УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING INDUCTIVE ELECTRIC METERS

Изобретение относится к области измерительной электротехники и может быть использовано для оценки пригодности вновь разрабатываемых электросчетчиков от неконтролируемого отбора электроэнергии (хищения путем отмотки) из энергетических электросетей.
Известны устройства для проверки электросчетчиков [1-6].
Ближайшим аналогом заявляемому техническому решению (прототипом) является «Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии» по Патенту РФ №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 [5], содержащее накопительные конденсаторы, заряжаемые прерывистым током на повышенной частоте прерываний и плавно разряжаемых обратно в сеть, а также транзисторные цепи прерывания тока и коммутации плавного разряда накопительных конденсаторов, отличающееся тем, что включает две параллельно подключенные к сети после поверяемого электросчетчика цепи из последовательно соединенных накопительного конденсатора и двунаправленного транзисторного коммутатора, образующие мостовую схему так, что накопительный конденсатор первой цепи подключен к фазному проводнику сети, а конденсатор второй цепи подключен к нулевому проводнику сети, а в диагонали этой мостовой схемы включены последовательно соединенные симистор и катушка индуктивности, причем транзисторы двунаправленных транзисторных коммутаторов указанных цепей и симистор подключены к соответствующим выходам блока управления транзисторами и симистором, синхронизация работы которого осуществляется от сети.
Недостатком известного устройства является сложность его блока управления транзисторами и симистором. Этот недостаток устранен в заявляемом устройстве.
Целью изобретения является существенное упрощение устройства управления.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для проверки индукционных электросчетчиков, содержащем в ветвях мостового устройства накопительные конденсаторы, выводы которых с одной стороны подключены к проводникам сети, а с другой стороны к тиристору в диагональной цепи мостового устройства, отличающимся тем, что последовательно с накопительными конденсаторами включены силовые диоды и дроссели, подключенные к проводникам сети, а схема управления тиристором включает интегрирующее звено с регулируемой постоянной времени из последовательно включенных накопительного конденсатора и переменного резистора между анодом и катодом тиристора, а накопительный конденсатор подключен к первичной обмотке понижающего трансформатора через динистор, вторичная обмотка понижающего трансформатора включена к переходу «управляющий электрод - катод» тиристора через последовательно соединенные диод и ограничивающий резистор.
Достижение поставленной цели изобретения объясняется, во-первых, заменой силовых транзисторов в ветвях мостового устройства на пассивные элементы - силовые диоды и дроссели, не требующие какого-либо управления со стороны блока управления, что существенно упрощает его конструкцию, а, во-вторых, применение простой схемы формирования сигнала, открывающего тиристор в заданный момент времени в каждом из периодов сетевого напряжения без применения достаточно громоздкой электронной схемы на микросхемах и транзисторах с выходными трансформаторами, а также без применения вторичного источника питания.
На рис. 1 приведена схема заявляемого устройства и его подключение к электросчетчику и контролирующему работу схемы двухканальному осциллографу с резисторными элементами связи с последним. На рис.2 представлен график мгновенного значения напряжения на каждом из накопительных конденсаторах мостового устройства - сплошными линиями и напряжения сети - пунктирной. На рис.3 дан график зарядного и разрядного токов в накопительных конденсаторах, а временное положение импульсов разряда может регулироваться (показано двунаправленными стрелками) с помощью регулируемого резистора цепи формирования сигнала управления включением тиристора.
Схема устройства (рис. 1) включает следующие элементы:
1
2
C и C - накопительные конденсаторы одинаковой величины C (например, по 100 мкФ).
1
2
L и L - дроссели с одинаковыми индуктивностями L с железными сердечниками,
1
2
D и D - силовые диоды, рассчитанные на максимальный ток заряда накопительных конденсаторов с обратным напряжением, превышающим амплитуду напряжения сети,
Y - динистор, открывающийся при достижении напряжения на нем заданного уровня,
3
C - дополнительный накопительный конденсатор цепи управления включением тиристора,
1
2
1
2
R и R - регулируемый резистор из последовательно включенных резистора постоянной величины R и реостата R,
3
R - ограничивающий резистор, снижающий ток управления тиристора до обусловленной предельно допустимыми значениями тока управления величины,
T - тиристор, установленный в диагонали мостового устройства, D3 - диод в цепи управляющего электрода тиристора,
Tp - понижающий импульсный трансформатор.
4
1
2
5
6
Кроме того, элементами связи устройства с двухканальным осциллографом выступают: R - низкоомный резистор (порядка 0,05 Ома) цепи измерения тока заряда и разряда накопительных конденсаторов C и С, проходящего через токовую обмотку счетчика, R и R - резисторы делителя напряжения, приложенного к катушке напряжения счетчика, то есть к проводникам сети - фазному и нулевому.
На рис. 2 пунктирная линия (напряжение сети) совпадает со сплошной линией напряжения на накопительных конденсаторах в процессе их заряда на промежутке первой четверти каждого периода напряжения сети (от нуля до Т/4).
На рис. 3 ток заряда протекает в первую четверть периода сети и имеет квазисинусоидальную форму с двойной частотой сети (полупериод тока заряда соответствует четверти периода сетевого напряжения), а ток разряда представляет собой экспоненциально спадающий короткий импульс, амплитуда которого в К раз больше амплитуды зарядного тока, площади зарядного и разрядного импульсов равновелики при малых внутренних потерях в мостовом устройстве, что соответствует закону сохранения заряда. Это отражено приведенным на рис.3 интегральным равенством.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
1
2
O
В первую четверть положительного полупериода происходит заряд накопительных конденсаторов C и С через последовательно с ними включенными силовыми диодами и дросселями, которые для зарядного тока, длящегося за достаточно длительный промежуток времени (5 мс), представляют малые сопротивления, и к концу четверти периода напряжение на накопительных конденсаторах достигает амплитудного значения напряжения - порядка U=300 B.
Тиристор Т при этом закрыт. Установка силовых диодов в ветвях мостового устройства поддерживает это напряжение заряда накопительных конденсаторов в течение второй четверти положительного полупериода. В момент включения тиристора в диагонали мостового устройства накопительные конденсаторы включаются последовательно, и напряжение на проводниках сети возрастает до величины порядка 600B, и последовательно включенные накопительные конденсаторы быстро разряжаются обратно в сеть с малым внутренним сопротивлением сети (порядка 0,3…0,5 Ома) в зависимости от удаленности абонента от электроподстанции и сопротивления ввода от линии электропередачи (например, от воздушной линии ВЛ-0,4 кВ).
Момент включения тиристора выгодно выбирать, когда синусоида переменного напряжения сети проходит нулевой уровень, то есть когда заканчивается положительный полупериод в момент времени Т / 2.
1
2
1
2
Указанная на рис.1 установка силовых диодов D и D исключает возможность перезаряда накопительных конденсаторов, то есть устройство работает в однополупериодном режиме. Поэтому дроссели L и L работают на пульсирующем токе (одного направления) и должны иметь соответствующие зазоры в их магнитопроводах, рассчитанные на соответствующие токи заряда, что исключает эффект магнитного насыщения магнитопроводов дросселей.
1
2
РАЗР
C
C
C
РАЗР
L
L
C
C
-4
-4
Дроссели L и L выполняют заградительную функцию для существенного проникновения разрядного тока накопительных конденсаторов самих на себя при открытии тиристора. В устройстве-прототипе такую заградительную функцию выполняли силовые транзисторы, которые при открытии тиристора (симистора) должны были быть надежно закрытыми сигналами с блока управления. В противном случае эти силовые транзисторы оказались бы пробитыми огромным разрядным током порядка 300 В / 0,1 Ом=3000 А (при сопротивлении открытого транзистора, равном 0,1 Ом). В рассматриваемой схеме эта опасность не существует, так как нет и силовых транзисторов. А, учитывая широкий спектр коротких разрядных импульсов (порядка ΔF=1/Δt=2,3τ, где τ=r C/2 - постоянная времени процесса разряда, r - внутреннее сопротивление сети (0,3…0,5 Ом). Так, при емкости накопительных конденсаторов C=100 мкФ и r=0,3 Ом имеем длительность разрядного импульса Δt=2,3*0,3*10/2=0,345*10 с=34,5 мкс. Следовательно, ширина спектра разрядного импульса имеет порядок 30 кГц, и индуктивное сопротивление дросселя L имеет порядок X=2π ΔF L. Так, при использовании дросселя Д 170- 0,04 - 2,2 с индуктивностью 40 мГн имеем X=6,28*30000*0,04=7536 Ом >>>r. При этом практически весь разрядный ток с накопительных конденсаторов при разряде поступает обратно в сеть. Для зарядного тока такой дроссель представляет собой индуктивное сопротивление величиной всего 12,5 Ом (для сети с частотой 50 Гц), и заряд при этом не затягивается во времени сколько-нибудь ощутимо. При этом постоянная времени заряда при C=100 мкФ в каждой ветви мостового устройства составляет всего 1,3 мс, что в 3,85 раза меньше полного времени заряда. Кроме того, можно выбрать иные дроссели с меньшим значением индуктивности, например, дроссели типа Д 177- 0,0025 - 12,5 с индуктивностью всего 2,5 мГн (их индуктивное сопротивление на частоте 50 Гц будет всего 0,8 Ом, а на частоте 30 кГц оно равно 470 Ом >> r).
ЗАР
ЗАР
CP
3AP
СР ЗАР
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>
Энергия заряда W каждого из двух накопительных конденсаторов мостового устройства вычисляется в виде
. При С=100 мкФ имеем W=4,5 Дж, что определяет среднюю мгновенную мощность заряда за четверть периода Т / 4 как P=4 W/Т=18/ / 0,02=900 Вт. Следовательно, средний ток заряда составляет величину I= 900 / 220=4,09 А, а максимальное значение зарядного тока в фазном проводнике сети (при фазе φ*=π/8) равно 1 махзар=4*1,41*4,09=23,1 А.
ЗАР
ЗАР
Полная энергия заряда равна удвоенной энергии заряда каждого из двух накопительных конденсаторов, то есть равна в рассматриваемом примере 9 Дж. Поэтому в однополупериодном режиме работы схемы мощность P, которую при заряде будет отсчитывать счетчик, равна P=9 Дж·50 Гц=450 Вт.
На основании закона сохранения заряда, пренебрегая, в первом приближении, весьма малыми потерями в мостовом устройстве, можно записать очевидное соотношение
РАЗР·МАХ
O
C
где 3 τ - длительность импульса разряда вблизи его нулевого уровня, K>>1 - превышение амплитуды разрядного импульса I РАЗ МАХразр-мах над амплитудой зарядного, принимаемого за единичный уровень. При этом I ≈2 U/r.
O
Если разряд накопительных конденсаторов осуществить в моменты времени t=Т / 2 в каждом периоде переменного напряжения сети (когда синусоида сети проходит через ноль), то на проводниках сети и в катушке напряжения счетчика возникает экспоненциально спадающее напряжение, начальное значение которого равно удвоенной амплитуде сетевого напряжения 2 U=600 В. При этом импульс разрядного тока также спадает экспоненциально от относительного значения К до нуля приблизительно за время 3 х. Поэтому можно написать выражение для относительной интенсивности отмотки показаний счетчика в разряде накопительных конденсаторов в виде
поскольку индукционный (да и любой другой) счетчик учитывает электроэнергию как результат интегрирования во времени от мгновенных значений произведения действующего тока, проходящего через счетчик, на приложенное к нему мгновенному значению напряжения, с учетом знаков этих величин. При совпадении знаков учет происходит в прямом направлении, а при разных знаках - в обратном, реверсивном.
Выражение для G показывает, во сколько раз реверсивный отсчет энергии счетчиком больше прямого (правильного) учета. Из этого следует, что отмотка показаний счетчика будет вычисляться по формуле в единицах мощности отмотки
C
Вычисления по программе MathCad приводят из выражения (1) к величине К=223,3 и из выражения (2) к величине G=1,575, поэтому для рассматриваемого примера (С=100 мкФ, Т=0,02 с и r=0,3 Ом) мощность отмотки согласно (3) равна ΔР=0,575*450=258,6 Вт.
Если потребитель имеет включенную в сеть полезную нагрузку, превышающую мощность отмотки ΔР, то диск его счетчика будет вращаться значительно медленнее, чем в случае без использования включенного устройства отмотки. Но все же диск будет вращаться в прямом (правильном) направлении, что практически исключит возможность контролерам определить факт хищения электроэнергии по визуальным наблюдениям счетчиков, если не пользоваться при этом специальными приборами, в частности, токовыми клещами, которыми определяется ток в фазном проводнике, если счетчик находится за пределами помещения пользователя, например, на лестничной площадке многоквартирного дома или на опоре за пределами индивидуального дома. Это означает, что использование заявляемого устройства отмотки может причинить весьма значительный ущерб энергосистеме страны, что и определяет настоятельную необходимость в разработке и установке пользователям новых типов электросчетчиков, не чувствительных к подобного рода отмотке показаний. Такой вариант электросчетчика был предложен автором в работе [7]. Например, можно рекомендовать разработку электросчетчиков, работающих по однополупериодной схеме, допускающих протекание тока только в одном направлении.
3
1
2
3
1
2
3
3
3
3
3
3
1
2
Остановимся теперь на вопросе формирования сигнала управления открыванием тиристора Т мостового устройства в моменты времени t=Т/2 в каждом периоде напряжения сети. В качестве тиристора следует выбирать сильноточный лавинный тиристор, например, типа ТЛ-150 с импульсным током до 2500A и средним током 150A. Для его запуска необходимо напряжение на его управляющем электроде порядка +5B относительно катода тиристора с током удержания ≥0,2A. При подключении цепи из дополнительного накопительного конденсатора C и резисторов R и R параллельно аноду и катоду тиристора Т (рис. 1), между которыми действует возрастающее напряжение до 600B в течение первой четверти периода времени Т/4 и сохранении этого напряжения в последующие четверть периода, как это видно на рис. 2, происходит заряд дополнительного конденсатора C с постоянной времени (R+R)C. Заряжаемый при этом дополнительный конденсатор включен к переходу «управляющий электрод-катод» тиристора через последовательно включенные динистор Y и первичную обмотку понижающего трансформатора Тр, вторичная обмотка которого подключена к переходу «управляющий электрод - катод» тиристора Т через ограничивающий резистор R и диод D. Если в качестве элемента Y выбрать, например, динистор типа КН102Ж с напряжением прямого пробоя 120B, то в момент пробоя динистора при фазах переменного напряжения сети φ=π в каждом из периодов переменного напряжения сети к управляющему переходу тиристора Т будет приложено импульсное напряжение со вторичной обмотки понижающего трансформатора Тр с коэффициентом трансформации 2,25:1 (для соответствующего включения трансформатора ТОТ62) при разряде дополнительного накопительного конденсатора С и при этом начальный ток управляющего электрода будет порядка 0,5 А при ограничительном резисторе R Ом. При этом дополнительный конденсатор C будет разряжаться, однако ток управляющего электрода будет экспоненциально снижаться от 0,5A до тока удержания 0,2A за время, в течение которого тиристор откроется и будет находиться в открытом состоянии в течение всего времени разряда накопительных конденсаторов C и С и закроется автоматически по мере разряда накопительных конденсаторов, когда напряжение анод-катод на тиристоре обнулится.
3
ВКЛ
3
3
3
ВКЛ
ВКЛ
УПР
3
УПР
3
2
1
1
2
3
3
УПР
3
УПР
3
УПР
УПР
3
ВКЛ
3
3
3
3
1
2
1
2
3
3
ВКЛ
3
ЗАР.СРЕДН
ПРОБ
ПРОБ
ЗАР.СРЕДН
ВКЛ
1
2
3
ВКЛ
1
2
3
ВКЛ
1
2
3
1
2
1
2
3
3
2
2
2
-5
Рассмотрим, как выбирается емкость дополнительного накопительного конденсатора C интегрирующей цепи. Полагая, что пиковый ток управляющего электрода тиристора Т при его включении равен 0,5 А при начальном напряжении 120B/2,25=53,3 В, находим пиковую мощность импульса включения тиристора 53,3 В · 0,5 А=26,7 Вт, которая снижается в течение времени включения тиристора Δt. Отсюда находим энергию, до которой должен зарядиться конденсатор C. Эта энергия равна С·120/2= 7200 С Дж. С другой стороны, эта энергия определяется произведением средней мощности запускающего импульса 53,3·(0,5+0,2)/2=18,65 Вт на время включения Δt, которое определяется из выражения Δt=2,3 R С, где R=2,25 (R+r+5В/0,5 А)+r - приведенное к первичной обмотке понижающего трансформатора Тр сопротивление разрядной цепи (с коэффициентом трансформации 2,25: 1), r и r - активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора Тр, равные 36 и 5,5 Ом. Сопоставляя энергию дополнительного накопительного конденсатора С по правилу 7200 С=18,65 Вт·2,3 R С=43 R С, находим величину сопротивления R, которое для рассматриваемого примера равно R=7200/43=167,4 Ом. Тогда R=[(167,4-36)/2,25]-10-5,5=10,5 Ом. Длительность импульса включения будет равна Δt=2,3 · ·167,4· С=385 С. Время открытия тиристора ТЛ-150 составляет 10 мкс. Пусть длительность запускающего импульса примем равной 20 мкс, тогда значение емкости С=2·10/385=0,052 мкФ. Таким образом, величину этой емкости можно выбрать величиной 0,05 мкФ на рабочее напряжение 160B (типа ОСК73П-3). Если принять среднее напряжение заряда этого конденсатора равным 520 В за время Т/2=10 мс, в течение которого напряжение на конденсаторе C достигнет 120B (значения пробоя динистора КН102Ж), то можно найти сопротивление (R+R), учитывая постоянную времени заряда интегрирующей цепи (R+R) С. Пусть время заряда накопительного конденсатора C равно ΔT=10 мс, С=0,05 мкФ, U=520B, U=120B, тогда имеем выражение: U/U=1-ехр[-ΔT/(R+R)C]. Подставляя в это выражение известные величины, получим 1,300=ехр [ΔT/(R+R)С] или, что то же, ln 1,3=ΔT/(R+R)С=0,262. Тогда R+R=52,4 кОм. Выбираем R=47 кОм (2 Вт) и R=10 кОм (реостат). Также выбираем R=9,1 Ом (2 Вт). Диод D - 2Д202А.
3
1
2
3
1
2
1
2
3
Отметим, что при увеличении емкости накопительного конденсатора С для увеличения энергии отпирающего импульса более мощных тиристоров необходимо соответственно уменьшить величину резисторов R и R. Так, при С=0,5 мкФ следует выбрать R=5,6 кОм, R=3,3 кОм (реостат) для сохранения неизменной величины постоянной времени (R+R)C.
2
Регулировкой величины сопротивления R можно сдвигать по времени импульс разряда (указано двунаправленными стрелками на рис. 3), чтобы его начало приходилось на фазу φ=π переменного напряжения сети в каждом из его периодов.
C
МАХ
МАХ
При увеличении емкости накопительных конденсаторов мощность отмотки возрастает, однако имеется предел увеличения емкости С, ограниченный внутренним сопротивлением сети. Предельно допустимое значение емкости С уменьшается с увеличением этого сопротивления. Как показывают расчеты, при r=0,3 Ома предельная мощность отмотки может составить около ΔР=10 кВт при емкости С=4300 мкФ. Следует применять импульсные конденсаторы К75-40-750 В по 100 мкФ каждый (всего 86 штук). Можно также использовать электролитические конденсаторы фирмы EPCOS большой емкости в диапазоне 220…330000 мкФ, с напряжением до 500 В, имеющие существенно меньшие габариты и массу. Могут быть использованы электрохимические конденсаторы большой емкости (500 мкФ) с рабочим напряжением до 500 В и разрядными токами до 5000 А.
Заявляемое устройство может быть использовано при разработке новых электросчетчиков, работающих по однополупериодной схеме, допускающих протекание тока только в одном направлении [7].
Литература
1. Меньших О.Ф., Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, Патент №2474825, Опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013.
2. Меньших О.Ф., Мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, Патент №2522706, опубл. в №20 от 20.07.2014.
3. Меньших О.Ф., Устройство для контроля электросчетчиков, Патент №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014.
4. Меньших О.Ф., Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков, Патент №2523109, опубл. в №20 от 20.07.2014.
5. Меньших О.Ф., Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии, Патент №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 (прототип).
6. Меньших О.Ф., Устройство проверки индукционных электросчетчиков, Патент №2532861, опубл. в №31 от 10.11.2014.
7. Меньших О.Ф., Устройство учета электроэнергии, Патент №2521767, опубл. в №19 от 10.07.2014.
Данные патентного поиска
RU 2338217 С1, 10.11.2008 RU 2181894 С1, 27.04.2002 RU 2190859 С2, 10.10.2002 RU 2178892 С2, 27.01.2002 SU 1781628 А1, 15.12.1992 SU 1780022 А1, 07.12.1992 SU 1422199 А1, 07.09.1988 US 7692421 В2, 06.04.2010 US 6362745 В1, 26.03.2002 ЕР 1065508 А2, 03.01.2001.