иными словами, сельсин работает как фазорегулятор. Напряжение с обмотки ротора подается на обмотку реле Р, которое работает как механический однополупериодный выпрямитель. Через контакты реле измеряемый ток подается на ИП. Если напряжение и ток совпадают по фазе, то через ИП проходит максимальный ток. При токе и напряжении, подведенным к выпрямителю под углом 90°, показания прибора равны нулю. Таким образом, по положению лимба можно определить фазу измеряемого тока. Прибор показывает угол между вектором напряжения Uab' и вектором тока или напряжения, поданными на зажимы * -I или * - U. При этом должно соблюдаться условие синхронности трехфазной системы напряжений питания статора сельсина и измеряемого тока или напряжения (питание от одной сети). Отметим, что в некоторых модификациях прибора вместо механического выпрямителя применен фазозависимый полупроводниковый выпрямитель. Сельсин работает также как обычный фазоуказатель, для чего надо отпустить тормоз.

На панели ВАФ-85 расположены лимб фазорегулятора, на котором нанесены деления в градусах, и кнопка его тормоза, рядом-лицевая сторона измерительного прибора; имеющего четыре переключателя: переключатель B1 на два положения - измерение токов до 250 мА с разрывом цепи и измерение токов до 10 А без разрыва цепи с помощью электроизмерительных клещей; переключатель В2 также на два положения - измерение значений величин и определение фазы; сдвоенный переключатель ВЗ-В4 - для изменения пределов измерения.

В верхней части выведены зажимы А, В, С для подключения к фазорегулятору трехфазной системы напряжений. Последующие четыре зажима используются для измерения малых токов при разрыве цепи. Наконец, зажимы U, * и I используются для измерения напряжений и токов до 10 А. К последним двум зажимам подключаются электроизмерительные клещи.

В практике эксплуатации зачастую возникает необходимость в расширении пределов измерений. Так, для использования ВАФ-85 в сети 0,4 кВ его подвергают следующей переделке. Последовательно с конденсаторами С1, С2, СЗ подключаются дополнительные конденсаторы С'1, С'2, С'З по 0,05 мкФ. Они могут быть смонтированы в отдельной приставке или непосредственно в приборе и подключаться к схеме, как показано на рис. 18. Если измеряемые токи весьма малы, в рассечку испытательного зажима или испытательного блока можно включить гибкую перемычку и пропустить ее через окно электроизмерительных клещей несколько раз. Тогда действительное значение тока будет равно показанию измерительного прибора, разделенному на число проводников в клещах.

Как известно, в РУ 110 кВ и выше иногда применяются трансформаторы тока с номинальным вторичным током 1 А. Для проверки правильности включения счетчиков с такими трансформаторами тока значение и фазу тока 20-250 мА приходится измерять во многих случаях. Для частых измерений малых токов вышеописанный способ неудобен, поэтому возникает необходимость повысить чувствительность ВАФ-85 по току.

Реконструкция, выполненная в Калининэнерго, заключается в следующем. Аналогичный усилитель размещается непосредственно в кожухе прибора. Усилитель имеет два источника питания. Стабилизированный источник питания, на вход которого подается 110 В от цепи сельсина, размещен в кожухе прибора. Если фаза тока не измеряется, то в качестве источника может быть использована батарея 4,6 В. Миллиамперметр для измерения малых токов с разрывом цепи исключается, а зажимы используются для присоединения электроизмерительных клещей и батареи. Переключатель пределов заменяется. В результате получаются три дополнительных предела измерения токов без разрыва цепи: 0-25, 0-100 и 0-500 мА. При измерении, значения и фазы тока на этих дополнительных пределах вилка электроизмерительных клещей включается в гнезда мА, а переключатель В ставится в положение "мА" (рис. 19).

Перед снятием векторной диаграммы необходимо проверить установку нуля прибора. Для этого на зажимы А, В, С подается трехфазное питание. Клещами, обращенными в сторону прибора, охватывается провод, идущий к зажиму С. Ток в этом проводе около 0,1 А, поэтому целесообразно намотать на клещи несколько витков. Вращением лимба устанавливают стрелку прибора на нуль, при этом с риской начала отсчета должен совпасть нуль лимба. Незначительное несовпадение корректируется путем совмещения планки с риской (у приборов старого образца наносится новая риска). Значительное расхождение свидетельствует о неисправности прибора или ошибочном обозначении полярностей на вилках соединительного шланга.

Рис. 18. Схема подключения добавочных конденсаторов к прибору ВАФ-85

Рис. 19. Схема реконструкции прибора ВАФ-85



Рис. 20. Снятие векторной диаграммы прибором ВАФ-85

Векторная диаграмма на зажимах счетчика снимается следующим образом (рис. 20). Зажимы прибора А, В, С непосредственно соединяются с зажимами обмоток напряжения счетчика в порядке их расположения слева направо. Отпускается тормоз и по направлению вращения лимба определяется чередование фаз. Вращение лимба по часовой стрелке соответствует прямому чередованию. Затем лимб затормаживают. К выводам прибора * и I соединительным шлангом подключают электроизмерительные клещи. Штыри соединительных вилок должны входить в гнезда клещей и лицевой панели прибора одноименными обозначениями. Переключатель В1 устанавливается в положение "U, I", переключатель В2- в положение "Величина", переключатель ВЗ-в положение. "5А" или "1А" в зависимости от предполагаемого значения тока. Клещами охватывают провод, подключенный к началу токовой обмотки счетчика в фазе А. Сторона клещей, отмеченная *, должна быть, обращена в сторону трансформаторов тока. Измеряется значение тока. Затем переключатель В2 устанавливается в положение "Фаза". Вращением лимба стрелка прибора подводится к нулю. При этом направление поворота стрелки должно быть одинаковым с направлением вращения лимба. Целесообразнее вращать лимб против часовой стрелки, фиксируя при этом подход к нулю стрелки справа со стороны шкалы. Установив стрелку на нуль, отсчитывают угол по делению лимба, совмещенному с риской. Аналогичным образом измеряют значение и угол других фаз, а также нулевого провода.

После снятия векторной диаграммы приступают к ее построению и анализу. Сначала строят векторы фазных напряжений и векторопережающий на 30° . Откладывая относительно измеренные прибором углы, строят векторы тока. Угол со знаком "Инд." откладывается по часовой стрелке, а со знаком "Емк." против часовой стрелки. Наконец, определяют углы между одноименными векторами токов и фазных напряжений и делают заключение о правильности включения счетчика.

Пример 3. Счетчик активной энергии установлен на стороне низшего напряжения понижающего трансформатора в трехпроводной сети. Характер нагрузки емкостный. При снятии векторной диаграммы прибором ВАФ-85 получены следующие данные:

Обозначение А С О

Ток, А 3 3 3

Угол, град Инд. 15 Емк. 105 Инд. 135

Отложив от вектора линейного напряжения по часовой стрелке угол 15°, строят вектор тока IА (рис. 21). Отложив от вектора линейного напряжения Uав угол 105° против часовой стрелки и угол 135° по часовой стрелке, строят векторы IС и Iо. Вектор I0 по фазе и значению равен Iв (если за положительное направление I0 принять направление от трансформатора к счетчику, что и выполняется при снятии векторной диаграммы). На векторной диаграмме токи опережают соответствующие фазные напряжения на ц=15°. Следовательно, счетчик включен правильно.

Пример 4. Счетчик активной энергии установлен на присоединений с индуктивным характером нагрузки. При снятии векторной диаграммы прибором ВАФ-85 получены- следующие данные:

Обозначение А С О(В)

Ток, А 2,5 2,5 2,5

Угол, град Инд. 55 Инд. 175 Емк. 65

Построим векторную диаграмму, как указано выше (рис. 22). Вектор IА отстает от вектора О а на 25°. Однако на такой же угол от Uс отстает не Iс, а I0. В то же время вектор Iс занимает положение, которое должен занимать вектор I0. Отсюда делаем вывод, что провод, идущий от фазы с трансформатора тока, перепутан с нулевым проводом.

Рис. 21. Векторная диаграмма к примеру 4

Рис. 22. Векторная диаграмма к примеру 5

В примерах 3 и 4 предполагается, что проверка цепей напряжения выполнена ранее.

Для отыскания нулевого провода трансформаторов тока может быть применен следующий способ. Три провода, идущие от трансформаторов тока; закорачиваются на испытательных зажимах.

Один вывод переносного амперметра заземляется, второй поочередно подсоединяется к каждому из зажимов. После подсоединения амперметра перемычка с этого зажима каждый раз снимается, а по окончании измерения устанавливается вновь. Наличие тока указывает на то, что к данному зажиму подключен фазный провод; отсутствие тока указывает на нулевой провод.

После выявления ошибки токовые цепи закорачивают и делают необходимые пересоединения с заменой маркировки. Затем с токовых цепей снимают закоротку и векторная диаграмма снимается заново.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся неисправности и ошибки в токовых цепях (трансформаторы тока соединены в неполную звезду).

Перепутана маркировка в токовых цепях, вследствие чего поменялись местами провода, идущие от трансформаторов тока. Система токов при этом остается симметричной. Принадлежность провода определенной фазе или нулю, обнаруживается при снятии векторной диаграммы (см. пример 4).

Обрыв нулевого провода. Признаки: ток в нулевом проводе отсутствует, тони в фазных проводах малы и не соответствуют нагрузке, векторная диаграмма неопределенная.

Обрыв фазного провода или вторичной обмотки трансформатора тока. Признаки: ток одной из фаз равен нулю, вектор тока другой фазы сдвинут относительно I0 на 180°. Как известно, при этом во вторичных цепях может появиться опасное напряжение, а трансформатор тока может повредиться из-за перегрева магнитопровода. Поэтому присоединение немедленно должно быть отключено для проверки трансформаторов тока и их цепей.

Закорачивание трансформатора тока. Признаки: токи в фазных и в нулевом проводах различны; сумма токов в фазном и нулевом проводах равна току другой фазы.

Вторичная обмотка одного из трансформаторов тока включена с обратной полярностью. Признаки: ток в нулевом проводе в 1,73 раза больше тока в фазном проводе: угол между векторами 1А и 1с составляет 60°.

Упрощенные способы проверки. Если на коробке зажимов поменять местами провода двух крайних цепей напряжения, то при симметричной нагрузке диск правильно включенного счетчика активной энергии должен остановиться (возможен небольшой ход в любую сторону).

При втором способе отсчитывается число оборотов диска счетчика активной энергии за некоторый промежуток времени (1-3 мин). Затем отсоединяется провод средней фазы цепи напряжения и снова отсчитывается число оборотов диска за тот же промежуток времени. Если счетчик включен правильно, то число оборотов уменьшится вдвое. Оба способа являются приближенными, так как их применение предполагает симметричность нагрузки, а второй способ - еще и постоянство нагрузки.

Проверка правильности включения счетчиков в установках ниже 1000 В. Если счетчик включен по схеме рис. 9,а, то в любом случае обеспечивается сопряжение одноименных фаз тока и напряжения в каждом вращающем элементе. Поэтому правильность включения счетчика может быть проверена без снятия векторной диаграммы. При проверке измеряются фазные и линейные напряжения, а также определяется порядок чередования фаз.

Если чередование обратное, следует взаимно переключить любые два вращающих элемента и питающие их трансформаторы тока. Затем поочередно проверяют правильность направления вращения диска при воздействии на подвижную систему каждого элемента в отдельности. Проверка производится путем снятия перемычек на зажимной коробке поочерёдно, при этом в работе остается один вращающий элемент, а два других выводятся из работы. Отсоединение и подключение перемычек производится только при снятом напряжении.

При другом способе присоединение отключается и к каждой фазе поочередно кратковременно подключается искусственная однофазная нагрузка. Ею может служить сопротивление 40-50 Ом мощностью 200 Вт. Если счетчик включен правильно, то каждый его элемент будет вращать диск вправо. Вращение диска в противоположную сторону указывает на протекание тока в последовательной обмотке в обратном направлении. Для исправления ошибки необходимо поменять местами провода, подключенные к данному элементу.

Если счетчик включен по схеме на рис. 9, б то необходимо снимать векторную диаграмму. При снятии векторной диаграммы на напряжении 0,4 кВ необходимо соблюдать особые меры предосторожности.

В заключение отметим, что при условии cosц>0,5 при всех неправильных включениях счетчика его частота вращения ниже, чем при правильном включении.

1.8 Снятие показаний счетчиков

Для определения расхода электроэнергии, учитываемого универсальным трансформаторным счетчиком за какой-либо промежуток времени, необходимо разность показаний, взятых в начале и в конце этого промежутка, умножить на пересчетный коэффициент.

Пересчетный коэффициент kп определяется по формуле

К = КIКU (24)

где Ki - коэффициент трансформации трансформаторов тока; Ku -коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Вопросы для самопроверки:

1. Назначение счетчика учета электрической энергии.

2. Перечислить основные узлы и рассказать устройство индукционного счетчика.

3. Что такое коэффициент трансформации?

4. От чего зависит погрешность трансформатора тока?

2. Электронные счетчики

Производство электронных, или статических (называемых так из-за отсутствия в них подвижных, динамических измерительных элементов, присущих индукционным счетчикам), электросчетчиков переменного тока активной энергии должно соответствовать межгосударственным стандартам ГОСТ 30206-94 (МЭК 687-92) "Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2S и 0,5S)" и ГОСТ 30207-94 (МЭК 1036-90) "Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 1 и 2)". Эти стандарты введены взамен ГОСТ 26035-83 "Счетчики электрической энергии переменного тока электронные", который, тем не менее сохранил свое действие в части измерения реактивной энергии.

В настоящее время большинство фирм для преобразования входных сигналов тока и напряжения в частоту пропорциональную активной мощности, используют специальные микросхемы.

В России и странах СНГ наибольшее распространение получили микросхемы КР1095ПП1 производства ПО "Восход" (г. Калуга) и UA01 ПС производства завода "Кристалл" (г. Киев) /6/. В микросхеме КР 1095ПП1 применен времяимпульсный принцип умножения на основе дельта - сигма модуляторов. Она обладает хорошими метрологическими характеристиками и на ее базе можно выпускать счетчики класса "0,5", а при специальном отборе - "0,2" и даже образцовые. Основными ее недостатками является: повышенное потребление (7 - 10 мА) и отсутствие выхода модуля мощности. Микросхема UA01 ПС имеет аналоговый умножитель на принципе "логарифм - антилогарифм" и требует двуполярного питания. В качестве эталона времени необходим прецизионный конденсатор. Для данного принципа перемножения характерно низкое быстродействие. Тем не менее, микросхема UA01 ПС хорошо зарекомендовала себя при производстве однофазных счетчиков.

На российском рынке присутствуют также микросхемы преобразователей мощности импортного производства /6/. В частности, фирма "Analog Devices" предлагает семейство микросхем AD7750 - 55 , на которых можно построить различные модификации счетчиков (однофазные, трехфазные, активной или реактивной энергии, рассчитанные на работу с электромеханическим отсчетным устройством или жидкокристаллическим индикатором и т.д.). Схемы содержат два АЦП (каналов тока и напряжения), цифровой умножитель, цифровые фильтры, преобразователь "цифровой код - частота". Первые версии микросхем имели относительно большую угловую погрешность, что затрудняло их применение даже в счетчиках класса 1,0. В настоящее время этот недостаток в значительной степени преодолен. Основные погрешности микросхем при динамическом диапазоне канала тока 500 не более 0,3%. К достоинствам микросхемы следует отнести встроенный источник опорного напряжения, малое энергопотребление, однополярный источник питания, одинаковый потенциал аналоговой и цифровой "земли". Аналогичными преимуществами обладает микросхема SPM фирмы D - Tech (Германия). В этой схеме использован хорошо апробированный принцип времяимпульсного перемножения на дельта - сигма модуляторах.

Неплохие микросхемы предлагает также южно - африканская фирма "SAMES". На их базе можно построить счетчики класса 1,0 с использованием как шунтов, так и трансформаторов тока. Имеется исполнение со встроенным драйвер ом ЖКИ и последовательным интерфейсом. В составе семейства присутствуют микросхемы, способные работать с двумя или тремя парами измерительных преобразователей тока и напряжения, что существенно упрощает схемы трехфазных счетчиков.

Главным препятствием применения импортных микросхем в России является их относительно высокая стоимость. Вместе с тем, в ближайшее время следует ожидать появление новых отечественных микросхем преобразователей мощности производства ведущих российских микроэлектронных компаний "Ангстрем" и "Микрон". Заявленные параметры и функциональные возможности этих компонентов свидетельствуют о хороших перспективах электронных счетчиков, построенных на их базе.

До внедрения в России ГОСТ 30207 - 94 и ГОСТ 30206 - 94 (аналогов стандартов МЭК) электронные счетчики выпускались по общесоюзному стандарту ГОСТ 26035 - 83. Данный стандарт ограничивал потребление мощности по цепи напряжения на уровне 4 ВА. В связи с этим разработчики первых моделей электронных счетчиков были вынуждены использовать сложные схемы источников питания, содержащие высоковольтные трансформаторы, высокочастотные ключевые стабилизаторы и фильтры (для обеспечения электромагнитной совместимости). И только в отдельных случаях удавалось применять более простые схемы источников питания с емкостным балластом.

Использование при этом микросхем с общим энергопотреблением более 7 мА и технических решений по патентам России №2064690 и №2077111 позволило в два раза увеличить отдаваемую мощность при том же импедансе емкостного балласта и отказаться от электролитических фильтрующих конденсаторов, ограничивающих срок службы счетчиков.

Новые стандарты увеличили уровень потребления полной мощности до 10 ВА, но ввели ограничение по активной мощности в цепи напряжения не более 2 Вт. В связи с этим наблюдается тенденция к отказу от блоков Питания с высокочастотным преобразованием даже в сложных "интеллектуальных" счетчиках.

Мировая практика показывает, что в простых, в первую очередь бытовых, счетчиках применяются электромеханические отсчетные устройства, по принципу действия обладающие энергонезависимой памятью. Однако при сравнительно низкой стоимости они чувствительны к сильным магнитным полям и не всегда имеют высокую надежность, а их функциональные возможности ограничены. Поэтому в сложных многотарифных счетчиках с отображением дополнительной информации повсеместно применяются жидкокристаллические индикаторы, также имеющие ряд недостатков. Помимо повышенной стоимости ЖКИ имеют ограниченный срок службы (10-12 лет) и в ряде случаев не обеспечивают требуемый температурный диапазон работы. Другие способы индикации (на светоизлучающих матрицах, люминесцентные и пр.) не нашли широкого применения из-за недостаточной совместимости с другими элементами схемы.

В настоящее время можно утверждать, что с помощью электронных счетчиков удалось решить задачу обеспечения необходимой точности учета энергопотребления, особенно в зоне малых нагрузок, и расширения до 100 А динамического диапазона измерений для счетчиков непосредственного включения. Электронные счетчики доказали свою эффективность при построении на их базе автоматизированных систем контроля и учета. В цифровых СЭ несложно реализовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счётчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счётчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все СЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузки и её дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом СЭ можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя.

Расчёт энергии, потребляемой за определённый промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счётчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определённые промежутки времени.

В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

где p(t) - значение мгновенной мощности в момент времени t; Т - время измерения.

При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

p(t) = u(t) * i(t) = Umsinщt * Imsin(щ + ц) = UIcosц - UIcos(2щt + ц), (25)

где u(t) и i(t) - мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; Um и Im - амплитудные значения напряжения и тока; U и I - действующие значения напряжения и тока (U = Um/2; I = Im/2); >щj - угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование выражения (25) по периоду даёт значение активной потребляемой мощности:

Р = UIcos ц = Scos ц [Вт] (26)

где S = UI - полная мощность потребления [ВА].

Реактивная мощность в этом случае определяется следующим образом:

Q = Ulsin ц = Ssin ц [ВАР] (27)

Для вычисления любых мощностей (Р, Q, S) в цифровых счётчиках необходимо измерять любые два значения из четырёх величин Р, Q, S, ц. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханическом СЭ из-за их конструктивных особенностей.

Рис. 23. Варианты подключения микроконтроллеров к цепям измерения мощности

На рис. 23 и 24 приведены структурные схемы цифровых СЭ, позволяющих реализовать необходимые измерения.

Рис. 24 Блок-схема простейшего СЭ

Наиболее просто схемотехнически это реализуется с помощью процессоров цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor - DSP), осуществляющих все необходимые преобразования с помощью измерения мгновенных значений тока и напряжения в дискретные промежутки времени. В этом случае на входы DSP подаются сигналы, пропорциональные значениям тока и напряжения в цепи, снимаемые с соответствующих датчиков. Дискретизированные значения тока и напряжения (Ii и Ui) обрабатываются далее для получения параметров Р, Q, S, ц. Например, значение активной мощности Р может быть получено, согласно формуле (1), как среднеарифметическое произведений дискретных значений тока (I) и напряжения (U) в последовательной выборке по периоду измеряемого сигнала:

где N - количество отсчётов в одном периоде измеряемого сигнала; fD - частота дискретизации; fc - частота сети.

Очевидно, что точность измерения растёт с увеличением частоты дискретизации, что, в свою очередь, ведёт к усложнению программного обеспечения, поскольку обработка производится в реальном времени. Кроме этого, недостатком таких систем, на сегодняшний день, является их относительно высокая стоимость.

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

2.1.1 Устройство и работа счётчика

Конструктивно счётчик состоит из следующих узлов /9/:

- корпуса (основания корпуса, крышки корпуса, крышки зажимов);

- контактной колодки с датчиком тока (шунт);

- печатной платы модуля электронного;

- толкателей кнопок управления индикацией на корпусе счётчика.

Печатная плата модуля электронного представляет собой плату с электронными компонентами, которая устанавливается в основании корпуса на упоры и закрепляется защёлками. Печатная плата подключается к контактной колодке с помощью проводов.

Структурная схема счётчика приведена на рисунке 25.



Рисунок 25 - Структурная схема счётчика

На печатной плате находятся:

- микросхема - усилитель сигналов;

– блок питания;

– микроконтроллер (МК);

– энергонезависимое запоминающее устройство;

– элемент резервного питания;

– микросхема драйвера интерфейса;

– PLC-модем (для "Меркурий 200.04" и "Меркурий 200.05")

– элементы оптронных развязок.

В качестве датчика тока в счётчике используется шунт. В качестве датчика напряжения в счётчике используются резистивный делитель.

Сигналы с датчика тока поступают на вход микросхемы - усилителя сигналов, сигналы с датчика напряжения поступают на аналоговый вход микроконтроллера.

Микроконтроллер производит обработку аналоговых сигналов, поступающих с датчика напряжения и микросхемы-усилителя сигналов, обрабатывает полученные сигналы и посылает полученный результат на жидкокристаллический индикатор для отображения.

МК управляет всеми узлами счётчика и реализует измерительные алгоритмы в соответствии со специализированной программой, помещенной во внутреннюю память программ. Управление узлами счётчика производится через программные интерфейсы, реализованные на портах ввода/вывода МК:

- UART для RS-485 или CAN;

- двухпроводный для PLC;

- I2C интерфейс для связи с энергонезависимой памятью.

МК периодически определяет текущую тарифную зону, формирует импульсы телеметрии, ведет учет энергии и времени, обрабатывает поступившие команды по интерфейсу или модему и, при необходимости, формирует ответ. Кроме данных об учтённой электроэнергии в ОЗУ МК хранятся калибровочные коэффициенты, тарифное расписание, серийный номер, версия программного обеспечения счётчика т.д. Калибровочные коэффициенты заносятся в память на предприятии-изготовителе и защищаются удалением перемычки разрешения записи. Без вскрытия счётчика и установки перемычки нельзя изменить калибровочные коэффициенты на стадии эксплуатации счётчика.

При отсутствии напряжения питания МК переводится в режим пониженного потребления с питанием от литиевой батареи с напряжением 3 В. Каждую секунду МК переходит в нормальный режим для непрерывного подсчёта времени.

МК синхронизирован внешним кварцевым резонатором, работающим на частоте 32,768 кГц. Установка и коррекция точности хода часов производится программным способом.

МК управляет работой устройства индикации с целью отображения измеренных данных. Индикация может изменяться посредством кнопки управления индикацией.

Для организации связи с внешним управляющим компьютером используется микросхема драйвера интерфейса. Информационные интерфейсные сигналы от МК через опторазвязку поступают на микросхему драйвера интерфейса, работающей на скорости от 600 до 9600 Бод. Сигналы от микросхемы драйвера интерфейса поступают на контакты 2, 3 счётчика.

В состав УУ входит микросхема энергонезависимой памяти (EEPROM).

Микросхема предназначена для периодического сохранения данных МК. В случае возникновения аварийного режима ("зависание" МК или падение напряжения литиевой батареи) МК восстанавливает данные из EEPROM.

Блок оптронных развязок выполнен на трех оптопарах светодиод-фототранзистор. Две оптопары предназначены для обеспечения гальванической развязки цепей интерфейса счётчика. Один оптрон используется для импульсного входа счётчика.

Драйвер ЖКИ осуществляет динамическую выдачу информации, помещенной в его память, на соответствующие сегменты ЖКИ.

Табло ЖКИ содержит следующие элементы индикации:

– восемь разрядов учтённой энергии с фиксированной запятой перед двумя младшими разрядами;

– пиктограммы отображения тарифов (Т1, Т2, Т3, Т4) - слева;

– пиктограмма "Сумма" - в нижней части индикатора;

– пиктограммы "с", "кВт", "кВт ч", "Вт" - справа;

– пиктограммы курсоров - вверху.

Опрос состояния кнопок управления производится МК на программном уровне.

2.2 Порядок работы

Значения учтённой энергии по тарифным зонам могут быть считаны как с индикатора счётчика с помощью кнопок на передней панели, так и через интерфейс или PLC-модем.

Считывание информации с ЖКИ счётчика с помощью кнопок.

На ЖКИ счётчиков отображаются:

- номер текущего тарифа "Т1", "Т2", "Т3", "Т4";

- значение потребляемой электроэнергии с начала эксплуатации по каждому тарифу и сумму по всем тарифам в кВтч;

- текущее значение активной мощности в нагрузке в кВт (справочное значение);

- текущее время;

- текущая даты - число, месяц, год;

- значение потребляемой электроэнергии с начала эксплуатации на первое число каждого из предыдущих 11 месяцев по каждому тарифу и сумму по всем тарифам (данные учёта электроэнергии отображаются в целых единицах кВт·ч);

- время переключения тарифных зон (тарифное расписание на текущий день).

Выбор указанных режимов индикации осуществляется посредством клавиатуры управления, состоящей из двух кнопок: " " и "ВВОД".

Режимы индикации счётчика.

Существует два режима индикации:

- режим отображения индикации накопленной энергии по текущему тарифу;

- циклический режим индикации.

Режим отображения индикации накопленной энергии по текущему тарифу. При включении счётчика на жидкокристаллическом индикаторе (далее ЖКИ) появляется количество энергии, потреблённое по текущему тарифу за всё время функционирования счётчика. Эта величина индицируется в кВтч, с дискретностью 0,01 кВтч (два знака после запятой). Справа от этого числа указываются единицы, в которой выражена, показываемая величина (кВт ч). Номер текущего тарифа показан слева (Т1 - первый тариф, Т2 - второй, Т3 - третий, Т4 - четвертый). В верхней части ЖКИ находятся курсоры, которые индицируют работу счётчика. При накоплении определенного количества энергии (эта величина не нормирована) курсор сдвигается вправо, таким образом, чем больше нагрузка, тем быстрее движется курсор. Индикатор работы счётчика действует во всех режимах.



При нажатии на клавишу "ВВОД" циклически изменяется номер тарифа, по которому индицируется величина накопленной энергии. После последнего тарифа (если счётчик четырехтарифный, то после четвертого, если трехтарифный - после третьего, если двухтарифный - после второго) индицируется сумма накопленной энергии по всем действующим тарифам, при этом слева индицируется номер, показываемого тарифа, а если индицируется сумма, то в нижней части появляется надпись "Сумма".

Если на клавиши не происходит нажатие более, чем 30 с, то счётчик возвратится в исходное состояние (это касается в том числе и режимов, описанных далее).

При нажатии клавиши " " происходит переход счётчика к индикации мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Мощность индицируется в киловаттах, о чём свидетельствует надпись справа: "кВт". Кроме того, индицируется текущий тариф.

При повторном нажатии клавиши " " происходит переход счётчика к индикации текущего времени. Текущее время индицируется в формате "часы минуты секунды". Справа горит надпись "c" (секунды), а слева индицируется текущий тариф. При необходимости можно изменить время с дискретностью 1 мин в пределах плюс-минус 30 минут. Для этого необходимо нажать необходимое число раз клавишу "ВВОД". При каждом нажатии время увеличивается на 1 мин. При изменении времени на 30 мин. при следующем нажатии произойдет уменьшение времени на 60 мин и при дальнейших нажатиях будет увеличиваться на 1 мин. Величина, на которую было откорректировано время, запоминается и в следующий раз возможно изменение на 30 мин не относительно нового времени, а относительно первоначального времени. При смене календарного года запомненное значение сбрасывается и опять становится возможной корректировка на плюс-минус 30 мин относительно текущего времени. Таким образом, в течение года невозможно изменить время более чем на 30 мин.

Примечание - Эксплуатирующие организации могут отключить возможность изменения времени с клавиатуры.

При следующем нажатии клавиши " " происходит переход счётчика к индикации текущей даты. В этом режиме индицируется текущая дата в формате "дата месяц год" (две последние цифры). Слева индицируется текущий тариф.

При следующем нажатии клавиши " " происходит переход счётчика к индикации накопленной энергии на первое число месяца. В начале каждого месяца счётчик запоминает показания по каждому из действующих тарифов с нарастающим итогом. Эта информация хранится в течение 11 месяцев. Для того чтобы получить эту информацию необходимо сначала установить необходимый тариф. 5-й режим соответствует первому тарифу, 6-й - второму, и т.д. Последний режим соответствует суммарным показаниям по всем действующим тарифам. Переход к следующему режиму осуществляется нажатием клавиши " ". Номер тарифа или "Сумма" индицируется слева. Справа индицируется "кВт ч". При входе в этот режим индицируются показания на начало текущего месяца. Мигающие цифры показывают месяц, на начало которого показывается накопленная энергия. При нажатии на клавишу "ВВОД" индицируются показания на начало предыдущего месяца. При дальнейших нажатиях месяц сменяется предыдущим. Таким образом, можно просмотреть показания за последние 11 месяцев. Цифры после запятой для показаний в этом режиме отбрасываются. Более точная информация доступна через последовательный интерфейс.

Например, для вычисления накопленной энергии за 4-й месяц по заданному тарифу, необходимо после выбора соответствующего тарифа, вычесть из показаний на начало 5-го месяца показания на начало 4-го месяца.

При следующем нажатии клавиши происходит переход к индикации тарифного расписания текущего дня.

Нажатие клавиши "ВВОД" приводит к перебору тарифного расписания текущего дня.

Управление переключением стандартный/циклический производится по интерфейсу.

Циклически могут отображаться:

- учтённая энергия по тарифам Т1…Т4;

– сумма по тарифам;

– мощность нагрузки;

– время и дата.

Любой из этих параметров может быть включён в цикл индикации или убран.

Время индикации программируется по интерфейсу.

При нажатии " " счётчик переходит к индикации потреблённой энергии на начало месяца и тарифного расписания.

При отсутствии нажатия более 30 с осуществляется переход в циклический режим.

Счётчик может работать в составе автоматизированных систем контроля и учёта электроэнергии, имеет встроенный интерфейс.

Обмен по каналу CAN (RS-485) производится двоичными байтами на скорости от 600 до 9600 Бод.

Счётчик в составе системы всегда является ведомым, т.е. не может передавать информацию в канал без запроса ведущего, в качестве которого выступает управляющий компьютер.

Управляющий компьютер посылает адресные запросы счётчикам в виде последовательности двоичных байт, на что адресованный счётчик посылает ответ в виде последовательности двоичных байт. Число байт запроса и ответа не является постоянной величиной и зависит от характера запроса.

Для программирования счётчика и считывание данных по интерфейсу используется программное обеспечение "COUNTER", работающее в операционной среде Windows- и поставляемое предприятием-производителем по отдельному заказу на магнитном носителе.

При помощи этой программы обеспечивается программирование и считывание следующих параметров:

- индивидуального адреса;

- группового адреса;

- тарифного расписания и расписания праздничных дней:

- текущего времени (часы, минуты, секунды);

- даты (числа, месяца, года);

- флага разрешения перехода с "летнего" времени на "зимнее" и обратно;

- чтение мощности нагрузки;

- флага разрешения коррекции времени кнопками счётчика;

– передаточного числа импульсного выхода;

– скорости обмена;

– разрешение циклической индикации и управление ей;

– числа действующих тарифов;

– лимита мощности;

– лимита энергии за месяц.

Для работы со счётчиком по интерфейсу необходимо:

- подсоединить счётчик к компьютеру через преобразователь сигналов "Меркурий 221" к порту RS-232 персонального компьютера (ПК).

- запомнить номер СОМ-порта, используемого при подключении;

- запустить программу "COUNTER".

Установка и считывание группового и индивидуального адреса.

Открыть вкладку "В счётчик". На экране появится следующее окно:

Рисунок 26 Текущий вид рабочего окна

Наберите номер счётчика (текущий индивидуальный адрес). Наберите групповой адрес и нажмите кнопку "Запись". Наберите сетевой номер (новый индивидуальный адрес) и нажмите кнопку "Назначить".

Для чтения группового адреса откройте вкладку "От счётчика", перед Вами появится окно:



Рисунок 27. Текущий вид рабочего окна

Наберите номер счётчика (новый индивидуальный адрес) и нажмите кнопку "Групповой номер".

Откройте вкладку "Тарифы". Перед вами появится следующее окно:

Рисунок 28 Текущий вид рабочего окна

Введите номер счётчика. Нажмите кнопку "Запись". Перед Вами появится следующее окно:

Рисунок 29 Текущий вид рабочего окна

Установите тарифное расписание и расписание праздничных дней. После этого нажмите кнопку "В счётчик". Затем закройте это окно, нажав кнопку "Выход" и возвратитесь к предыдущему окну. Нажмите кнопку "Опрос", выберите определённый день и месяц и проверьте тарифное расписание и расписание праздничных дней.

В сутках может быть до восьми точек смены тарифа. Каждая точка смены тарифа характеризуется временем начала и номером тарифа. Тарифное расписание задаётся для каждого месяца отдельно. В каждом месяце выделяются рабочие, субботние, воскресные и праздничные дни. Для каждого из этих типов дней задаются тарифные зоны. Максимальное количество праздничных дней в году - 16.

Сначала выберите месяц, для которого будете устанавливать тарифное расписание. Выберите вкладку "Рабочие дни". Двойным нажатием на первую зону вызовите диалог установки времени начала зоны и номера тарифа, соответствующего этой зоне. Установите время начала зоны и номер тарифа и нажмите кнопку "Установить". Автоматически в графе статус появится "*", индицирующая, что данная зона активизирована. Далее установите время и номер тарифа для второй зоны. Время начала каждой следующей зоны должно быть больше времени начала предыдущей зоны. Установите все необходимые зоны. Если необходимо выключить зону - нажмите кнопку "Удалить". Аналогично установите тарифные зоны для субботних, воскресных и праздничных дней. При необходимости, если расписание должно быть одинаковым для всех месяцев - нажмите кнопку "Установить на все месяцы".

Во вкладке "Праздники" двойным нажатием на дате выберите праздничные дни. Их не может быть больше 16-ти.

После того, как всё тарифное расписание установлено, Вы можете при помощи кнопки "В счётчик" записать его в электросчётчик или в группу электросчётчиков или при помощи кнопки "Сохранить в файл" - сохранить тарифное расписание в файл. При помощи кнопки "Открыть из файла" можно загрузить сохраненные ранее тарифные расписания.

Существует возможность частичной проверки правильности записи тарифного расписания в счётчик. Для этого закройте окно "Тарифы" и на программной вкладке "Тарифы" нажмите кнопку "Опрос (Время переключения тарифов)", предварительно выбрав интересующий день недели и месяц из выпадающего меню в правом нижнем углу окна программы.

Откройте вкладку "В счётчик", перед Вами появится окно, изображённое на рисунке 26. Нажмите кнопку "Запись" и запишите в счётчик текущее время и дату. Затем откройте вкладку "От счётчика" (рисунок 27) и, нажав кнопку "Дата/Время", проверьте текущее время и дату.

...