|
|
Документация,теория, принцип действия счетчиков электроэнергии:
Принцип действия однофазного индукционного счетчика активной энергии.
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 рис.
Ток протекающий по обмотке напряжения создает общий переменный матнитный поток цепи напряжения, небольшая часть которого (рабочий поток) пресекает алюминиевый диск находящийся в зазоре между обоими электромагнитами. Большая часть мгнитного 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 на 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 т.е. две), под действием которых в диске вокруг следов этих потоков протекают соответствующие вихревые токи (правило 'буравчика' вспоминаем). В результате взаимодействия магнитного потка 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 мгнитные 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, напрвленной 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 колиxество энергии получается из произведения числа оборотов диска счетчика и С- коэф. пропорциональности, постоянной счетчика.
Основные понятия и определения связанные с устройством и обслуживанием цепей учета электроэнергии.
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 прогонозирования всех составляющих баланса электроэнергии (выработка, отпуск с шин, потери и т.д.)
- определения стоимости и себестоимости производства, передачи, распределения электроэнергии и мощности
- контроля техническогосостояния и соответствия требованиям нормативно-технических документов систем учета электроэнергии в установках
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.
К счетчику, кроме требования отсутствия самохода, одновременно предъявляется также требование наличия чувствительности, которое 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 числом счетчика 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%)
СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ СЧЕТЧИКОВ И ИХ ПРОВЕРКА.
Счетчик является прибором, который реагирует не только на значение энергии, но и на направление ее передачи. Свойство счетчика реагировать на направление энергии приводит к обязательной необходимости включать токовую цепь счетчика и цепь напряжения согласованно, так чтобы при положительном направлении энергии диск вращался в соответствии со стрелкой. Перед рассмотрением конкретных схем включения счетчиков перечислим несколько общих положенийЗажимы токовой обмотки счетчика и обмотки напряжения, подключаемые со стороны источника питания, условно называются однополярными. На схемах однополярные выводы обмоток счетчика (начала обмоток) обозначают звездочкой. Однополярный зажим цепи напряжения всегда располагается рядом с соответствующим зажимом токовой обмотки и у счетчиков непосредственного включения соединяется с токовым зажимом съемной перемычкой.
Ранее, при описании счетчиков, отмечалось, что зажимы токовых обмоток 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 ТТ, так и 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. Следует заметить, что при подключении схема внутренних соединений не должна вызывать каких-либо сомнений или неясностей, так как все требуемые внутренние подключения сделаны при изготовлении счетчиков. Важно следить лишь за правильностью внешних подключений. На рис.a.6.в приведены типовые схемы включения счетчиков активной и реактивной энергии как при непосредственном их включении в электрическую сеть,так и с измерительными трансформаторами. На рис.а, б, в изображены принципиальные схемы включения однофазного счетчика активной энергии с указанием полярности измерительных трансформаторов. Вторичные обмотки ТТ и ТН в целях безопасности заземлены. Принципиально безразлично, что заземлять - начала или концы обмоток измерительных трансформаторов.
Схемы включения однофазного счетчика активной энергии: а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении в - при косвенном подключении;
Принципиальные схемы включения трехфазного трехпроводного двухэлементного счетчика активной энергии типа САЗ (САЗУ) приведены на рис. а, б, в. 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 рис.в у Т1 заземлены зажимы со стороны источника питания (т.е. зажимы .И 1), но можно было бы заземлять зажимы и со стороны нагрузки. Счетчики типа САЗ применяются главным образом с измерительными трансформаторами, и поэтому приведенная схема рис. в является основной при учете активной энергии в электрических сетях 6 кВ и выше.
Принципиальные электрические схемы включения трехфазного трехэлементного счетчика активной энергии типа СА4 (СА4У) приведены на рис.д, при этом на рис. а, б, в представлены схемы включения трехпроводного, а на рис. г, д -четырехпроводного счетчика.
На рис. показана схема включения с тремя однофазными ТН, 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. На рис. в, г необходимо обратить внимание на наличие обязательной связи нулевого проводника сети с нулевым зажимом ( 0 ) счетчика. Выше отмечалось, что отсутствие такой связи может вызывать дополнительную погрешность при учете энергии в сетях с несимметрией напряжений. Схемы включения счетчиков реактивной энергии с 90 -м сдвигом типа СР4 (СР4У) в четырсхпроводную сеть приведены на рис. а, б, в. Порядок подведения напряжений и токов к счетчику такой же, как и у счетчика активной энергии. Схема косвенного включения этого же счетчика в трехпроводную сеть приведена на рис. г. Так как в средней фазе сети отсутствует ТТ, то вместо тока Ib к токовой обмотке второго элемента счетчика подведена геометрическая сумма токов Ia+Ic, которая, как-известно, равна -Ib.
Основными внешними факторами, влияющими на погрешность измерений электросчетчика, являются
- уровень напряжения сети
- частота питающего напряжения
- температура окружающего воздуха
- самонагрев
- угол наклона (для индукционных счетчиков)
- несинусоидальность питающего напряжения
- неустановившиеся режимы
- порядок чередования фаз (для трехфазных счетчиков)
- неравномерность нагрузки фаз (для трехфазных счетчиков)
- несимметричность напряжения (для трехфазных счетчиков)
- отсутствие 'нуля' (для трехэлементных трехфазных счетчиков)
Так как при неизменном токе нагрузки ее мощность пропорциональна приложенному напряжению, то скорость вращения подвижной части счетчика (последовательная и параллельная обмотки со своими магнитопроводами, не путать с диском индукционного счетчика) должна меняться пропорционально напряжению на параллельной обмотке. В действительности строгая пропорциональность между напряжением, приложенным к параллельной обмотке счетчика, и скоростью вращения его подвижной части обычно не соблюдается. На это есть несколько причин:
1) наличие момента собственного торможения рабочим магнитным потоком параллельной обмотки. Этот момент меняется пропорционально третьей степени напряжения. Основной же вращающий момент при неизменном токе нагрузки меняется приблизительно пропорционально напряжению. Поэтому, при увеличении напряжения момент самоторможения увеличивается быстрее, чем вращающий и появляется положительная погрешность. И наоборот, при уменьшении напряжения момент самоторможения уменьшается быстрее, чем основной вращающий момент, появляется отрицательная погрешность. При изменении напряжения на 10% от номинала, погрешность составляет 0.5-1.5%.
2) при изменении напряжения возникает погрешность от нелинейности. Эта погрешность возникает в результате изменения соотношения между магнитными проводимости рабочего и нерабочего участков параллельной цепи. Поскольку нерабочиц магнитный поток параллельной обмотки обычно в несколько раз больше рабочего, то нерабочие участки магнитной цепи, имеющие приблизительно такое же сечение, что и рабочие участки, находятся в более насыщенном состоянии. Поэтому погрешность от нелинейности при увеличении напряжения положительна, так как магнитное сопротивление нерабочих участков с повышением напряжения растет и следовательно нерабочий магнитный поток относительно уменьшается, а рабочий увеличивается.
3) наличие компенсационного момента. Так как значение компенсационного момента пропорционально квадрату напряжения приложенного к параллельной обмотке, то при увеличении напряжения этот момент увеличивается быстрее, чем основной вращающий момент. Данная погрешность зависит также от тока нагрузки - чем больше ток, тем меньше влияние.
Изменение частоты питающего напряжения оказывает влияние не только на соотношение между вращающим и тормозными моментами, но и на фазы магнитных потоков образующих магнитный поток. На это есть несколько причин:
1) изменение рабочего магнитного потока последовательной обмотки связано с тем, что при изменнеии частоты приблизительно ей изменяется угол потерь. В результате этого изменяется составляющая тока нагрузки идущая на создание рабочего магнитного потока токовой обмотки. Чем больше частота, тем больше угол потерь и тем меньше рабочий магнитный поток токовой обмотки.
2) изменение рабочего магнитного потока параллельной обмотки связано с тем, что при изменении частоты изменяются активные потери на пути рабочего и нерабочего магнитных потоков. Потери на пути рабочего потока являются значительными, на пути нерабочего потока незначительны. Соотношение между потоками меняется, что и вызывает дополнительную погрешность.
3) изменение самоторможения параллельной цепи связано с приблизительно обратно пропорциональной зависимостью рабочего магнитного потока от частоты. Момент торможения пропорционален квадрату рабочего потока, то при увеличении частоты этот момент уменьшается, появляется дополнительная отрицательная погрешность.
4) изменение компенсационного момента связано с прямой зависимостью этого момента от частоты. Следовательно, при увеличении частоты, появляется дополнительный компенсационный момент, положительная погрешность.
При изменении температкуры окружающего воздуха меняется электрическое сопротивление диска счетсика, короткозамкнутых витков на пути магнитных потоков и параллельной обмотки. Также изменяется магнитный поток постоянного магнита создающего тормозной момент. В результате возникают дополнительная амплитудная и фазовая темпереатурные погрешности. Основные причины:
1) изменение магнитного потока тормозного магнита. При увеличении температуры поток постоянного магнита уменьшается, следовательно возникает положительная погрешность
2) изменение рабочего магнитного потока последовательной обмотки. В зависимости от изменения температуры, меняется сопротивление диска счетчика и зменяются активные потери на пути данного потока
3) изменение рабочего магнитного потока параллельной обмотки. Изменения аналогичны п.2
Погрешность от самонагрева появляется при длительной работе счетчика при большой нагрузке и вызывается теплом выделяемым в последовательной цепи, влияние ее аналогично влиянию от температуры окружающего воздуха.
При эксплуатации счетчика его положение может отличаться от строго вертикального, это приводит к дополнительной погрешности у индукционных счетчиков. Связано это с тем, что крепление подвижной части в опорах, особенно в нижней опоре, на является абсолютно жестким и наклон приводит к перемещению подвижной части на опоре. Врезультате изменяется относительное расположение диска, вращающего элемента и постоянного магнита, что приводит к изменению вращающего и тормозного моментов, следовательно и скорости вращения диска. При углах 2-5 град. и при нагрузках выше 50 % от номинальных, погрешность ничтожно мала. В случае малых нагрузок эта погрешность очень заметна.
Наличие нелинейной нагрузки, например выпрямительных устройств, сварочных аппаратов, приводит к искажению кривой тока нагрузки, т.е. к отклонению этой кривой от синусоиды. В свою очередь несинусоидальный ток, протекая по электрической цепи, вызывает несинусоидальное падение напяржения на сопротивлениях ее элементов. Поэтому даже при синусоидальной кривой напряжнеия генераторов, форма кривой напряжения потребителей будет несинусоидальной. Таким образом ток в последовательной катушке и напряжение в параллельной будут иметь искаженную форму кривых, это приводит к дополнительной погрешности. Однако, в отношении влияния формы кривой на показания счетчика общие выводы сделать трудно, анализ возникающих погрешностей в каждом случае проще сделать экспериментально.
В некоторых случаях счетчики работают в таком режиме, когда ток нагрузки претерпевает резкие и частые колебания. Такие колебания могут иметь место при электрической сварке, при частых пусках и остановках двигателей и т.п. Если считать, что при включении нагрузки ток устанавливается мгеновенно, то установившееся значение скорости вращения подвижной части счетчика достигается с некоторым запазданием. Зависимость скорости вращения подвижной части счетчика от времени выражается экспонентой, постоянная времени которой определяется параметрами счетчика, и в частности моментом инерции его подвижной части. Аналогичные процессы происходят и при отключении нагрузки. Скорость вращения подвижной части также снижается по экспоненте. Очевидно, что погрешность тем меньше. чем меньше момент инерции нго подвижной части, номинальная скорость вращения и момент собственного торможения магнитным потоком токовой обмотки и чем больше вращающий момент. Погрешность возрастает с уменьшением нагрузки и уменьшением длительности цикла изменения нагрузки.
Показания трехфазного счетчика не должны зависеть от чередования фаз, однако в определенной степени это не так. Это объясняется наличием в счетчике вредных дополнительных моментов, направление которых при изменении чередования фаз меняется на противоположное. На это есть причины:
1) вихревые токи в диске создаваемые рабочим магнитным потоком параллельной обмотки каждого элемента счетчика распространяясь по диску попадают в область рабочего магнитного потока параллельной обмотки другого элемента и взаимодействуют с ним. В результате этих взаимодействий возникает дополнительный вращающий момент, направление которого зависит о чередования фаз.
2) по такой же схеме взаимодействуют вихревые токи последовательных обмоток.
3) аналогично взаимодействуют вихревые токи магнитных потоков последовательных и параллельных обмоток.
На практике, при 'неправильном' чередовании фаз, трехфазный индукционный счетчик 'самоходит'.
При неравномерной нагрузке фаз правильность изменений показаний счетчика теоретически должна сохраняться. Однако на практике наблюдается другая картина. Причин несколько:
1) неравенство вращающих моментов создаваемых отдельными вращающими элементами. Для уменьшения этой составляющей лабораторным способом добиваются равенства моментов каждого элемента.
2) наличие компенсационного момента. обмотка напряжения того элемента в котором отключена последовательная обмотка (нет нагрузки), остается включенной. Следовательно, компенсационный момент этой цепи продолжает действовать на подвижную часть счетчика. Чем меньше нагрузка, тем выше компенсационный момент. Положительная погрешность.
3) наличие моментов собственного торможения рабочим потоком последовательной цепи. При равномерной нагрузке на подвижную часть действуют моменты собственного торможения рабочими потоками последовательных обмоток элементов. При отключении одной из фаз один из этих моментов становится равным нулю, а остальные уменьшаются пропорционально снижению скорости вращения подвижной части. В результате появляется положительная погрешность счетчика, численно равная отношению момента самоторможения последовательной цепи одного элемента к его рабочему вращающему моменту. Данная погрешность увеличивается с ростом нагрузки. Эта погрешность является основной составляющей погрешности счетчика от неравномерной нагрузки фаз. Может достигать 1-1.5 %.
Трехфазную систему напряжений можно считать симметричной, если напряжения фаз отличаются друг от друга не более чем на 5 %. При такой несимметрии напряжений правильность показаний счетчика не должна нарушаться, если выполена точная балансировка его вращающих элементов. Если несимметри напряжений будет превышать указанные пределы, то появляется дополнительная погрешность измерений даже при точной балансировке элементов счетчика. Это связано с тем, что рабочий магнитный поток параллельной обмотки нелинейно зависит от приложенного к ней напряжения. Поэтому абсолютная величина изменений вращающих моментов будет неодинаковой для элемента, который находится под повышенным напряжением и для элемента который находится под пониженным напряжением. Второй причичной появления погрешности от несимметрии напряжений является квадратичная зависимость компенсационных моментов и моментов самоторможения рабочим магнитным потоком параллельной обмотки от напряжения.
У трехфазных трехэлементных счетчиков активной энергии при несимметрии напряжений, вызванной неравномерностью нагрузки по фазам, может возникать дополнительная погрешность в учете, если будет отсутствовать связь общей точки обмоток напряжения (нулевой контакт) с нулевым проводником сети. В этом случае из-за различия потенциалов нулевого проводника и указанной общей точки между последними возникает напряжение. Поэтому напряжения, прикладываемые к обмоткам счетчика, будут отличаться от соответствующих фазных напряжений сети как по величине, так и по фазе. В целом суммарное значение получаемой погрешности зависит как от распределения нагрузки по фазам, так и от ее характера.