Современные электронные счетчики считают реактивную нагрузку. Счетчик реактивной энергии

Многим известен такой термин, как электрическая реактивная энергия. Для восприятия обычного человека – это довольно сложное понятие. Поэтому в первую очередь, необходимо выяснить все отличительные черты реактивной и активной энергий. Наиболее важным отличием реактивной энергии является то, что возникновение ее возможно только в сетях, характеризующимися переменным током. В соединения с постоянным током данной энергии быть не может. Так происходит из-за ее природных особенностей.

В основном, счетчик реактивной энергии представляет собой некоторое цифровое устройство, работа которого заключается в том, что он преобразовывает мощность в сигнал аналогового характера, который в дальнейшем перевоплощается в электрические импульсы. Их сумма и значит количество потребляемой электроэнергии.

Данный прибор состоит из корпуса, выполненного из пластмассы. В нем устанавливается три трансформатора и плата, в которую встроен блок учета. Снаружи данного устройства крепятся светодиодные лампочки, а также экран жидкокристаллической структуры.

Электричество переменного характера идет к потребителям от производящих мощностей через несколько трансформаторов понижающего действия, конструкция которых выполнена так, что в нем распределены обмотки повышенного и пониженного напряжения. Если сказать точнее, то между данными обмотками не существует непосредственного физиологического контакта, но, несмотря на это, электричество проходит по заданному пути.

Данному явлению существует очень простое объяснение. Передача электроэнергии осуществляется через воздушное пространство с помощью своего электромагнитного поля. А, как известно, воздух является превосходным диэлектриком. Данное электромагнитное поле является переменным, и поэтому появляется поочередно в каждой из существующих обмоток трансформатора и всегда пересекает противоположную обмотку, не имея с ней прямого контакта, создает в ее сетях электродвигательную силу.

Коэффициент полезного действия в сегодняшних трансформаторах довольно высокий, и благодаря этому, потери электрической энергии очень маленькие и вся имеющиеся сила непостоянного тока с первой обмотки переходит на вторую. Такая же работа происходит и в конденсаторе. Только здесь главную роль играет электрическое поле.

Такие величины, как индуктивность и емкость, создают реактивную энергию, которую в каждый период времени отдают источнику непостоянного тока некоторую часть энергии. Накопление и отдача данной энергии не позволяют спокойному течению активной энергии, поэтому она выполняет все количество нужной работы в сетях, преобразуясь при этом механическую либо тепловую работы.

Потребители, у которых создается большое количество индуктивной нагрузки, применяют специальные устройства, которые называются конденсаторами. Делается это для того, чтобы компенсировать и максимально уменьшить противодействие реактивной энергии. Данная энергия значительно влияет на величину все потерь электроэнергии. Стоит заметить, что она может отрицательно сказаться и на совместимости электромагнитного характера всех имеющихся приборов. Поэтому возникает необходимость контроля за ее количеством.

Чаще всего данная проблема возникает на промышленных предприятиях. Для того чтобы наладить работу электрически сетей проводится установка датчиков, которые отдельно считают активную и реактивную энергии: счетчик активной энергии и счетчик реактивной энергии. Счетчик реактивной энергии в трехфазных электрических сетях выдает данные в двух величинах: вольты и амперы.

Теоретически, для учета электроэнергии в трехфазных трехпроводных и четырехпроводных системах могут применяться один или несколько однофазных счетчиков, включенных по определенной схеме. Однако такие схемы требуют строгого соблюдения симметричной нагрузки и напряжения, что не всегда возможно обеспечить.

Кроме того, учет по одной или двум фазам приводит к значительным погрешностям, поэтому в настоящее время наиболее широкое распространение получили трехфазные трехэлементные счетчики. В статье в качестве примера такого прибора учета представлена схема СА4У-И672М.

Электрочетчик имеет три вращающих элемента, действующих на одну подвижную часть. Подвижная часть чаще всего имеет два диска. Вращающие элементы имеют ту же конструкцию и устройство, что и однофазных.

Это относится ко всем трехфазным приборам учета, кроме счетчиков реактивной энергии, базирующихся на вращающих элементах с внутренним сдвигом, отличным от 90°, а именно 60° и 180°.

В счетчиках реактивной энергии за основу также берется конструкция вращающего элемента, схожая с однофазным, и принимаются меры для получения необходимого внутреннего сдвига фаз (короткозамкнутые витки, шунтирующие сопротивления).

Трехфазный индукционный счетчик можно рассматривать как систему, состоящую из трех однофазных; каждом элементе такой системы происходят те же физические процессы. При чисто активной нагрузке угол сдвига фаз между рабочими потоками для каждого элемента составляет 90°.

Полный вращающий момент втрое больше, чем момент одного элемента. Нагрузочная кривая, а также все остальные характеристики трехэлементного прибора будут такими же, как и однофазного счетчика с такой же номинальной скоростью вращения.

Напомним, нагрузочная кривая — это сумма кривых составляющих погрешностей от трения, самоторможения и смещения вращающегося элемента, погрешность от нелинейной зависимости рабочего потока и тока последовательной цепи.

Наличие сдвига фаз напряжений в трехфазной системе вносит определенные погрешности при создании вращающего момента в подвижной части. Для первого вращающего элемента условно принимаем φ1=0°. Тогда сдвиг последующих двух фаз соответственно будет равен φ2=60°, φ3=120°.

Значит, угол сдвига фаз между рабочими потоками для первого намагничивающего элемента ψ1=0°- φ, для второгоψ2=60°- φ, для третьего ψ3=120°- φ. При активной нагрузке (cosφ=1) и симметричной нагрузке по фазам эти сдвиги равны ψ1= 0°, ψ2= 60°, ψ3= 120°.

Следовательно суммарный вращающий момент элементов Мвр не равен утроенному значению момента М1 одного из вращающих элементов, когда напряжение и ток этого элемента совпадают по фазе, а равен:

Мвр= М1sin0°+ М2sin60°+ М3sin120°=√3 М1;

Кроме того, если он будет иметь ту же номинальную скорость, что и однофазный, то их нагрузочные кривые в области больших нагрузок будут различны. Обусловлено это тем, что суммарный момент собственного торможения трехфазного счетчика равен утроенному моменту собственного торможения одного элемента, а суммарный вращающий момент собственного торможения больше вращающего момента одного элемента в √3 раз.

Погрешность трехфазного счетчика от собственного торможения будет 2/√3, что составляет 1,16 раза больше, чем у однофазного с таким же вращающим элементом и номинальной скоростью вращения подвижной части.

Для того чтобы трехэлементный трехфазный прибор учета имел такую же нагрузочную кривую, что и однофазный, необходимо, чтобы его номинальная скорость была в 1,16 раза меньше, чем у однофазного. Как и для однофазных счетчиков, скорость вращения диска можно отрегулировать перемещением постоянного магнита вдоль радиуса диска; конструкцией для этого предусмотрено два постоянных магнита.

Учет реактивной энергии проводится по тем же самым схемам, что и учет активной, но при этом измерительные механизмы должны иметь внутренний угол сдвига фаз между рабочими потоками последовательной и параллельной цепей не 90°, как имеет место при учете активной энергии, а 0° (180°).

Для получения такого сдвига последовательно с обмоткой параллельной цепи индукционного вращающего элемента включают добавочное активное сопротивление и, и кроме того, шунтируют обмотку последовательной цепи активным сопротивлением.

Такие электросчетчики реактивной энергии называют счетчиками со 180° сдвигом. Их отличительной особенностью является отсутствие “схемной” погрешности при любой асимметрии цепи.

Ниже приведены несколько наиболее распространенных схем учета реактивной энергии: схема трехэлементного прибора учета в трехпроводных и четырехпроводных цепях (а), схема двухэлементного счетчика с разделенными последовательными обмотками (схема Бергтольда) для учета в трехпроводных цепях (в), и схема счетчика с 60° сдвигом для учета в трехпроводных цепях (с).

Для получения вращающего элемента с 60° сдвигом, последовательно с обмоткой параллельной цепи элемента с 90° сдвигом включают добавочное активное сопротивление. На пути нерабочих потоков параллельной цепи включают короткозамкнутые витки, что приводит к уменьшению внутреннего сдвига между рабочими потоками.

Назначение, устройство, принцип работы

Для учета электрической энергии, выработанной на станциях и переданной потребителям, применяют счетчики электрической энергии. Их устанавливают на шинах генераторного напряжения, на отходящих линиях и на стороне НН понизительных подстанций потребителей. Для учета активной энергии применяют однофазные типов СО, СОУ или трехфазные индукционной системы типов САЗ (САЗУ), а для реактивной энергии — счетчики типов СР4 (СР4У). В обозначениях счетчиков буквы и цифры означают: С — счетчик, О — однофазный, А — активной энергии, Р — реактивной энергии, У — универсальный, 3 и 4 — для трех- и четырехпроводных сетей.
Обмотки счетчиков рассчитаны на включение непосредственна в сеть и через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Счетчики для непосредственного включения изготовляются на 5, 10, 20, 30 и 50 А, а через трансформаторы тока — до 2000 А, вторичный номинальный ток счетчика при этом для всех случаев будет 5 А. Номинальные напряжения счетчиков для обмоток непосредственного включения: 127, 220 и 380 В, а через трансформаторы напряжения-100 В. При наличии трансформаторов счетчики можно подключать к шинам станций с рабочими напряжениями 500, 600 В или 3, 6, 10 и 35 кВ.
На однофазных трансформаторных подстанциях мощность 4 — 10 кВ-А, напряжением 6-10/0,23 кВ устанавливают счетчик активной энергии СО2М. Его присоединяют к трансформатору тока, установленному за однофазным трансформатором, поэтому он учитывает всю электроэнергию, проходящую через трансформатор. Счетчик имеет подогрев — тепловое сопротивление ПЭ-75.
На однотрансформаторных подстанциях потребителей напряжением 6-10/0,4 кВ, мощностью 100-250 кВ-А устанавливают трехфазные индукционные счетчики активной энергии типов СА4У или СА4И. Счетчики электроэнергии предназначены для четырехпроводной цепи и имеют семь выводов: по два для подключения к каждому из трех трансформаторов тока и один для подключения к нулевому проводу. Такие счетчики устанавливаются со стороны низкого напряжения силового трансформатора до шин, к которым подключены отходящие низковольтные линии, поэтому они учитывают всю электроэнергию, пропускаемую трансформатором.
Конструктивно механизм счетчика монтируется на литой стойке, расположенной в прямоугольном стальном или пластмассовом цоколе, закрывается пластмассовой крышкой. Универсальные счетчики имеют на лицевой стороне крышки съемный щиток и устройство для его опломбирования. Счетчики выпускаются, классом точности 2,0 за исключением счетчиков реактивной энергии непосредственного включения, которые имеют класс точности 3,0.
Устройство и принцип их работы рассмотрим на примере однофазного счетчика типа С0-2М (рисунок 1).
В пластмассовом корпусе расположен стальной сердечник 1, снабженный обмоткой напряжения. Она выполнена из большого числа витков провода малого диаметра и включается в цепь параллельно. Токовая обмотка 4 намотана на сердечник 5 и состоит из малого числа витков провода большого диаметра. Эта обмотка включается в цепь последовательно и рассчитана на номинальный ток 5 А. Между сердечниками имеется воздушный зазор, в котором может свободно вращаться алюминиевый диск 3, закрепленный на оси 2. Для регулировки счетчика служит установленный на стальной скобе постоянный магнит 7. Выводы обмоток подключаются к четырем клеммам б счетчика, которые закрываются крышкой и пломбируются.

Рисунок 1 – Электрический счетчик

При включении счетчика по его обмоткам текут токи, создающие магнитный поток в воздушном зазоре. Этот поток пересекает алюминиевый диск и индуктирует в нем вихревые токи. Взаимодействие токов в диске с магнитным потоком в обмотках вызывает появление механической силы, приводящей диск во вращение. Диск связан зубчатой передачей со счетным механизмом счетчика, дающим показания в кВт ч.
В схеме включения однофазного счетчика (рисунок 2, а) фазный провод подключается к первой клемме Г (генераторный зажим), а нулевой провод — к третьей клемме Г. Провода, отходящие к электроприемникам, подключаются ко второй и четвертой клеммам, обозначенным буквой Н (нагрузка).
Для измерения расхода электроэнергии в трехфазных электроустановках можно воспользоваться тремя однофазными счетчиками, включенными в каждую фазу по схеме, приведенной на рисунок 2, б. При этом расход энергии определяется как сумма показаний трех счетчиков. Значительно удобнее, однако, пользоваться трехфазными счетчиками, которые представляют собой три однофазных счетчика, собранных в одном корпусе и имеющих общий счетный механизм.

Рисунок 2 – Схемы включения счетчиков:
а — однофазного, б — трёх однофазных в трёхфазную сеть, в — трехфазного

В схеме включения трехфазного трехэлементного счетчика типа СА4 (рисунок 2, в) три фазы подаются на зажимы Г, трехфазная нагрузка подключается на зажимы Н, а на зажимы О подается нулевой провод.
Схемы включения всегда приводятся на обратной стороне крышки счетчика любого типа, закрывающей контакты.
Токовая обмотка счетчика для установки в квартире рассчитана на номинальный ток 5 А, но в современных жилых домах имеются большие многокомнатные квартиры, которые потребляют значительно большую силу тока. В целом же по дому токовая нагрузка может доходить до нескольких сотен ампер. Ясно, что в цепь с такими токами счетчики непосредственно включать нельзя. Для понижения переменного электрического токи большой силы до значения, удобного для измерения стандартными измерительными приборами, предназначен трансформатор тока, или измерительный трансформатор.
Трансформатор тока типа ТК-20 (рисунок 3) имеет стальной сердечник 2 с обмотками. Первичная обмотка 3 с выводами Л1 и Л2 выполнена из провода большого сечения, рассчитанного на ток, который необходим для нормальной работы электроустановки. Вторичная обмотка 4 и выводы И1 и И2 вторичной обмотки подключены к клеммнику 1. Она имеет такое количество витков, чтобы при номинальном токе первичной обмотки в ней индуктировался ток 5 А.

Рисунок 3 – Трансформатор тока ТК-20

Трансформаторы тока выпускаются с разными коэффициентами трансформации: 10/5, 15/5, 20/5 А и применяются в зависимости от величины рабочего тока потребителя.
В настоящее время планируется введение в эксплуатацию систем автоматического учета потребления энергии. Создание таких систем стало возможным благодаря разработке электронных счетчиков. Например, счетчики электрической активной энергии электронные прямого включения типа «Энергия — 9» предназначены для учета электрической активной энергии в однофазных цепях переменного тока частотой 50 Гц, в зависимости от исполнения по одному или нескольким дифференцированным во времени тарифам.
Счетчики, в зависимости от исполнения, обеспечивают также:
— формирование базы данных, содержащей измерительную информацию;
— передачу интерфейсными каналами измерительной информации, хранимой в базе данных, устройствам учета электрической энергии высшего уровня.
Область применения счетчиков – учет электрической энергии на промышленных (мелкомоторных) предприятиях и в коммунально бытовой сфере в условиях применения дифференцированных во времени тарифов на электрическую энергию.
Счетчики, имеющие последовательный интерфейс и телеметрический импульсный выход могут быть применены в автоматизированных системах учета и контроля электрической энергии.

Схемы включения

В схеме включения однофазного счетчика совместно с трансформатором тока (рисунок 4, а) первичная обмотка трансформатора Л1 — Л2 включена последовательно в линейный провод с большим током, а токовая обмотка счетчика подключена ко вторичной обмотке трансформатора тока (выводы И1 — И2). Как и в обычной схеме, обмотка напряжения должна быть подключена к фазному и нулевому проводу. С этой целью на схеме между выводами Л1 и И1 сделана перемычка, а третий зажим счетчика соединен с нулевым проводом.
Схемы включения трех однофазных, а также одного трехфазного счетчика совместно с трансформаторами тока приведены на рисунок 4, 6, в.
В случае, если счетчик работает с трансформатором тока, для определения действительного расхода электроэнергии необходимо расход, показанный счетчиком, умножить на коэффициент трансформации измерительного трансформатора.

Рисунок 4 – Схемы включения счетчиков с трансформаторами тока:
а — однофазного, б-трехфазного, в — трех однофазных в трехфазную сеть