УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ РАБОТЫ ОДНОФАЗНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ
DEVICE TO INSPECT OPERATION OF SINGLE-PHASE INDUCTION ELECTRIC COUNTERS

Изобретение относится к средствам измерительной техники и может быть использовано при разработке и исследовании однофазных индукционных электросчетчиков, в частности, на чувствительность к высокочастотным составляющим тока в нагрузках.
В промышленном производстве, на различных частных предприятиях и в быту нашли широкое распространение индукционные однофазные и трехфазные электросчетчики в качестве приборов учета электроэнергии (СО-2М, СО-И646М и другие).
Известно, что чувствительность и точность их работы на используемой промышленной частоте 50 Гц достаточно высокая, однако эти характеристики существенно снижаются, если нагрузка в электросети флуктуирует с повышенной частотой (единицы и десятки килогерц). Это приводит к необходимости исследования зависимости правильного учета потребляемой электроэнергии от частоты прерываний электрического тока в нагрузках. До последнего времени этой проблеме не уделялось достаточного внимания со стороны разработчиков индукционных приборов учета электроэнергии, что допускает возможность хищения электроэнергии, масштабы которого стали угрожающими, а борьба с этим нередко сводится к росту тарифов на электроэнергию для покрытия неучтенно израсходованной электроэнергии, то есть к нейтрализации коммерческих потерь, исчисляемых сотнями миллиардов рублей ежегодно.
Методы борьбы с хищениями электроэнергии многообразны. Автором данной заявки были предложены эффективные способы снижения коммерческих потерь, связанных с хищением электроэнергии путем переключения фазного и нулевого проводников в месте подключения вводов с ответвлениями (перекидками) от воздушных линий ВЛ-0,4 кВ. В частности, предложен метод опломбирования фазного или нулевого проводников с соответствующими проводниками ответвлений от ВЛ-0,4 кВ [1, 2]. Это позволяет по оценочным расчетам сэкономить несколько десятков миллиардов рублей ежегодно при минимальных и одноразовых затратах бригадами энергоснабжающих организаций в порядке текущей эксплуатации.
Предпринимались попытки ликвидации коммерческих потерь применением индукционных приборов учета с двумя токовыми обмотками в электросчетчиках (например, в однофазных приборах типа СЕ-200), расположенными в фазной и нулевой цепях, что, по мнению разработчиков таких приборов, исключает хищение электроэнергии путем вышеуказанного переброса фазного и нулевого проводников на вводах. Однако с помощью разработанных автором схем проверки чувствительности электросчетчиков с двумя токовыми обмотками возможно осуществлять хищение электроэнергии с использованием скрытого заземления [3, 4].
Известны «экзотические» способы хищения электроэнергии с помощью специальных схем, не связанных ни с перебросом фазного и нулевого проводников на вводах, ни с использованием скрытого заземляющего устройства, ни с достаточно редко используемым потребителями прямого наброса на проводники ответвлений от ВЛ-0,4 кВ либо на сами проводники линии электропередачи (например, при электросварочных работах). Такие электронные схемы используют высокочастотное прерывание тока сети, заряжающего емкостный накопитель за первую и третью четверти периода, и последующий экспоненциальный без прерываний разряд емкостного накопителя обратно в сеть через прибор учета электроэнергии во второй и четвертой четвертях периода, диск которого при этом вращается в обратном направлении, либо остается неподвижным, если прибор учета снабжен храповым механизмом, исключающим обратный ход диска счетчика, хотя при этом потребляется нагрузкой определенная мощность. Величина не учитываемой электроэнергии в этом случае определяется параметрами емкостного накопителя и частотой прерываний тока в первой третьей четвертях периода сетевого напряжения. Последнее обстоятельство и является объектом исследования в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является оценка точности правильного учета потребляемой электроэнергии индукционными электросчетчиками как функции частоты прерываний тока в нагрузке.
Указанная цель достигается в устройстве для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, содержащем правильно подключенный к электросети однофазный индукционный электросчетчик, выход которого через предохранители подсоединен к регулируемой активной нагрузке, отличающемся тем, что фазный и нулевой проводники дополнительно подключены к накопительному конденсатору соответственно через две цепи параллельно включенных силового транзистора и симистора, переходы «база-эмиттер» силовых транзисторов трансформаторно подключены к высокочастотному импульсному генератору с регулируемой частотой следования импульсов в форме меандра, выход которого также подключен к электронному частотомеру, управляющие переходы симисторов связаны с соответствующими согласующими усилителями, фазный проводник также дополнительно соединен с входом блока управления симисторами, первый выход которого соединен с входом согласующего усилителя фазной цепи через разделяющий оптрон, а второй - со входом согласующего усилителя нулевой цепи непосредственно.
Устройство отличается тем, что блок управления симисторами включает фазосдвигающие RC-цепи, первый и второй компараторы, первый и второй инверторы и первую и вторую схемы совпадений, фазный проводник связан с входом первого компаратора и началом фазосдвигающих RC-цепей, конец которых подключен к входу второго компаратора, входы первой схемы совпадений подключены к выходу первого компаратора и к выходу второго инвертора, вход которого соединен с выходом второго компаратора, входы второй схемы совпадений подключены к выходам второго компаратора и выходу первого инвертора, вход которого соединен с выходом первого компаратора, причем фазосдвигающие RC-цепи осуществляют сдвиг фазы сетевого напряжения на π/2, а инвертирующие выходы первой и второй схем совпадений образуют соответственно первый и второй выходы блока управления симисторами.
Достижение поставленной цели объясняется неравенством учитываемой однофазным индуктивным электросчетчиком энергии при заряде накопительного конденсатора прерывистым током в первой четверти положительного полупериода, а также в третьей четверти отрицательного полупериода сетевого напряжения, и энергии плавного разряда этого накопительного конденсатора в течение соответственно второй и четвертой четвертей периода, при котором по показаниям электросчетчика создается впечатление, что источником переменного тока является не питающая электросеть, а заявляемое устройство, к ней подключенное. Указанное различие этих энергий пропорционально емкости используемого накопительного конденсатора и является исследуемой функцией частоты прерываний зарядного тока в накопительном конденсаторе.
Заявляемое устройство поясняется его схемой и графиками.
На рис.1 представлена схема заявляемого технического решения, состоящая из:
1 - исследуемого однофазного индукционного электросчетчика,
2 - ввода, фазный проводник которого соединен с клеммой №1 электросчетчика, а нулевой - с клеммой №3 при отсчете клемм слева направо,
3 - воздушной линии электропередачи ВЛ-0,4 кВ, к которой подсоединен ввод 2,
4 - предохранителей в фазной и нулевой цепях с выходов электросчетчика (соответственно с его клемм №2 и №4),
H
5 - регулируемой активной нагрузки R (ток в нагрузке и напряжение на ней измеряются соответственно амперметром и вольтметром переменного тока),
1
6 - первого силового транзистора фазной цепи (T),
1
7 - первого симистора фазной цепи (D),
H
8 - накопительного конденсатора (С),
2
9 - второго силового транзистора нулевой цепи (Т),
2
10 - второго симистора нулевой цепи (D),
11 - первого согласующего усилителя фазной цепи (СУ-1),
12 - второго согласующего усилителя нулевой цепи (СУ-2),
13 - высокочастотного импульсного трансформатора с раздельными вторичными обмотками для разделения фазной и нулевой цепей управления,
14 - высокочастотного импульсного генератора с регулируемой частотой следования импульсов в форме меандра (то есть со скважностью, равной двум),
15 - электронного частотомера,
16 - блока управления симисторами,
17 - разделительного оптрона.
На рис.2 изображена блок-схема блока управления симисторами, включающая следующие элементы и блоки:
18 - первый компаратор,
19 - второй компаратор,
1
2
C и С - конденсаторы фазосдвигающих цепей,
1
2
1
R, R - активные сопротивления фазосдвигающий цепей (R - регулируемое сопротивление для точной подстройки сдвига фазы),
20 - первая схема совпадения типа 2И-Не,
21 - вторая схема совпадений типа 2И-Не,
22 - первый инвертор (схема Не),
23 - второй инвертор (схема Не).
1
2
1
2
На рис.3 представлены временные диаграммы работы блока управления симисторами D и D. На первом и втором графиках представлены импульсные сигналы U и U, образующиеся на выходах первого и второго компараторов. На третьем и четвертом графиках представлены сформированные управляющие сигналы, действующие на первом и втором выходах блока управления симисторами.
≈
Г
На рис.4 изображен один полный период сетевого напряжении U(t) с периодом T. На рис.5 изображена непрерывная последовательность импульсных напряжений U(t), вырабатываемых высокочастотным импульсным генератором с регулируемой частотой следования импульсов в форме меандра и используемых для управления работой первого и второго силовых транзисторов 6 и 9 (рис.1) в ключевом режиме.
Н
На рис.6 представлен график напряжения на накопительном конденсаторе 8 (С) в режимах заряда и разряда. Пунктирными линиями обозначены циклы прерывистого заряда-перезаряда соответственно в первой и третьей четвертях периода сетевого напряжения, а гладкими кривыми - циклы непрерывного во времени разряда накопительного конденсатора соответственно во второй и четвертой четвертях периода.
СP
H
H
На рис.7 приведен исследуемый с помощью данного устройства вид функции ΔР(f)/P при каком-то неизменном значении сопротивления нагрузки 5 (R), величину которого можно регулировать, в функции частоты f импульсного генератора 14, измеряемой электронным частотомером 15.
Рассмотрим работу предлагаемой схемы (рис.1).
O
Известно, что непосредственное включение в питающую сеть переменного тока накопительного конденсатора 8, являющегося почти идеальным реактивным элементом, приводит к циркуляции тока в сети с двойной частотой 2 F, где F - частота сети. При этом потребляется лишь реактивная энергия , где U - действующее напряжение сети, t - время включения реактивной нагрузки. При этом однофазный индукционный счетчик активной энергии учет электроэнергии не производит (его счетный механизм неподвижен).
H
При непосредственном подключении к сети активного сопротивления нагрузки 5 (R) такой электросчетчик будет фиксировать с достаточной степенью точности расходуемую энергию в активной нагрузке, равную , что дополнительно контролируется по показаниям встроенных в схему амперметра и вольтметра и с использованием хронометра (часов).
Известно, что индукционные электросчетчики обладают существенным недостатком по учету электроэнергии в случае, если протекающий в нагрузке ток прерывается с достаточно высокой частотой f >> F. При этом с ростом частоты прерываний тока существенно занижаются показания электросчетчика против реально расходуемой энергии. Поэтому возникает задача по оценке работы индукционных электросчетчиков (приборов учета электроэнергии) в функции частоты f прерываний тока в нагрузке.
CP
O
УЧ
УЧ
O
Указанный недостаток индукционных приборов учета электроэнергии используют недобросовестные пользователи в целях неконтролируемого хищения электроэнергии путем заряда накопительного конденсатора 8 (рис.1) прерывистым током в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения (рис.4) и его разряда плавно изменяющимся напряжением (без прерываний тока) соответственно во второй и четвертой четвертях периодов. При этом в первой и третьей четвертях периодов прибор учета сильно занижает учет потребленной электроэнергии, а во второй и четвертой четвертях периодов, когда накопительный конденсатор 8 отдает в сеть потребленную им энергию обратно, прибор учета работает нормально с его паспортизованной точностью. Если приборы учета старого типа (такие как СО-2М, СО-И646М и другие) имеют дисковую структуру без стопора обратного хода, то в такой схеме диск прибора учета будет вращаться в обратном направлении, создавая впечатление, что не электросеть является поставщиком электроэнергии, а само устройство. Иначе говоря, показания по ранее израсходованной электроэнергии будут уменьшаться в таких счетчиках. Если электросчетчики имеют стопоры обратного хода диска (типа храповых колес), то показания электросчетчика при реально включенной активной нагрузке будут либо явно заниженными, либо счетный механизм может даже быть остановлен, если активно потребляемая мощность будет меньше или равна разностной средней мощности ΔР=U I - Р, где Р - учитываемая электросчетчиком мощность, заниженная применением рассматриваемой схемы, I и U - ток и действующее напряжение по показаниям приборов (амперметра и вольтметра).
Степень занижения показаний в таких электросчетчиках будет существенно зависеть от частоты f прерываний тока при заряде накопительного конденсатора 8 (рис.1), что является предметом исследований с использованием заявляемого устройства. Это необходимо при разработке новых индукционных приборов учета электроэнергии.
1
2
1
2
Прерывание зарядного тока в накопительном конденсаторе осуществляется с помощью силовых транзисторов 6 и 9 (T и Т), работающих в ключевом режиме, на переходах «база-эмиттер» которых подаются высокочастотные импульсные сигналы с выхода высокочастотного импульсного генератора 14 с регулируемой частотой f через высокочастотный импульсный трансформатор 13 с двумя раздельными (изолированными друг от друга) вторичными обмотками. Параллельно этим силовым транзисторам включены симисторы 7 и 10 (D и D), которые по сигналам с выходов блока управления симисторами 16 являются либо полностью открытыми (Откр.), либо полностью закрытыми (Закр.) (то есть также работают в ключевом режиме, но на частоте 2 F << f). Порядок работы симисторов виден из приводимой ниже таблицы.
Таблица
Интервал времени
Симистор D<sub>1</sub>
Симистор D<sub>2</sub>
t=0…T/4
Закр.
Откр.
t=T/4…T/2
Откр.
Откр.
t=T/2…3T/4
Откр.
Закр.
t=3T/4…T
Откр.
Откр.
Отметим, что при открытом состоянии симисторов 7 или 10 параллельно включенные с ними силовые транзисторы 6 или 9 не оказывают никакого влияния на сопротивление соответствующей цепи (фазной или нулевой), то есть не прерывают тока. Напротив, кода симистор заперт, то соответствующий ему силовой транзистор выполняет функции прерывания тока.
1
2
Н
1
2
1
2
2
1
2
Так, в первой четверти периода (при положительной полуволне) симистор D закрыт, а симистор D открыт. Поэтому накопительный конденсатор 8 заряжается прерывистым током, и прибор учета занижает свои показания. Во второй четверти периода накопительный конденсатор С возвращает накопленный в нем заряд обратно в сеть при открытых симисторах D и D, то есть без прерываний тока, и прибор учета ведет обратный учет отдаваемой энергии, занижая общие показания прибора учета. В третьей четверти периода (при отрицательной полуволне) симистор D закрыт, а симистор D открыт, и накопительный конденсатор перезаряжается (с обратным знаком полярности) прерывистым током с помощью силового транзистора Т, а в четвертой четверти он разряжается обратно в сеть при открытых симисторах D и D, как это следует из приведенной выше таблицы и из рис.6.
Использование параллельного включения симисторов и соответствующих им силовых транзисторов позволяет упростить схему блока управления симисторами при непрерывной подаче управляющих импульсных сигналов на переходы «база-эмиттер» силовых транзисторов.
Кратко рассмотрим работу блок-схемы, представленную на рис.2.
1
1
2
2
1
1
2
3
4
Для получения управляющих симисторами сигналов согласно приведенной выше таблице необходимо сформировать синусоидальный сигнал частоты F сети, сдвинутый по фазе на π/2. Это достигается с помощью двух фазосдвигающих RC-цепочек (R C и R С), включенных к фазному проводнику через разделительный конденсатор (не показанный на схеме) последовательно. Каждая из таких цепочек осуществляет сдвиг фазы на π/4, а точная подстройка проводится с помощью переменного резистора R. Два синусоидальных напряжения затем поступают на первый 18 и второй 19 компараторы - усилители-ограничители, форма выходных сигналов которых указана на рис.3 - буквами U и U соответственно. На основе алгебры логики легко понять, как с помощью схем совпадения 20 и 21 (типа 2И-Не) и инверторов 22 и 23 (типа Не) образуются необходимые сигналы управления на первом и втором выходах блока управления симисторами, представленные на рис.3 с буквами U и U соответственно.
Поскольку фазный проводник по отношению к нулевому имеет высокий потенциал, первый выход блока управления симисторами соединен с первым согласующим усилителем 11 (СУ-1) через оптрон 17, а второй выход блока подключен ко второму согласующему усилителю 12 (СУ-2) непосредственно.
H
H
СЧ,
СР
И
Регулировкой частоты f высокочастотном импульсном генераторе в диапазоне f=2…30 кГц изменяют частоту прерываний зарядного тока в накопительном конденсаторе 8 (С) и производят при заданной активной нагрузке 5 (R) учет израсходованной электроэнергии по показаниям амперметра и вольтметра за некоторое время ΔTи затем сравнивают эти результаты с показаниями индукционного электросчетчика, определяя разностную среднюю мощность ΔP(f) как функцию частоты прерываний зарядного тока. Как показала практика, расхождение величин энергии при прерывании тока и без такового может доходить до соотношения 1:4. Это означает, что с помощью заявляемого устройства можно на приборах учета типа СО-2М, СО-И646М и других осуществить либо замедление вращения диска, либо его останову при включенной активной нагрузке, либо реверсировать вращение диска (отмотка показаний) в зависимости от применяемой емкости накопительного конденсатора С при подборе частоты прерываний f зарядного тока.
Н
H
H
H
H
H
O
H
H
В оптимальном случае, то есть при правильном подборе частоты прерываний f* зарядного тока в накопительном конденсаторе С, неучтенная мощность при подключении активной нагрузки может составлять величину  Легко понять, что при выборе сопротивления активной нагрузки R счетчик будет остановлен, если емкость накопительного конденсатора 8 выбрать из условия , откуда получим: С=1/1,5RF=0,67/RF. Так, при неучитываемом потреблении электроэнергии мощностью P=2 кВт (диск счетчика не вращается) при действующем напряжении сети U=220 В и частоте сети F=50 Гц, сопротивление активной нагрузки равно  и емкость накопительного конденсатора должна быть выбрана равной С≈0,67/RF=0,67*/24,2*50=0,000554 Ф=554 мкФ.
Отметим, что накопительный конденсатор 5 должен допускать работу на переменном токе повышенной частоты и иметь рабочее напряжение около 400 В. На эти же обратные напряжения должны быть рассчитаны силовые транзисторы и симисторы.
При сегодняшнем состоянии потребительских (бытовых) электросетей более половины страны оснащено однофазными индукционными приборами учета электроэнергии, поэтому опасность хищения электроэнергии весьма велика, выражается в колоссальных коммерческих потерях. Поэтому стоит задача оценки ситуации и разработки новых более совершенных приборов учета, менее чувствительных или нечувствительных совсем к прерыванию зарядного тока в конденсаторных схемах для снижения показаний электросчетчиков при хищении электроэнергии.
Проверка чувствительности приборов учета электроэнергии осуществляется установкой накопительного конденсатора 8 емкостью, например, в 100 мкФ и подборе активной нагрузки 5 (мощный реостат) до полной остановки диска в индукционном приборе учета и регулировкой частоты f в высокочастотном импульсном генераторе 14, измеряемой электронным частотомером 15, при которой сопротивление резистора 5 не может быть уже снижено, если диск прибора учета остается неподвижным. По экспериментальным данным строится график, ориентировочный вид которого дан на рис.7.
При этом определяется диапазон частот прерываний зарядного тока в накопительном конденсаторе, в пределах которого электросчетчик наиболее уязвим с точки зрения возможности хищения электроэнергии.
Коммерческие потери электроэнергии, связанные с хищением, столь масштабны, что возникает потребность разработки эффективных мер защиты приборов учета электроэнергии от неконтролируемого и неучитываемого ее потребления. Меры по подъему тарифов на электроэнергию не могут быть признаны достаточными, но лишь могут привести к излишней и опасной социальной напряженности.
Литература
1. Меньших О.Ф., Способ борьбы с хищениями электроэнергии. Патент РФ №2208795, опубл. в №20 от 20.07.2003.
2. Меньших О.Ф., Способ борьбы с хищениями электроэнергии (Способ Меньших), Патент РФ №2308726, опубл. в №29 от 20.10.2007.
3. Меньших О.Ф., Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, Патент №2338217, опубл. №31 от 10.11.2008.
4. Меньших О.Ф., Способ проверки работоспособности электронного счетчика электроэнергии с двумя токовыми измерительными цепями и схема его осуществления, Патент №2344428, опубл. №02 от 20.01.2009.
Данные патентного поиска
DE 4235722 А, 14.04.1994
ЕР 0100694 А, 15.02.1984