Счетчик электрической энергии
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической энергии в цепях переменного тока для целей технического и коммерческого учета в высокоамперных электрических сетях в расширенном диапазоне измерения входной мощности, в котором нормируется погрешность измерений. Счетчик электрической энергии выполнен в виде внешнего датчика мощности и базового блока, соединенных каналом связи, причем внешний датчик мощности содержит включенный между фазовым и нулевым проводами датчик напряжения нагрузки и датчик тока, выходы которых соединены со входами перемножителя, выходом связанного с дополнительным блоком математической обработки сигнала, выход которого подключен к первому приемопередатчику, связанному с одним концом канала связи, а базовый блок содержит второй приемопередатчик, связанный с одной стороны с другим концом канала связи, а с другой стороны - с основным блоком математической обработки сигнала, одним выходом подключенному к блоку индикации результатов измерения, другим выходом - к блоку дистанционной передачи данных, при этом во внешней датчик мощности введен измерительный трансформатор тока, образуя с ним единый конструктивный модуль, причем первичная обмотка измерительного трансформатора тока включена в фазный провод последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка соединена со входами датчика тока. Предложенный счетчик обеспечивает измерение электрической энергии при больших токах нагрузки (более 100 А).
Изобретение относится к электроизмерительной технике, и может быть использовано для измерения электрической энергии в цепях переменного тока для целей коммерческого учета в высокоамперных электрических сетях в расширенном диапазоне изменения входной мощности, в котором нормируется погрешность измерения.
В настоящее время существуют счетчики электрической энергии двух типов:
- счетчики непосредственного включения, например, приведенные в типа ЦЭ6807П, СЕ101.
- трансформаторные счетчики, которые могут быть трансформаторными по току, или по току и напряжению (Электрические измерения. Общий курс под ред. А.В.Френке, «Энергия» - Л.: 1973, 424 стр. - стр.172)
Счетчики непосредственного включения применяются в электрических сетях 0.4 кВ, и характеризуются широким диапазоном изменения входной мощности, в котором нормируется относительная погрешность измерения ЭЭ. Так, в ГОСТ Р 52322-2005 погрешности однофазных электронных счетчиков нормируются в диапазоне изменения входных токов (а значит, и входной мощности), начиная от 5% базового тока (Iб), до максимального тока (Iм). Учитывая, что в современных электронных счетчиках отношение Iм/Iб составляет 20 и более, относительный диапазон входных мощностей достигает 400 (Iм/0.05Iб). Это главное достоинство счетчиков непосредствен ною включения. При этом они имеют класс точности 1.0 и даже лучше. Однако, счетчики непосредственного включения не могут работать с большими токами нагрузки (максимальный входной ток современных счетчиков непосредственного включения не превышает 100 А).
Трансформаторные счетчики по току предназначены для работы в электрических сетях 0.4 кВ с токами, большими 100 А. А трансформаторные счетчики по току и напряжению предназначены для работы в высоковольтных электрических сетях от 3 кВ и выше. Таким образом, трансформаторные счетчики закрывают недостатки счетчиков непосредственного включения. Однако, они имеют свои недостатки. Введение измерительного трансформатора тока во-первых, согласно ГОСТ 7746-2001, ограничивает относительный диапазон изменения входных токов, в котором нормируется погрешность измерительного трансформатора, и следовательно, счетчика в целом на уровне 120. Во-вторых, погрешность растет начиная с входного тока, равного 0.2Iн, увеличение достигает трехкратного значения при входном токе, равном 0.01Iн - для трансформаторов классов 0.5S и 0.2S. В-третьих, измерительный трансформатор тока имеет фазовую погрешность, которая быстро увеличивается с уменьшением входного тока, что приводит к существенным погрешностям, когда в нагрузке появляется реактивная энергия. В-четвертых, на практике во вторичную обмотку ИТТ включаются кроме токовых цепей счетчиков, дополнительные сопротивления, например, устройств релейной защиты. Это совместно с соединительными проводами, увеличивает общее сопротивление нагрузки и приводит к росту амплитудной и фазовой погрешностей ИТТ.
Таким образом, трансформаторные счетчики имеют узкий диапазон входных токов, по сравнению со счетчиками непосредственного включения, и уровень их погрешности зависит от относительного значения входного тока, величины реактивной мощности в нагрузке и общего сопротивления, включенного во вторичной цепи ИТТ, которая на практике доступна для подключения дополнительной нагрузки, кроме счетчика.
За прототип принимается устройство измерения электрической энергии в цепях переменного тока, приведенное в патенте РФ 
2234707 кл. G01R 21/06. Устройство-прототип содержит внешний датчик мощности (ВДМ) и базовый блок (ББ), представляющие собой отдельные конструктивно законченные компоненты устройства, включаемые как однофазные счетчики непосредственного включения и разнесенные в пространстве, соединенные между собой посредством канала связи, в качестве которого используется силовая сеть, либо радиоканал.
ББ содержит приемник, датчик тока и датчик напряжения нагрузки, соединенные с перемножителем, который соединен с основным блоком обработки сигналов, блок индикации и блок дистанционной передачи данных. ВДМ содержит датчик тока, дополнительный датчик напряжения нагрузки, дополнительный перемножитель сигналов обоих датчиков, связанный с до полнительным блоком математической обработки сигнала, который подключен к передатчику.
Недостатком прототипа является невозможность работы с большими токами нагрузки (больше 100 А). Это объясняется тем, что размеры счетчика ограничены посадочными местами в щитках, где они монтируются, и, соответственно, ограничены размерами контактов в токовой цепи, что приводит к невозможности уменьшения контактного сопротивления ниже определенного значения. Мощность, рассеиваемая в контактах, равна квадрату тока (среднеквадратическое значение), умноженному на сопротивление контактов, и при увеличении значения максимального тока, быстро возрастает. Сделать максимальный ток счетчиков непосредственного включения более, чем 100 А, по указанной выше причине, невозможно.
Задача предполагаемого изобретения - обеспечение работы устройства с большими токами нагрузки (более 100 А).
Поставленная задача достигается тем, что счетчик электрической энергии выполнен в виде внешнего датчика мощности и базового блока, соединенных каналом связи, причем внешний датчик мощности содержит включенный между фазным проводом и нулевым проводом датчик напряжения нагрузки и датчик тока, выходы которых соединены со входами перемножителя, выходом связанного с дополнительным блоком математической обработки сигналов, выход которого подключен к первому приемопередатчику, связанному с одним концом канала связи, а базовый блок содержит второй приемопередатчик, связанный с одной стороны с другим концом канала связи, а со второй стороны - с основным блоком математической обработки сигналов, одним выходом подключенному к блоку индикации результатов измерения, другим выходом - к блоку дистанционной передачи данных, при этом во внешний датчик мощности введен измерительный трансформатор тока, образуя с ним единый конструктивный модуль, причем первичная обмотка измерительного трансформатора тока включена в фазный провод последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка соединена со входами датчика тока.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Заявленное устройство содержит внешний датчик мощности 1, включающий датчик тока 2, датчик напряжения нагрузки 3, выходы которых соединены со входом перемножителя 4, связанного выходом с дополнительным блоком математической обработки 5, выход которого соединен с первым приемопередатчиком 6. Кроме того, ВДМ содержит ИТТ 7, который первичной обмоткой включен в фазный провод последовательно с нагрузкой, а выход ИТТ связан с датчиком тока 2.
ВДМ 1 предназначен для размещения (монтажа) на высокоамперных шинопроводах в электрических распределительных подстанциях. Заявленное устройство содержит также канал связи 8 и базовый блок 9, включающий в свой состав второй приемопередатчик 10, соединенный с каналом связи 8 и с основным блоком математической обработки сигналов 11, выходы которого соединены с индикатором результата измерения 12 и блоком дистанционной передачи данных 13.
В качестве ИТТ можно использовать шинный трансформатор, который надевается непосредственно на токонесущую шипу, причем ИТТ и ВДМ объединяются в единый конструктивный модуль.
В качестве блоков математической обработки сигнала 5 и 11 могут быть использованы микропроцессоры.
Приемопередатчики 6 и 10 могут быть выполнены, например, как радиоприемопередатчики, как приемопередатчики по силовой сети, либо в виде оптического приемоизлучателя и так далее. Кроме того, приемопередатчики могут быть выполнены в многоканальном варианте, что позволяет измерять трехфазную энергию, принимая и обрабатывая сигналы от ВДМ, включенных в другие фазы трехфазной сети.
Перемножитель 4 может быть выполнен, как перемножитель входных сигналов, и как квадратор каждого из входных сигналов (частный случай умножения). Это позволяет, кроме активной энергии, измерять среднеквадратические значения тока и напряжения, полной и реактивной энергии.
Канал связи 8 может быть выполнен, например, в виде витой пары, коаксиального кабеля, оптоволокна, силовой сети, либо без какого-либо специального физического носителя.
Заявленное устройство работает следующим образом: ВДМ 1 формирует интегральную характеристику сигнала мгновенной мощности из выходных сигналов датчика тока 2 и датчика напряжения нагрузки 3 путем их умножения в перемножителе 4 и накопления данных в дополнительном блоке математической обработки сигналов 5. Первый приемопередатчик 6 передает через канал связи 8 на вход второго приемопередатчика 10 информацию о потребленной энергии на второй блок математической обработки сигналов 11. Блок математической обработки сигналов 11, получая информацию от приемника 10, а также информацию от ВДМ, включенных в других фазах, рассчитывает потребляемую энергию как пофазно, так и в трехфазной сети в целом, вычисляет графики нагрузок, определяет среднюю мощность и энергию по различным тарифным системам и т.д. Результаты измерений блока 11 отображаются на блоке индикации 12 и передаются далее через блок дистанционной передачи данных 13. При необходимости базовый блок 9 с помощью блока математической обработки сигналов 11 может сделать запрос через второй приемопередатчик 10, канал связи 8 и первый приемопередатчик 6 о параметрах и режимах работы ВДМ1 и, при необходимости, осуществить нужные корректировки.
С помощью блока дистанционной передачи данных 13 возможно включить устройство в состав системы учета электрической энергии, а также считывать результаты измерений на расстоянии, не подходя к базовому блоку 9.
Такая конструкция счетчика, по сравнению с прототипом, увеличивает максимальное значение входных токов счетчика до уровня максимальных первичных токов измерительного трансформатора тока вплоть до 1000
2000 А. Кроме того, конструкция позволяет оптимизировать нагрузку измерительного трансформатора тока, что обеспечивает 10-кратное расширение его диапазона по току при сохранении заданного уровня погрешности.
Счетчик электрической энергии, выполненный в виде внешнего датчика мощности и базового блока, соединенных каналом связи, причем внешний датчик мощности содержит включенный между фазным и нулевым проводами датчик напряжения нагрузки и датчик тока, выходы которых соединены со входами перемножителя, выходом связанного с дополнительным блоком математической обработки сигналов, выход которого подключен к первому приемопередатчику, связанному с одним концом канала связи, а базовый блок содержит второй приемопередатчик, связанный с одной стороны с другим концом канала связи, а со второй стороны - с основным блоком математической обработки сигналов, одним выходом подключенным к блоку индикации результатов измерения, а другим выходом - к блоку дистанционной передачи данных, отличающийся тем, что во внешний датчик мощности введен измерительный трансформатор тока, образуя с ним единый конструктивный модуль, причем первичная обмотка измерительного трансформатора тока включена в фазный провод последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка соединена со входами датчика тока.
