Основной целью учета электроэнергии является получение достоверной информации о количестве произведенной электрической энергии и мощности, о ее передаче, распределении и потреблении на оптовом рынке и розничном рынке потребления для решения следующих технико-экономических задач на всех уровнях управления в энергетике:
• финансовых расчетов за электроэнергию и мощность между субъектами оптового и розничного рынка потребления
• управления режимами электропотребления
• определения и прогнозирования всех составляющих баланса электроэнергии (выработка, отпуск с шин, потери и т.д.)
• определения стоимости и себестоимости производства, передачи, распределения электроэнергии и мощности
• контроля технического состояния и соответствия требованиям нормативно-технических документов систем учета электроэнергии в установках
Счетчик представляет собой измерительную ваттметровую систему и является интегрирующим (суммирующим) электроизмерительным прибором. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной части прибора (в диске). Электромеханические силы взаимодействия вызывают движение подвижной части. Схематическое устройство однофазного счетчика показано на рисунке 1:
Рис.1. Схематическое устройство однофазного электросчетчика
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 1. Электромагнит 1 содержит Ш - образный магнитопровод, на среднем стержне которого расположена многовитковая обмотка из тонкого провода, включенная на напряжение сети U параллельно нагрузке Н. Эта обмотка в соответствии со схемой включения называется параллельной обмоткой или обмоткой напряжения. При номинальном напряжении 220 В параллельная обмотка имеет обычно 8-12 тысяч витков провода диаметром 0,1 - 0,15 мм. Электромагнит 2 расположен под магнитной системой цепи напряжения и содержит U - образный магнитопровод, с расположенной на нем обмоткой из толстого провода с малым количеством витков. Данная обмотка включена последовательно с нагрузкой и поэтому называется последовательной или токовой обмоткой. Через нее протекает полный ток нагрузки /. Обычно количество ампер-витков этой обмотки находится в пределах 70 - 150, т.е. при номинальном токе 5 А обмотка содержит от 14 до 30 витков. Комплекс деталей, состоящий из последовательной и параллельной обмоток с их магнитопроводами, называется вращающим элементом счетчика.
Ток, протекающий по обмотке напряжения создает общий переменный магнитный поток цепи напряжения, небольшая часть которого (рабочий поток) пресекает алюминиевый диск, находящийся в зазоре между обоими электромагнитами. Большая часть магнитного потока цепи напряжения замыкается через шунты и боковые стержни магнитопровода (нерабочий поток), который разделяется на две части и необходим для создания требуемого угла сдвига фаз между магнитными потоками цепи напряжения и цепи нагрузки (токовой цепи). Магнитный поток цепи напряжения прямо пропорционален приложенному напряжению (напряжению сети).
Ток нагрузки, протекающий через токовую обмотку, создает переменный магнитный поток, который также пересекает алюминиевый диск и замыкается по магнитному шунту верхнего магнитопровода и частично через боковые стержни. Незначительная часть (нерабочий поток) замыкается через противополюс не пересекая диск. Так как магнитопровод токовой обмотки имеет U-образную конструкцию, то его магнитный поток пересекает диск дважды.
Таким образом, всего через диск счетчика проходят три переменных магнитных потока. Согласно закону электромагнитной индукции, переменные магнитные потоки обоих обмоток при пересечении диска, наводят в нем ЭДС (каждый - свою), под действием которых в диске вокруг следов этих потоков протекают соответствующие вихревые токи (правило "буравчика” вспоминаем). В результате взаимодействия магнитного потока обмотки напряжения и вихревого тока от магнитного потока токовой обмотки и с другой стороны магнитного потока токовой обмотки и вихревого тока от обмотки напряжения, возникает электромеханические силы, которые создают вращающий момент, действующий на диск. Этот момент пропорционален произведению указанных магнитных потоков и синусу угла сдвига фаз между ними.
Активная мощность потребляемая нагрузкой определяется как произведение силы тока на приложенное напряжение и на косинус угла между ними. Так как магнитные потоки обоих обмоток пропорциональны напряжению и току, то можно добившись конструктивным путем равенства синуса угла между потоками и косинуса угла между вектором тока и напряжения осуществить пропорциональность вращающего момента счетчика с коэффициентом измеряемой активной мощности. Синус одного угла равен косинусу другого угла если между ними сдвиг 90 град., чего и достигают в конструкциях счетчиков (применение короткозамкнутых витков, дополнительных обмоток замкнутых на регулируемое сопротивление, перемещение винтового зажима и т.д.) Вращающий момент пропорциональный мощности сети приводит диск счетчика во вращение, частота вращения которого устанавливается, когда вращающий момент уравновешивается тормозным моментом. Для создания тормозного момента в счетчике имеется постоянный магнит, который своими полюсами охватывает диск. Силовые линии магнитного поля, пересекая диск, наводят в нем дополнительную ЭДС, пропорциональную частоте вращения диска. Эта ЭДС в свою очередь вызывает протекание в диске вихревого тока, взаимодействие которого с потоком постоянного магнита приводит к возникновению электромеханической силы, направленной против движения диска, т.е. приводит к созданию тормозного момента. Регулировку тормозного момента, а следовательно частоты вращения диска производят путем перемещения постоянного магнита в радиальном направлении. При приближении магнита к центру диска, частота вращения уменьшается. Таким образом добившись постоянной частоты вращения диска счетчика получаем, что измеряемое счетчиком количество энергии получается из произведения числа оборотов диска счетчика и С- коэффициента пропорциональности, постоянной счетчика.
Далее рассмотрим устройством принцип работы электронного счётчика электроэнергии. Электронный счетчик представляет собой преобразователь аналогового сигнала в частоту следования импульсов, подсчёт которых дает количество потребляемой энергии. Главным преимуществом электронных счётчиков по сравнению с индукционными, является отсутствие вращающихся элементов. Кроме того, они обеспечивают более широкий интервал входных напряжений, позволяют легко организовать многотарифные системы учёта, имеют режим ретроспективы – т.е. позволяют посмотреть количество потреблённой энергии за определённый период – как правило, помесячно; измеряют потребляемую мощность, легко вписываются в конфигурацию систем АСКУЭ и обладают ещё многими дополнительными сервисными функциями. Разнообразие этих функций заключается в программном обеспечении микроконтроллера, который является непременным атрибутом современного электронного счётчика электроэнергии. Конструктивно электросчётчик счетчик состоит из корпуса с клеммной колодкой, измерительного трансформатора тока и печатной платы, на которой установлены все электронные компоненты. Простейшая структурная схема электронного счётчика показана на рисунке 2:
Рис.2. Структурная схема электронного счётчика
Остановимся на устройстве электронного счётчика более подробно. Основными его компонентами являются: трансформатор тока, дисплей ЖКИ, источник питания электронной схемы, микроконтроллер, часы реального времени, телеметрический выход, супервизор, органы управления, оптический порт (опционально).
ЖКИ представляет собой многоразрядный буквенно-цифровой индикатор и предназначен для индикации режимов работы, информации о потребленной электроэнергии, отображении даты и текущего времени
Источник питания служит для получения напряжения питания микроконтроллера и других элементов электронной схемы. Непосредственно с источником связан супервизор. Супервизор формирует сигнал сброса для микроконтроллера при включении и отключении питания, а также следит за изменениями входного напряжения.
Часы реального времени предназначены для отсчета текущего времени и даты. В некоторых электросчётчиках данные функции возлагаются на микроконтроллер, однако для уменьшения его загрузки, как правило, используют отдельную микросхему, например, DS1307N. Использование отдельной микросхемы позволяет высвободить мощности микроконтроллера и направить их на выполнение более ответственных задач.
Телеметрический выход служит для подключения к системе АСКУЭ или непосредственно к компьютеру (как правило, через преобразователь интерфейса RS485/RS232). Оптический порт, который есть не во всех электросчётчиках, позволяет снимать информацию непосредственно с электросчётчика и в некоторых случаях служит для их программирования (параметризации).
Сердцем электронного электросчётчика является микроконтроллер, на который возложено выполнение практически всех функций. Он является преобразователем АЦП (преобразует входной сигнал с трансформатора тока в цифровой вид, производит его математическую обработку и выдаёт результат на цифровой дисплей. Микроконтроллер также принимает команды от органов управления и управляет интерфейсными выходами. Возможности, которыми обладает микроконтроллер, повторюсь, зависят от его программного обеспечения (ПО). Поэтому разнообразие сервисных функций и выполняемых задач зависит от того, какое техническое задание было поставлено перед программистом. В настоящее время развитие электронных счётчиков идёт в основном в плане добавление «наворотов», различные производители добавляют всё новые функции, например, некоторые устройства могут вести контроль состояния питающей сети с передачей этой информации в диспетчерские центры и т.д.
Довольно часто в электросчётчик вводят функцию ограничения мощности. В этом случае, при превышении потребляемой мощности, электросчётчик отключает потребителя от сети. Для управления подачей напряжения, внутрь электросчётчика устанавливают контактор на соответствующий ток. Так же отключение возможно, если потребитель превысил отведённый ему лимит электроэнергии или же закончилась предоплата за электроэнергию.
Электронные счётчики после выпуска проходят заводскую параметризацию, где устанавливаются стандартные варианты тарификации. Перед установкой на конкретный объект, они проходят в обязательном порядке параметризацию в лаборатории АСКУЭ Энергосбыта, где в электросчётчике устанавливаются параметры в соответствии с проектной документацией и вносится пароль защиты от несанкционированного доступа.
В качестве конкретного примера рассмотрим внутреннее устройство электронного счётчик ЭЭ8003/2 с интерфейсом RS485. На его передней панели размещены ЖКИ индикатор и кнопка «Выбор». Вторая кнопка «Установка» находится под пломбируемой организацией Энергосбыта клемной колодкой и доступ пользователю к ней невозможен. На индикаторе отображаются все текущие показания, дата, время, сумма по тарифным зонам, потребляемая мощность.
Рис.3. Устройство электронного счётчика ЭЭ8003/2
Цифрой 1 обозначен жидкокристаллический буквенно-цифровой индикатор. В данной модели установлен ЖКИ 0802А Winstar. Он позволяет формировать две строки по восемь символов в каждой. Каждый символ представляет собой знакоместо 5*8 точек, благодаря чему на экране отображаются как цифры, так и буквы. Микроконтроллер АТ89S53 обозначен цифрой 2. На снимке видна только его часть, т.к. он размещён под ЖКИ. Микроконтроллер управляет обработкой всей информации и выводит показания на ЖКИ. Так же в его входам подключены кнопки 7 для управления и настройками электросчётчика. Трансформатор тока обозначен цифрой 3. Первичная обмотка его представляет замкнутый виток провода сечением 4 мм. Трансформатор напряжения, который служит для получения питающих напряжений электронной схемы, обозначен цифрой 6. Что бы при отключении электросчётчика вся информация в нём сохранялась, используется резервный источник питания. В его роли выступает литиевый элемент напряжением 3В. На схеме он обозначен цифрой 4. Литиевый источник при отключении сетевого питания поддерживает работу микросхемы реального времени и даты - DS1307N (обозначен цифрой 5). Назначение входов/выходов электросчётчика – 8 – телеметрический выход RS485, 9- вход генератора, 10 – выход на нагрузку (фазные провода), 11- выход генератора, 12-выход на нагрузку (нулевые провода). Оптический порт и контактор для ограничения потреблённой мощности, в данном электросчётчике отсутствует.
Остановимся на основных параметрах электросчётчиков.
Номинальное напряжение и номинальный ток у трехфазных счетчиков указывается в виде произведения числа фаз на номинальные значения напряжения и тока, причем напряжение подразумевается линейное, например: 3*5 ; 3*380 В. У трехфазных четырехпроводных счетчиков указывается линейные и фазные напряжения, отделяемые друг от друга косой чертой, например: 3*5 А; 3*380/220 В. У трансформаторных счетчиков указываются номинальные коэффициенты трансформации: 3*6000/100 В; 3*200/5 А. На лицевых панелях счетчиков непосредственного включения, кроме номинального тока указывается значение максимального тока (обычно в скобках): 5-20 А или 5(20) А.
Чувствительность - определяется наименьшим значением тока , выраженное в процентах к номинальному, при номинальном напряжении и cos f=1, который вызывает вращение диска без остановки. При этом допускается одновременное перемещение не более двух роликов счетного механизма. Порог чувствительности на должен превышать: 0.3 % для счетчиков класса точности 0.5; 0.4 % для класса точности 1.0; 0.46 % для однофазных счетчиков класса точности 2.0; 0.5 % для трехфазных счетчиков классов точности 1.5 и 2.0. Порог чувствительности счетчиков класса точности 0.5, снабженных стопором обратного хода, не должен составлять более 0.4 % номинального тока.
Передаточным числомсчетчика называют число оборотов его диска, соответствующее единице измеряемой энергии. Передаточное число указывается на лицевой панели счетчика надписью, например: 1 kWh=1280 оборотов диска.
Постоянная счетчика показывает количество единиц электроэнергии, которое счетчик учитывает за один оборот диска. Принято определять постоянную счетчика как количество ватт-секунд, приходящиеся на один оборот диска. То есть постоянная счетчика равна 36000000 деленное на передаточное число счетчика.
На практике в силу ряда причин, специфичных для счетчиков определенного типа, а иногда и случайных факторов, счетчик фактически учитывает значение энергии отличное от того значения которое он должен был учесть. Это и есть абсолютная погрешность счетчика и выражается она в тех же величинах, что и измеряемая, т.е. кВт.ч. Отношение абсолютной погрешности счетчика к действительному значению измеряемой энергии, называется относительной погрешностью счетчика. Измеряется она в процентах.
Наибольшая допустимая относительная погрешность, выраженная в процентах, называется классом точности. В соответствии с ГОСТ счетчики активной энергии должны изготавливаться классов точности: 0.5, 1.0, 2.0, и 2.5. Счетчики реактивной энергии - 1.5, 2.0 и 3.0. Класс точности счетчика указывается на его лицевой панели в виде числа, заключенного в кружок. Следует учесть, что класс точности устанавливается для нормальных условий работы счетчика, а именно:
• прямое чередование фаз
• равномерность и симметричность нагрузки
• синусоидальность тока и напряжения
• номинальная частота (50 Гц и 0.5%)
• номинальное напряжение ( отклонение до 1%)
• номинальная нагрузка
• косинус или синус угла между током и напряжением (должен быть равен 1(для счетчиков активной или реактивной энергии соответственно))
• температура окружающего воздуха
• отсутствие внешних магнитных полей (не более 0.5 мТл)
• вертикальное расположение счетчика (от вертикали не более 1%)
Рассмотрим основные схемы включения однофазных и трёхфазных электросчётчиков. Сразу хочу отметить, что схемы включения индукционных и электронных электросчётчиков абсолютно идентичны. Посадочные отверстия для крепления обоих видов электросчётчиков тоже должны быть абсолютно одинаковы, однако некоторые производители не всегда придерживаются этого требования, поэтому иногда могут возникнуть проблемы с установкой электронного электросчётчика вместо индукционного именно в плане крепления на панели.
Зажимы токовых обмоток электросчётчиков обозначаются буквами Г (генератор) и Н (нагрузка). При этом генераторный зажим соответствует началу обмотки, а нагрузочный - ее концу. При подключении счетчика необходимо следить за тем, чтобы ток через токовые обмотки проходил от их начал к концам. Для этого провода со стороны источника питания должны подключаться к генераторным зажимам (зажимам Г) обмоток, а провода, отходящие от счетчика в сторону нагрузки, должны быть подключены к нагрузочным зажимам (зажимам Н). Для счетчиков, включаемых с измерительными трансформаторами, должна учитываться полярность как трансформаторов тока(ТТ), так и трансформаторов напряжения (ТН). Это особенно важно для трехфазных счетчиков, имеющих сложные схемы включения, когда неправильная полярность измерительных трансформаторов не всегда сразу обнаруживается на работающем счетчике. Если счетчик включается через ТТ, то к началу токовой обмотки подключается провод от того зажима вторичной обмотки ТТ, который однополярен с выводом первичной обмотки, подключенным со стороны источника питания. При этом включении направление тока в токовой обмотке будет таким же, как и при непосредственном включении. Для трехфазных счетчиков входные зажимы цепей напряжения, однополярные с генераторными зажимами токовых обмоток, обозначаются цифрами 1, 2, 3. Тем самым определяется заданный порядок следования фаз 1-2-3 при подключении счетчиков.
На рисунке 4изображены принципиальные схемы включения однофазного счетчика активной энергии. Первая схема (а) – непосредственного включения – является наиболее распространенной. Иногда, однофазный электросчётчик включают и полукосвенно – с использованием трансформатора тока (б).
Рис. 4. Схемы включения однофазного счетчика активной энергии: а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении.
Наиболее распространёнными для трёхфазных электросчётчиков являются схемы непосредственного (рис.5) и полукосвенного (рис.6) включения в четырехпроводную сеть:
Рис. 5. Схема непосредственного включения трёхфазного счетчика активной энергии.
Рис. 6. Схема полукосвенного включения трёхфазного счетчика активной энергии.
При полукосвенном включении используют трансформаторы тока (ТТ). Выбор ТТ проводят исходя из потребляемой мощности. Промышленностью выпускаются трансформаторы тока с различным коэффициентом трансформации – 50/5, 100/5 …. 400/5 и т.д.
Кроме полукосвенной схемы, часто применяется и схема косвенного включения трёхфазных электросчётчиков. При этой схеме используют не только трансформаторы тока, но и трансформаторы напряжения (ТН). На рисунке 7 показана схема включения с тремя однофазными ТН в трёхпроводную сеть, первичные и вторичные обмотки которых соединены в звезду. При этом общая точка вторичных обмоток в целях безопасности заземляется. Это же относится и к вторичным обмоткам ТТ. Здесь необходимо обратить внимание на наличие обязательной связи нулевого проводника сети с нулевым зажимом счетчика, т.к. отсутствие такой связи может вызывать дополнительную погрешность при учете энергии в сетях с несимметрией напряжений.
Рис. 7. Схема косвенного включения трёхфазного счетчика активной энергии в трёхпроводную сеть.
Помимо трёхэлементных трёхфазных электросчётчиков, используют и двухэлементные. Принципиальные схемы включения трехфазного двухэлементного счетчика активной энергии типа САЗ (САЗУ) приведены на рисунке 8. Здесь особо отметим, что к зажиму с цифрой 2 обязательно подключается средняя фаза, т.е. та фаза, ток которой к счетчику не подводится. При включении счетчика с ТН зажим этой фазы заземляется. На схеме заземлены зажимы со стороны источника питания (т.е. зажимы И1 ТТ), но можно было бы заземлять зажимы и со стороны нагрузки. Счетчики типа САЗ применяются главным образом с измерительными трансформаторами (НТМИ), и поэтому приведенная схема является основной при учете активной энергии в электрических сетях 6 кВ и выше.
Рис. 8. Схема полукосвенного включения трёхфазного двухэлементного счетчика активной энергии в трёхпроводную сеть.
Необходимо отметить следующий момент. Рабочее напряжение индукционных электросчётчиков, включаемых по схеме непосредственного и полукосвенного включения, равно 220/380 В. В схемах косвенного включения, т.е. с трансформаторами напряжения, применяют электросчётчики на рабочее напряжение 100 В. Некоторые электронные электросчётчики имеют диапазон входного напряжения 100-400 В, что теоретически позволяет использовать их в схемах с любым типом включения.
При монтаже учётов электроэнергии по схеме полукосвенного или косвенного включения, очень большое значение имеет правильное чередование фаз. Для определения чередования фаз применяют различные приборы, например Е-117 "Фаза-Н".
Довольно часто, вместе с индукционными электросчётчиками активной энергии, применяют электросчётчики реактивной энергии. На рисунке 9 приведены схемы полукосвснного включения счетчиков в четырехпроводную сеть (380/220 В). Эта схема требует для монтажа меньшего количества провода или контрольного кабеля. При ее сборке значительно уменьшается риск неправильного включения счетчиков, так как исключается несовпадение фаз (А, В, С) тока и напряжения. Проверить правильность схемы можно упрощенными способами без снятия векторной диаграммы. Для этого достаточным является измерение фазных напряжений, определение порядка следования фаз и проверка правильности включения токовых цепей с помощью поочередного вывода двух элементов счетчиков из работы и фиксацией при этом правильного вращения диска.
Рис. 9. Схема полукосвенного включения трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводную сеть с совмещенными цепями тока и напряжения.
Недостаток схемы заключается в том, что проверка правильности включения токовых цепей вызывает необходимость трижды отключать потребителей и принимать особые меры по технике безопасности при производстве работ, так как вторичные цепи ТТ находятся под потенциалами фаз первичной сети. Другим серьезным недостатком рассматриваемой схемы является то, что необходимо заземления вторичных обмоток измерительных трансформаторов. В отличие от предыдущей схема на рисунке 10 имеет раздельные цепи тока и напряжения, поэтому она позволяет производить проверку правильности включения счетчиков и их замену без отключения потребителей, так как в этой схеме цепи напряжения могут быть отсоединены. Кроме этого, в ней соблюдены требования ПУЭ к заземлению вторичных обмоток ТТ.
Рис. 10. Схема полукосвенного включения трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводную сеть с раздельными цепями тока и напряжения.
И в заключение рассмотрим схему косвенного включения двухэлементных электросчётчиков активной и реактивной энергии в трехпроводную сеть свыше 1 кВ. Принципиальная схема данного включения приведена на рисунке 11.
Рис. 11. Схема косвенного включения двухэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в трехпроводную сеть свыше 1 кВ.
В данной схеме в качестве счетчика реактивной энергии принят двухэлементный электросчетчик с разделенными последовательными обмотками. Так как в средней фазе сети отсутствует ТТ, то вместо тока Ib к соответствующим токовым обмоткам этого счетчика подведена геометрическая сумма токов Ia +Ic равная - Id. На рисунке была показана схема включения с использованием трехфазного ТН типа НТМИ. На практике может применяться трехфазный ТН и с заземлением вторичной обмотки фазы В. Вместо трехфазного ТН также могут применяться два однофазных ТН, включенных по схеме открытого треугольника.
Как правило, схема включения счетчика обычно нанесена на крышке клеммной коробки. Однако, в условиях эксплуатации, крышка может оказаться снятой со счетчика другого типа. Поэтому необходимо всегда убедиться в достоверности схемы путем ее сверки с типовой схемой и с разметкой зажимов. Монтаж цепей напряжения электросчётчика полукосвенного и косвенного включения должен выполняться в соответствии с ПУЭ - медным проводом сечением не менее 1,5 мм2, а токовых цепей – сечением не менее 2,5 мм2. При монтаже электросчётчиков непосредственного включения, монтаж должен быть выполнен проводом, рассчитанным на соответствующий ток.
