Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией

Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией

Реферат

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проверке работоспособности и чувствительности электронных электросчетчиков.

До недавнего времени для оценки потребленной электроэнергии однофазных потребителей использовались электромагнитные счетчики с механическим приводом счетного устройства от вращающегося диска, например счетчики типа СО-2М. Замена таких счетчиков электронными продиктована требованием увеличения степени защиты последних от несанкционированного вмешательства потребителей с целью хищения электроэнергии. Учитывая огромные потери электроэнергии при работе таких старых счетчиков, число которых и в настоящее время насчитывает десятки миллионов, автором были предложены апробированные им весьма простые и недорогостоящие технические приемы защиты от хищения электроэнергии (см., например, патент РФ №2208795 за 2000 год, а также решение о выдаче патента от 26.03.07 по заявке №2006106000/28 (006495) от 26.02.06). Сущность этих средств состоит в опломбировании соединения фазного (или нулевого) проводника ввода с одноименным проводником ответвления от воздушной линии 0,4 кВ у изоляторов, закрепленных на здании или его трубостойке (преимущественно в домах индивидуальных владельцев - сельских, пригородных, в садоводствах и т.д.). При этом ответвление от воздушной линии может выполняться как отдельными неизолированными проводниками, так и двухпроводным изолированным кабелем (в последнем случае исключается возможность так называемых набросов на проводники ответвления от воздушной линии с целью прямого хищения электроэнергии (подключение сварочных аппаратов, электропил и других потребителей) или для скрытного «сматывания» показаний электросчетчиков, у которых отсутствует стопор обратного хода вращения диска электросчетчика). Показано, что применение этих способов защиты позволяет получить экономию в масштабах страны порядка пяти миллиардов рублей ежегодно при затратах около десятка миллионов рублей однократно.

Разработка электронных однофазных электросчетчиков активного потребления электроэнергии преследовала цель максимизировать защиту от хищения электроэнергии путем исключения вращающегося диска с его возможным реверсом и применение способа хищения на основе так называемого переброса фазы в соединениях ввода с ответвлением от воздушной линии при использовании скрытого заземляющего устройства, при котором ток проходит по нулевой цепи электросчетчика, где отсутствует токовая измерительная цепь (калиброванный резистор или трансформатор тока), что исключает возможность учета электроэнергии.

Переброс фазы при опломбированном счетчике не позволял уличить потребителя в хищении им электроэнергии и предъявить к нему соответствующие материальные санкции, что и привело к рекомендации автора использовать опломбирование на вводах.

В современных электронных однофазных электросчетчиках используют две токовые измерительные цепи, что делает бессмысленным переброс фазы. Эти цепи расположены как в фазной, так и в нулевой цепях электросчетчика. При этом используется мажоритарный принцип выбора той или иной токовой измерительной цепи - по тому, в какой из них ток больше. Такая цепь в дальнейшем выбирается для учета электроэнергии при работе электронного перемножителя тока на напряжение сети с последующим преобразованием результата перемножения в частоту следования электрических импульсов и их счетом и выводом результата счета на электронное или электромеханическое табло. Это исключает реверс счета (отмотку показаний счетчика). Токовые цепи выполнены с очень большой степенью их защиты от умышленных пробоев потребителем. Так, выпускаемый в ОАО «Концерн «Энергомера» (г. Ставрополь) электронный электросчетчик типа СЕ-200 обладает уникальными возможностями по защите от его преднамеренной порчи и рекомендован к применению в новых постройках и для замены старых электросчетчиков типа СО-2М и им подобных (см. ТУ 4228-056-22136119-2006 на счетчик СЕ-200).

Недостатком от внедрения этих электронных счетчиков является их относительная дороговизна. Рыночная стоимость счетчика СЕ-200 составляет 820 рублей. Его замена потребует дополнительных затрат, поэтому замена 30 миллионов старых счетчиков на новые будет связана с затратами более 30 миллиардов рублей, что в 3000 раз дороже для энергоснабжающих организаций страны, чем при использовании ранее предложенных способов опломбирования на вводах. В указанном выше ТУ на счетчик СЕ-200 содержатся нормы по проверке работоспособности этого изделия. Согласно п.1.2.6 ТУ счетчик должен иметь две цепи тока, а согласно п.1.3.3 ТУ счетчик должен работать на учет при стартовом токе 20 мА в любой из двух токовых цепей, что определяет предельную чувствительность счетчика по току нагрузки. В ТУ предложена методика проверки стартового тока для каждой их двух токовых цепей с помощью установки СУ 001 при номинальном напряжении и коэффициенте мощности, равном единице (чисто активная нагрузка), путем регистрации хотя бы однократного срабатывания светодиода счетчика за заданный промежуток времени. При этом считается, что одновременно ток нагрузки проходит по одной их двух токовых цепей счетчика, что можно отнести к недостаткам известного решения проверки счетчика, поскольку в реальной ситуации в токовых цепях счетчика могут протекать разные токи с разными фазами в обеих цепях. Другим недостатком процесса поверки таких электросчетчиков является неисследованность действия реактивной компенсации тока в активной нагрузке реактивным током, величина которого больше активного тока и который протекает только в одной из токовых цепей счетчика.

Указанный недостаток известного решения устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является возможность исследования действия реактивного тока в одной из токовых цепей электросчетчика, величина которого по модулю больше активного тока нагрузки.

Эта цель достигается в устройстве для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, содержащем заземленный источник переменного тока - электросеть, активную нагрузку, подключенную одним концом к фазному выходу первой токовой цепи электросчетчика, отличающем тем, что в него введена схема реактивной компенсации, подключенная только ко второй токовой цепи электросчетчика, а второй конец активной нагрузки соединен с искусственным заземляющим устройством, причем схема реактивной компенсации состоит из двух понижающих трансформаторов, двух конденсаторов и переменного резистора, первый конденсатор включен между фазным выходом первой токовой цепи электросчетчика и первым концом первичной обмотки первого понижающего трансформатора, второй конденсатор установлен между первыми концами вторичной обмотки первого понижающего трансформатора и первичной обмотки второго понижающего трансформатора, первый конец вторичной обмотки второго понижающего трансформатора соединен через переменный резистор с нулевым выходом второй токовой цепи электросчетчика, а вторые концы первичных и вторичных обмоток двух понижающих трансформаторов подключены к искусственному заземляющему устройству.

Достижение указанной цели обусловлено тем, что чисто реактивный ток, величина которого превышает по модулю ток активной нагрузки, действует только в нулевой цепи электросчетчика, поскольку активная составляющая тока активной нагрузки проходит только через первую фазную токовую цепь электросчетчика и далее - через искусственное заземляющее устройство к источнику переменного тока через сопротивление заземления. Поскольку в конструкции электросчетчика заложен мажоритарный принцип выбора той или иной токовой цепи - по тому, в какой из них ток больше, то выбирается вторая из указанных токовая цепь, в которой ток чисто реактивный, то есть его вектор ортогонален вектору приложенного напряжения к цепи напряжения 4 электросчетчика. При этом электронная схема перемножителя, используемая в электросчетчике, образует на ее выходе переменный ток с двойной частотой, и учета электроэнергии, потребляемой активной нагрузкой, не происходит. Различие модулей реактивного и активного токов и определяет искомую чувствительность электросчетчика к действию реактивной компенсации, то есть определяет добавку стартового реактивного тока, достаточную для остановки учета. Это позволяет установить чувствительность работы электронной схемы выбора той или иной токовой цепи электросчетчика для ее последующего участия в процедуре перемножения выбранного тока на действующее напряжение (для измерения потребляемой мощности).

Устройство понятно из представленной его схемы на чертеже.

Заявляемое устройство содержит электронный электросчетчик 1 с двумя токовыми измерительными цепями - фазной 2 и нулевой 3, а также цепью напряжения 4, включенный к заземленному источнику переменного тока - электросети 5 и к активной нагрузке 6, один конец которой соединен с выходом первой токовой цепи (фазной) электросчетчика, а второй - с искусственным заземляющим устройством 7 с сопротивлением заземления 8. При этом активная составляющая тока проходит только через указанную первую токовую цепь 2 электросчетчика. Вторая токовая цепь 3 электросчетчика связана со схемой реактивной компенсации 9, состоящей из первого понижающего трансформатора 10 с его первичной 11 и вторичной 12 обмотками, второго понижающего трансформатора 13 с его первичной 14 и вторичной 15 обмотками, первого 16 и второго 17 конденсаторов и переменного резистора 18, включенных по указанной схеме. Вторые концы всех обмоток первого и второго понижающих трансформаторов подключены к искусственному заземляющему устройству 7. При этом ток со вторичной обмотки второго понижающего трансформатора 13 протекает только во второй (нулевой) токовой цепи 3 электросчетчика 1, и его вектор ортогонален вектору напряжения, приложенного к цепи напряжения 4 электросчетчика.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

В задачу схемы реактивной компенсации 9 входит получение тока во второй токовой цепи 3 электросчетчика, вектор которого был бы строго ортогонален вектору действующего напряжения, а величина его была бы несколько больше по модулю активного тока, протекающего через первую токовую цепь 2 электросчетчика, на величину, соответствующую искомой чувствительности электросчетчика к выбору той или иной токовой цепи на основе принципа мажоритарности.

Известно, что обеспечить сдвиг фаз между током и напряжением строго на величину 90° невозможно в одной резистивно-емкостной RC-цепи. Поэтому в схеме применены две последовательно включенные RC-цепи через два понижающих трансформатора 10 и 13, которые выполняют функции преобразователей сопротивления, в частности сопротивления, составленного из последовательно соединенных сопротивления заземления 8 (R_З), переменного сопротивления 18 (r) и сравнительно малых сопротивлений вторичной обмотки 15 второго понижающего трансформатора 13 и второй (нулевой) токовой цепи 3 электросчетчика 1.

Пусть результирующее сопротивление указанной цепи реактивной компенсации равно R_K=R_З+r, что всегда допустимо в силу того, что в схеме использован переменный резистор 18. Тогда это сопротивление, пересчитанное к первичной цепи понижающего трансформатора 13, будет равно R₁₂=(R_K/k₂ ²)+r₂₁+r₁₂, где k₂<1 - коэффициент трансформации второго понижающего трансформатора, r₂₁ и r₁₂ - соответственно сопротивления вторичной обмотки 12 первого понижающего трансформатора 10 и первичной обмотки 14 второго понижающего трансформатора 13. При этом сдвиг фаз между током и напряжением обеспечивается равным Δϕ₂=arctg (1/ϕ R₁₂ C₂), где ω - круговая частота переменного напряжения источника переменного тока 5, С₂ - емкость второго конденсатора 17. Сопротивление R₁₂, пересчитанное к первичной обмотке 11 первого понижающего трансформатора 10, аналогично может быть найдено через коэффициент трансформации k₁<1 и равно R₁₁=(R₁₂/k₁ ²)+r₁₁, где r₁₁ - сопротивление первичной обмотки 11 понижающего трансформатора 10. При этом сдвиг фаз между током и напряжением обеспечивается равным Δϕ₁=arctg (1/ω R₁₁ C₁), где C₁ - емкость первого конденсатора 16.

Таким образом, результирующий сдвиг фаз между током I₂, протекающим во второй токовой цепи 3 электросчетчика, и приложенным к цепи 4 напряжением U будет равен сумме указанных сдвигов фаз Δϕ₁ и Δϕ₂, следовательно, соответствующей регулировкой переменным резистором 18 всегда можно обеспечить равенство Δϕ₁+Δϕ₂=90°. При этом можно показать, что произведение этого тока на напряжение представляет переменный ток с двойной частотой 2ω, так как 2sin ωt * cos ωt=sin 2ωt.

Ток активной нагрузки 6 (R_H) численно равен I_A=U/R_H. По условию определения чувствительности электросчетчика к выбору той или иной его токовой цепи на основе принципа мажоритарности необходимо, чтобы выполнялось неравенство I₂>I₁ на некоторую сравнительно малую величину, определяющую искомую чувствительность электросчетчика ΔI. Это легко обеспечивается выбором коэффициентов трансформации k₁ и k₂ понижающих трансформаторов 10 и 13 и соотношений соответствующих RC-цепей схемы 9, так что напряжение на вторичной обмотке 15 второго понижающего трансформатора 13 u₂₂=k² U/4, поскольку для сдвига фаз тока и напряжения в RC-цепи на Δϕ=π/4 должно выполняться условие 1/ωС=R, то есть напряжение делится пополам между конденсатором и первичной обмоткой трансформаторов 10 и 13 (здесь k₁=k₂=k). Ток контура реактивной компенсаций I₂=(u₂₂/R_K)=k² U/4 R_K. При этом ток первичной обмотки 11 первого понижающего трансформатора 10 равен i₁₁=k²I₂. Для выбора схемой сравнения электросчетчика второй (нулевой) токовой цепи 3 необходимо соблюдение следующего условия I₁+ΔI≤I₂, которое с учетом ничтожной малости ΔI по сравнению с I₁ приводит к уравнению для определения оптимального значения коэффициентов трансформации k вида k⁴-k²+4R_K/R_H=0, откуда находим значение k=(1/2)^1/2=0,707 при 16R_K=R_H, которое отвечает максимально возможному току активной нагрузки I_A=U/R_H=U/16 R_K при выборе второй токовой цепи электросчетчика.

Токовая чувствительность ΔI электросчетчика определяется подбором величины переменного резистора 18 так, чтобы прекратился учет электроэнергии, расходуемой в активной нагрузке 6, что индицируется по прекращению мигания светодиода, встроенного в конструкцию электросчетчика, так как это будет соответствовать условию получения сдвига фаз между током I₂ и напряжением U, равного Δϕ=π/2, при котором учет электроэнергии не производится. Однако только этого условия недостаточно. Необходимо при этом снижать ток I₁ активной нагрузки так, чтобы I₂-I₁=ΔI, то есть, чтобы активный ток в первой токовой цепи 2 электросчетчика был меньше реактивного тока во второй его токовой цепи на величину, отвечающую чувствительности электросчетчика к выбору одной из его токовых цепей. Выполнение этого требования возможно изменением величины сопротивления активной нагрузки 6 (это средство не указано на чертеже).

Важно отметить, что реализация устройства с активной нагрузкой 6 значительной мощности Р_А потребует применения также достаточно мощных понижающих трансформаторов 10 и 13, мощности которых P_TP1=2Р_TP2 также оказываются большими, а также значительных по величине емкостей конденсаторов 16 и 17, величины емкостей которых соотносятся как C₁=0,5C₂. Кроме того, критичным становится сопротивление заземления 8, ограничивающее возможность повышения мощности, рассеиваемой в активной нагрузке 6. Так, для стандартного напряжения электросети U=220 В ниже приведена таблица зависимостей активной мощности Р_A, мощностей первого и второго трансформаторов P_TP1 и Р_TP2 и емкостей первого и второго конденсаторов C₁ и С₂ в зависимости от сопротивления контура реактивной компенсации R_K.

Сопротивление контура реактивной компенсации активной нагрузки
RK=1 Ом	RK=4 Ом	RK=6 Ом	RK=10 Ом	RK=20 Ом
Активная мощность РA, рассеиваемая в нагрузке RH (Вт)
3025	756	504	302	151
Мощность первого трансформатора PTP1 (Вт)
1512	378	252	151	76
Мощность второго трансформатора РТР2 (Вт)
756	189	126	75	38
Емкость первого конденсатора C1 (мкФ)
3184	796	530	318	159
Емкость второго конденсатора C2 (мкФ)
6369	1592	1061	637	318
при k1=k2=0,707

Из приведенной таблицы видно, что основным ограничением в получении большой мощности в активной нагрузке является сложность обеспечения малого сопротивления контура реактивной компенсации R_K из-за большого сопротивления заземления (обычно R_З=4 Ом для хорошего заземления) и сопротивления вторичной обмотки второго понижающего трансформатора 13 (которую при этом следует выполнять медным проводом достаточно большого сечения). Вместо реального заземления 7 можно использовать прямое соединение проводником искусственного заземляющего устройства с входным зажимом второй (нулевой) токовой цепи 3 электросчетчика.

Учитывая указанные особенности электросчетчиков с двумя токовыми измерительными цепями с мажоритарным принципом выбора одной из этих цепей путем сравнения токов I₁ и I₂, следует задуматься о перспективе использования таких счетчиков по критерию их защищенности от хищения электроэнергии и о целесообразности (экономической и технической) применения для защиты от хищения электроэнергии способов, ранее предложенных автором.

Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, содержащее заземленный источник переменного тока - электросеть, активную нагрузку, подключенную одним концом к фазному выходу первой токовой цепи электросчетчика, отличающееся тем, что в него введена схема реактивной компенсации, подключенная только ко второй токовой цепи электросчетчика, а второй конец активной нагрузки соединен с искусственным заземляющим устройством, причем схема реактивной компенсации состоит из двух понижающих трансформаторов, двух конденсаторов и переменного резистора, первый конденсатор включен между фазным выходом первой токовой цепи электросчетчика и первым концом первичной обмотки первого понижающего трансформатора, второй конденсатор установлен между первыми концами вторичной обмотки первого понижающего трансформатора и первичной обмотки второго понижающего трансформатора, первый конец вторичной обмотки второго понижающего трансформатора соединен через переменный резистор с нулевым выходом второй токовой цепи электросчетчика, а вторые концы первичных и вторичных обмоток обоих понижающих трансформаторов подключены к искусственному заземляющему устройству.