Счетчик электрической энергии с выносными датчиками тока

Полезная модель относится к области электроизмерительной техники и может быть использована для построения трансформаторных счетчиков электроэнергии. Для уменьшения погрешности измерения электрической энергии в счетчике, содержащем датчики тока, провода связи, три измерительных трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в рассечку фазных проводов последовательно с нагрузкой, три датчика напряжения, соединенные по входу с соответствующими фазными проводами и нулевым проводом, а по выходу присоединенные к соответствующим входам напряжения измерительного блока, цифровые входы-выходы которого связаны с цифровыми входами-выходами контроллера, другие цифровые входы-выходы и выходы которого соединены с цифровыми входами-выходами и входами блока вспомогательных узлов, который кроме того связан с фазными проводами и нулевым проводом, а также имеет цифровые входы-выходы для связи с внешней средой, датчики тока размещены на выходе соответствующих измерительных трансформаторов тока, образуя вместе с ними единый конструктивный модуль, а провода связи соединяют выходы датчиков тока с соответствующими токовыми входами измерительного блока.

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для построения счетчиков электрической энергии (ЭЭ).

Известен счетчик ЭЭ однофазной серии NP5 (www.el-matrix.ru Техническое описание и руководство по эксплуатации ADD. 410061.101, ООО «Матрица», рис.2.1 а) у которого используется встроенный в корпус счетчика датчик тока (трансформатор тока), включенный в рассечку фазного провода последовательно с нагрузкой.

Однако включение датчика тока в корпус счетчика ограничивает значение максимального тока счетчика на уровне (50-100) А. Это объясняется ограниченностью размеров токовых контактов по конструктивным соображениям, что задает допустимую мощность рассевания в контактах и, следовательно, максимальный ток счетчика.

Кроме того известен счетчик позволяющий работать с большими токами в нагрузке (Счетчики электрической энергии трехфазные серии NP5. www.el-matrix.ru Техническое описание и руководство по эксплуатации ADDM. 410001.102, ООО «Матрица», рис.2.1.в, рис.4.3.e, d), содержащий в токовой цепи трансформаторы тока (датчики тока) по одному на каждую фазу А, В, С, вторичная обмотка которых подключена к токовым входам (current) измерительного блока (metering part), a первичные обмотки подключены через соединительные провода ко вторичным обмоткам соответствующих измерительных трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены в рассечку фазных проводов последовательно с нагрузкой. Кроме того, на входы напряжения (voltage) измерительного блока счетчика присоединены три (по числу фаз А, В, С) выхода датчиков напряжения (резистивные делители напряжения), а выходы делителей напряжения (ДН) подсоединены к соответствующим фазным проводам и нулевому проводу. С другой стороны цифровые входы-выходы измерительного блока связаны с соответствующими входами-выходами контроллера (controller), цифровые входы-выходы, выходы, которого соединены с блоком вспомогательных узлов счетчика.

Однако такое построение токовой цепи счетчика, а именно: измерительный трансформатор тока (ИТТ) - соединительные провода - датчик тока (трансформатор тока), что является традиционным для трансформаторных по току счетчиков, приводит к росту сопротивления нагрузки во вторичной цепи ИТТ за счет соединительных проводов, т.к. расстояние от ИТТ до счетчика может составлять несколько десятков метров. Как следует из (В.О.Арутюнов. Электрические измерительные приборы и измерения. ГЭИ М.Л. 1958. 632 стр., формулы: 15-7 и последняя на стр.323) угловая погрешность ИТТ тем больше, чем больше сопротивление нагрузки во вторичной цепи. Кроме того с ростом расстояния от ИТТ до счетчика растет площадь сечения соединительных проводов. Например, при расстоянии от ИТТ до счетчика 50 м, диаметр медного провода должен быть не менее 3,3 мм, для обеспечения номинальной мощности во вторичной цепи ИТТ 5 ВА, при номинальном токе 5 А, расходуемой только на соединительных проводах при номинальном токе 5 А.

Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение погрешности измерения электрической энергии.

Поставленная задача достигается тем, что в счетчике, содержащем: три датчика тока, три пары проводов связи, три измерительных трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в рассечку соответствующих фазных проводов, три датчика напряжения, первые входы которых соединены с соответствующими фазными проводами, вторые - связаны с нулевым проводом, а выходы соединены с соответствующими входами напряжения измерительного блока, цифровые входы-выходы которого связаны со входами-выходами контроллера, другие цифровые входы-выходы и выходы, которого соединены с цифровыми входами-выходами и входами блока вспомогательных узлов счетчика, который кроме того, связан с фазными проводами и нулевым проводом, а также имеет цифровые входы-выходы для связи с внешней средой, отличающийся тем, что датчики тока размещены непосредственно на выходе соответствующих трансформаторов тока, образуя с ними единый конструктивный модуль, а провода связи соединяют выходы датчика тока с соответствующими токовыми входами измерительного блока.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого счетчика электроэнергии с выносными датчиками тока. Она содержит:

измерительные трансформаторы тока (1, 2, 3);

датчики тока (4, 5, 6);

провода связи (Л) (7, 8, 9);

измерительный блок (ИБ) 10;

датчики напряжения (11, 12, 13);

контроллер (К) 14;

блок вспомогательных узлов (БВУ) 15.

Измерительные трансформаторы тока (1, 2, 3) включены первичной обмоткой в рассечку фазных проводов А, В и С, соответственно, последовательно с нагрузкой. Датчики тока 4, 5, 6 расположены в одном конструктивном модуле совместно с ИТТ (1, 2, 3) соответственно, причем вторичные обмотки ИТТ (1, 2, 3) соединены непосредственно со входами ДТ (4, 5, 6) соответственно, а выходы ДТ (4, 5, 6) связаны через соответствующие провода связи Л (7, 8, 9) с соответствующими входами тока измерительного блока 10. Входы датчиков напряжения (11, 12, 13) подсоединены соответственно одним концом к фазам А, В, С, другим - к нулевому проводу. Выходы ДН (11, 12, 13) подсоединены к соответствующим входам напряжения измерительного входа 10. Цифровые входы-выходы ИБ 10, соединены со входами-выходами контроллера 14, цифровые выходы-входы и выходы которого связаны с входами-выходами и входами блока вспомогательных узлов БВУ 15, который имеет дополнительные цифровые входы-выходы, а также связан с шинами А, В, С и нулевой.

Отдельные узлы счетчика выполнены следующим образом: ИТТ (1, 2, 3) - стандартные, выпускаемые промышленностью, ДТ (4, 5, 6) - это либо трансформаторы тока, либо шунты, провода связи Л (7, 8, 9) - это витая пара, двух или трех - жильный кабель и т.д., измерительный блок 10 - это два аналого-цифровых преобразователя, управляемые от контроллера 14, через цифровые входы-выходы. Контроллер 14 включает в свой состав микропроцессор, цифровую память для хранения программ обработки кодов, поступающих от ИБ 10, а также константы, необходимые для правильного функционирования счетчика, часы и другие нужные для работы элементы. Блок вспомогательных узлов счетчика 15 содержит блок питания, дисплей, модемы и другие узлы, необходимые для работы счетчика.

Предлагаемый счетчик работает следующим образом. С помощью ИТТ (1, 2, 3) и ДТ (4, 5, 6) осуществляется масштабное преобразование больших фазных токов в нагрузке в малые токи (единицы mА), которые через провода связи Л (7, 8, 9) подаются на токовые входы ИБ 10. На входы напряжения ИБ 10 подаются напряжения с выходов ДН (11, 12, 13), которые пропорциональны фазовым напряжениям электрической сети, т.к. входы ДН (11, 12, 13) подключены к фазным проводам и нулевому проводу. В ДН (11, 12, 13) производится уменьшение входных напряжений до необходимого уровня. В ИБ 10 производится преобразование мгновенных значений токов и напряжений в коды, которые через цифровые входы-выходы подаются в контроллер 14, где производится обработка полученных кодов с целью получения значения электрической энергии, параметров токов и напряжений и т.д.

Результаты вычисленных параметров от К 14 через цифровые выходы-входы и выходы подаются в блок вспомогательных узлов БВУ 15, где отображаются на дисплее и передаются через модемные устройства за пределы счетчика.

Объединение в одном конструктивном устройстве ИТТ (1, 2, 3) и ДТ (4, 5. 6) с последующим соединением с помощью проводов связи Л (7, 8, 9) выходов ДТ (4, 5, 6) с токовыми входами ИБ 10 позволяет практически к нулю свести сопротивление нагрузки во вторичной цепи ИТТ, что согласно упомянутой в книге В.О.Арутюнова дает минимальные погрешности. Рассмотрим пример. Обычно датчики тока выполненные на трансформаторах тока имеют число витков вторичной обмотки w2) несколько тысяч. Примем w2 равным 1000. Тогда минимальный ток на выходе ДТ будет равен 5 mA. Номинальное входное напряжение для АЦП, стоящего в канале тока ИБ 10 обычно не превышает 0,5 В. Тогда сопротивление резистора, преобразующего ток в напряжение, будет равен 100 Ом. Примем, что сопротивление вторичной обмотки ДТ и проводов связи имеют такое же сопротивление. Таким образом полное сопротивление вторичной цепи ДТ равно 200 Ом. Первичная обмотка ДТ имеет один виток медного провода (3-5) мм в диаметре и длиной (5-10) см. Подсчитаем полное сопротивление нагрузки во вторичной цепи ИТТ, приведенное к первичной обмотке, т.е. 200 Ом: 1000×1000=200 мкОм. К этому сопротивлению нужно добавить сопротивление одного витка первичной обмотки ДТ, которое равно 34 мкОм (вычислено для медного провода 4 мм диаметром и 8 см длины). Таким образом сопротивление нагрузки во вторичной цепи ИТТ составляет 234 мкОм, что равносильно кроткому замыканию вторичной обмотки. Если сравнить полученное сопротивление с сопротивлением нагрузки 0,2 Ом, которое было ранее получено в приведенном примере для ИТТ, включенного традиционным образом (как в прототипе), то выигрыш по сопротивлению составляет примерно 85 раз. Кроме того, провода связи в предлагаемом счетчике должны пропускать ток в пределах 10 mA, что легко реализуется с помощью обычных кабелей связи.

Счетчик электрической энергии с выносными датчиками тока, содержащий датчики тока, провода связи, три измерительных трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в рассечку фазных проводов последовательно с нагрузкой, три датчика напряжения, соединенные по входу с соответствующими фазными проводами и нулевым проводом, а по выходу присоединенные к соответствующим входам напряжения измерительного блока, цифровые входы-выходы которого связаны с цифровыми входами-выходами контроллера, другие цифровые входы-выходы и выходы которого соединены с цифровыми входами-выходами и входами блока вспомогательных узлов, который кроме того связан с фазными проводами и нулевым проводом, а также имеет цифровые входы-выходы для связи с внешней средой, отличающийся тем, что датчики тока размещены на выходе соответствующих измерительных трансформаторов тока, образуя вместе с ними единый конструктивный модуль, а провода связи соединяют выходы датчиков тока с соответствующими токовыми входами измерительного блока.