СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

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.