УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОГО УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
DEVICE FOR ELECTRICITY METERING VERIFICATION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для проверки чувствительности индукционных электросчетчиков с вращающимися дисками к реверсированию последних под действием включенной в сеть после электросчетчика несимметричной для положительного и отрицательного полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки.
Известно, что индукционные электросчетчики содержат в своем составе перемножитель мгновенного значения протекающего через его низкоомную токовую обмотку тока нагрузки на действующее в высокоомной обмотке мгновенное значение напряжения сети, что реализуется действием соответствующих магнитных полей на вращающийся магнитомягкий диск, и при этом вращательный момент, прикладываемый к диску, пропорционален мгновенному значению произведений этих магнитных полей, то есть произведению мгновенных значений тока на напряжение в указанных обмотках, а подсчет электроэнергии определяется числом оборотов диска, что эквивалентно операции интегрирования мгновенных значений указанных произведений во времени.
1
2
При активной нагрузке форма токов и напряжений является синусоидальной, при этом максимум тока в активной нагрузке соответствует максимуму напряжения, то есть пиковые значения произведений тока на напряжение соответствуют фазам сетевого напряжения φ*=-π/2 и φ*=π/2, причем оба этих произведения для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения всегда положительны, что создает вращательный момент одного знака, и диск вращается в одном и том же направлении, то есть без признаков реверса.
С
С
o
o
С другой стороны, известно, что при подключении к сети чисто емкостной нагрузки (конденсатора без потерь) диск электросчетчика остается в неподвижном состоянии, хотя в цепи протекает электрический ток, величина которого i(t) определяется номиналом емкости С включенного конденсатора по формуле i(t)=U sin ωt·jωС, где U - амплитудное значение напряжения сети, ω - круговая частота сетевого напряжения, j - мнимая единица, указывающая на то, что фазы мгновенных значений тока в конденсаторе и напряжения на его обкладках отличаются на постоянную во времени разность Δφ=π/2. При этом в проводниках сети и, следовательно, через электросчетчик циркулирует электрическая энергия с двойной частотой 2F=ω/π, а вращательный момент, приложенный к диску счетчика, испытывает переменнозначные осцилляции с этой двойной частотой с результирующим вращательным моментом, равным нулю, и диск электросчетчика не вращается.
Для оценки влияния несимметричной для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки на способность реверсирования вращающегося диска в индукционном электросчетчике следует создать такую нагрузку, что и является объектом заявляемого технического решения.
Аналогом (прототипом) заявляемого устройства является «Устройство проверки электросчетчиков активной энергии» по Патенту РФ №2456623, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2012 [5], содержащее накопительный конденсатор, заряд которого осуществляется через силовые транзисторы в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения с высокочастотной импульсной модуляцией зарядного тока, а разряд осуществляется обратно в сеть плавно (без модуляции разрядного тока) во второй и четвертой частях периодов сетевого напряжения.
К недостатку прототипа можно отнести значительную сложность блока управления силовых тиристоров.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является упрощение устройства и создание несимметричной для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки, в результате которой можно исследовать чувствительность индукционных электросчетчиков к реверсу их вращающихся дисков.
Указанная цель достигается в устройстве для проверки правильного учета электроэнергии, включаемом после исследуемого индукционного электросчетчика, например, в розетку пользователя и содержащем накопительный конденсатор и силовой транзистор, управляемый от импульсного высокочастотного генератора с регулируемой частотой следования импульсов в диапазоне 1…5 кГц, отличающемся тем, что цепь заряда накопительного конденсатора постоянным током при отрицательных полуволнах сетевого напряжения включает повышающий высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого соединена последовательно к сети через силовой транзистор, а вторичная связана с накопительным конденсатором через высоковольтный диод, управляющий переход «база-эмиттер» силового транзистора трансформаторно связан через первый ограничивающий резистор с понижающим высокочастотным импульсным генератором с регулируемой частотой прерываний зарядного тока накопительного конденсатора в диапазоне 1…5 кГц, а цепь разряда накопительного конденсатора обратно в сеть включает последовательно соединенные с накопительным конденсатором катушку индуктивности и силовой тиристор, включение которого при положительных полуволнах сетевого напряжения осуществлено с понижающей обмотки низкочастотного трансформатора, включенного в электрическую сеть, через последовательно связанные диод включения силового тиристора и второй ограничивающий резистор.
РАЗР
1/2
Достижение поставленной цели изобретения объясняется тем, что для получения отмотки или остановки счетчиков рассматриваемого типа (при включенной активной нагрузке) стали использовать электронные устройства, включаемые непосредственно в розетку абонента (внутри его дома), которые модулируют ток фазы на повышенной частоте (1...5 кГц), что существенно снижает темп правильного учета при отрицательных полупериодах сетевого напряжения при одновременном заряде этим током накопительного конденсатора с повышенным напряжением по сравнению с сетевым, а накопительный конденсатор затем плавно разряжают обратно в сеть при положительных полупериодах сетевого напряжения. Разряд накопительного конденсатора затягивается во времени использованием в разрядной цепи катушки индуктивности 9, которая вместе с емкостью накопительного конденсатора 4 образует линию задержки с постоянной времени τ=(LC)/2,3.
Самым примитивным способом хищения, особенно в сельской местности и в садоводческих товариществах, является так называемый переброс фазного и нулевого проводников ввода у изоляторов ответвления от воздушной линии (ВЛ-0,4 кВ) при полностью опломбированном счетчике абонента и с применением скрытого заземляющего устройства. Борьба с этим способом хищения электроэнергии сводится к опломбированию фазного или нулевого проводников ввода, выполненного цельным кабелем, с ответвлением от ВЛ-0,4 кВ у изоляторов, закрепленных на фронтоне дома или трубостойке [1-2]. По проведенным оценкам применение этого способа борьбы с хищениями электроэнергии в масштабах страны при действующих тарифах способно привести к экономии до тридцати…пятидесяти миллиардов рублей ежегодно при минимальных одноразовых затратах на такое опломбирование в порядке текущей эксплуатации энергоснабжающими организациями на местах. Против повсеместного внедрения этого способа выступают чиновники от Министерства энергетики, указывающие со ссылкой на несовершенство наших законов, в силу которых абонент не должен отвечать за целостность такой пломбировки, поскольку она находится вне пределов его жилища, хотя и на его участке, к тому же в труднодоступном месте. Да и закон подправить вполне возможно. Для новых построек теперь стали применять вынесенные на опору электропередачи электросчетчики, установленные в защищенных металлических опломбированных корпусах. Однако, во-первых, это противоречит указанным чиновниками от электроэнергетики «доводам» о безответственности абонента за целостность пломбировки вынесенного за пределы его жилища электросчетчика, да и не только пломбировки, но и целостности самого прибора учета электроэнергии. Во-вторых, эта мера касается только нового строительства, а в стране находится огромное множество абонентов со старыми приборами учета электроэнергии, в том числе с индукционными счетчиками с вращающимися дисками (типа СО-2М), которые можно реверсировать на «отмотку» показаний с применением автотрансформаторной схемы, подключенной к фазному вводу до электросчетчика (метод наброса). Для целей отмотки или остановки счетчиков этого типа (при включенной активной нагрузке) стали использовать электронные устройства, включаемые непосредственно в розетку абонента (внутри его дома), которые модулируют ток фазы на повышенной частоте (1…5 кГц).
Против хищения электроэнергии на основе переброса фазного и нулевого проводников на вводе были разработаны приборы учета с двумя токовыми датчиками, установленными как в фазной, так и в нулевой цепях [3-4]. Затем стали внедрять цифровые электросчетчики активной энергии - однофазные типа СЕ-200 и трехфазные типа ЦЭ6803 В, не допускающие принципиально отмотку их показаний. Однако эти новшества привели к разработке новых электронных устройств хищения электроэнергии, которые подключаются в обычную электрическую розетку без какого-либо нарушения пломбировки прибора учета, без переброса фазного и нулевого проводников и без использования встроенного заземления [5].
Схема заявляемого устройства приведена на рис.1 и включает:
1 - силовой транзистор, например, n-р-n - типа,
2 - повышающий высокочастотный трансформатор, например, ферритовый,
3 - высоковольтный диод,
4 - накопительный конденсатор С, например, импульсный типа К75-1,
5 - высокочастотный импульсный генератор (ИГ) с регулируемой частотой следования импульсов со скважностью, равной двум, в диапазоне 1…5 кГц,
6 - понижающий высокочастотный трансформатор, например, ферритовый,
7 - первый ограничивающий резистор,
8 - вторичный источник питания (ВИП) для работы импульсного генератора 5,
9 - катушку индуктивности L, входящую в состав LC-линии задержки,
10 - силовой тиристор,
11 - понижающий низкочастотный трансформатор для управления силовым тиристором,
12 - второй ограничивающий резистор,
13 - диод включения силового тиристора 10.
На рис.2 представлены временные диаграммы сетевого напряжения (рис.2а) и напряжения заряд-разряда накопительного конденсатора 4 (рис.2б), а также тока в фазном проводнике электросети (рис.2в).
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
C
MAX
o
2
1
o
C MAX
o
ЗАР
ЗАР
лин
лин
лин
ЗАР
C MAX
o
o
ЗАР
2
2
-4
2
-4
2
В течение действия отрицательных полуволн напряжения сети (левая часть графика на рис.2а) происходит прерывистый, с частотой 1…5 кГц, заряд накопительного конденсатора 4 с вторичной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора 2 через высоковольтный диод 3 при соответствующем подключении обмоток этого трансформатора (автотрансформатора). Прерывание зарядного тока осуществляется силовым транзистором 1, на управляющий вход которого непрерывно во времени действуют импульсные сигналы от высокочастотного импульсного генератора 5 через понижающий высокочастотный трансформатор 6 и первый ограничивающий резистор 7. Питание импульсного генератора 5 производится от подключенного к сети вторичного источника питания 8. Заряд накопительного конденсатора 4 импульсами одинаковой полярности происходит в течение времени первой четверти периода, то есть в период времени от - Т/2 до - Т/4, а во второй четверти периода напряжение на накопительном конденсаторе сохраняется неизменным, если напряжение на нем к моменту времени t=-Т/4 достигает наибольшего возможного уровня U=k U, где k=w/w - коэффициент трансформации как соотношение числа витков вторичной и первичной обмоток повышающего высокочастотного трансформатора 2, U - амплитуда сетевого напряжения, равная 310 В при действующем напряжении сети в 220 В. Для выполнения этого условия, когда при k=2 имеем равенство U - 2 U (как показано на рис.2б), необходимо выполнить следующее условие τ<< Т/8 при скважности следования импульсов, равной двум, где τ=k r С - постоянная времени зарядной цепи накопительного конденсатора, r - активное сопротивление линии заряда, включающей сопротивление линии электропередачи (порядка 0,1 Ом), открытого силового транзистора 1 и вторичной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора 2. Так, если сумма этих сопротивлений зарядной цепи составляет, например, k r=5 Ом, то при С=100 мкФ для величины постоянной времени цепи заряда имеем τ=5·10 с=0,5 мс << Т/8=2,5 мс при частоте сетевого напряжения F==1/Т=50 Гц, если скважность следования импульсов равна q=2. Таким образом, при указанных исходных данных выполняется равенство U = 2 U=620 В. При этом энергия заряда накопительного конденсатора 4 составляет W=2 С U =2·10·310=19,22 Дж, а мощность заряда при F=50 Гц равна Р=W F=19,22·50=961 Вт.
Поскольку заряд накопительного конденсатора 4 осуществляется прерывисто на повышенной частоте (в диапазоне 1…5 кГц), то, как известно, индукционные электросчетчики при этом учитывают только до 25% энергии, реально потребляемой в нагрузке, то есть из потребляемой при заряде мощности в 961 Вт учитывается счетчиком только мощность 240 Вт, а мощность 961-240=721 Вт не учитывается.
1
В течение действия положительных полупериодов сетевого напряжения (правая часть графика на рис.2а) накопительный конденсатор разряжается обратно в сеть, то есть против направления фазного тока в какой-либо активной нагрузке, подключаемой параллельно к сети. Разряд начинается с небольшой задержкой во времени относительно момента t=0, то есть при фазе Δφ(см.рис.2б), когда открывается силовой тиристор 10 по сигналу, формируемому понижающим низкочастотным трансформатором 11 (автотрансформатором) через второй ограничивающий резистор 12 и диод 13 включения силового тиристора 10 при соответствующем включении обмоток трансформатора 11.
C
СЕТИ
2
ну
т
(
≤π
Поскольку в эту часть периода к электросчетчику приложено напряжение положительной полярности, как это видно на рис.2б, а ток при этом не втекает через счетчик, а вытекает через него обратно в сеть, так как u(t)>u(t)вечение периода времени, ограниченного фазами Δφ≤φt)/2 - Δφ, то есть считается отрицательным (рис.2в), то произведение тока на напряжение - эквивалент мощности, учитываемой электросчетчиком, также отрицательно, что вызывает реверс вращения диска электросчетчика (отмотку показаний). При этом разряд является плавным, то есть без прерываний, следовательно, электросчетчик будет уменьшать свои показания с величиной мощности, определяемой частотой сети и энергией заряженного накопительного конденсатора 4. Для рассмотренного выше примера реализации устройства эта мощность (мощность отмотки) составляет 721 Вт. При непрерывной работе этого устройства в течение одного месяца величина неучтенной электроэнергии индукционным электросчетчиком составит W=0,721·24·30=519 кВт·час для одного пользователя. Следовательно, использование заявляемого устройства в целях хищения электроэнергии может нанести огромный вред энергоснабжающим организациям, что побуждает к отказу от применения индукционных счетчиков старого типа (типа СО-2, СО-2М, СО-И646М и других) и к разработке новых электросчетчиков [6], работу которых следует проверять с помощью заявляемого устройства.
2
~5
-4
2
РАЗР
РАД
Для затягивания во времени разряда накопительного конденсатора 4 и соответственно снижения импульсного тока разряда в схеме используется катушка индуктивности 9 с индуктивностью L, величина которой рассчитывается по формуле L=τ/С, где τ=2,3·τ - время задержки в LC-линии задержки. Полагая величину τ=4 мс, получим для L=1,6·10 /10=0,16 Гн=160 мГн. Катушка индуктивности выполняется медным проводником с достаточно большой величиной сечения для снижения активного сопротивления этой катушки. Накопительный конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение порядка 1 кВ, например, типа К75-1 100 мкФ 1000 В. Трансформаторы 2 и 6 выполняются на ферритовых сердечниках марки М2000НМ-1, а трансформатор 11 имеет обычный железный сердечник. Высоковольтный диод должен иметь обратное напряжение порядка 1 кВ и допускать импульсный ток до 7,5 А, например, типа ДЛ212-16 с радиатором охлаждения. Силовой транзистор 1 должен допускать импульсный ток до 15 А и может быть выбран типа КТ8114А с радиатором охлаждения и с допустимым обратным напряжением не менее 700 В. Силовой тиристор 10 также должен допускать импульсный ток не менее 5 А и может быть типа Т112-16-11 класса не ниже 8-го с радиатором охлаждения. Мощность рассеивания радиаторов охлаждения силового транзистора 1 должна рассчитываться на величину порядка 15 Вт (площадь поверхности таких радиаторов без принудительного охлаждения должна быть не менее S - 300 см).
На рис.2в приведен график фазного тока, проходящего через электросчетчик. Видно, что в первой четверти периода сетевого напряжения ток заряда накопительного конденсатора имеет импульсный характер, его амплитудные значения возрастают, достигают максимума при φ*=-π/2+л/8=- 3 π/8, а затем снова уменьшается до нуля при значении фазы φ=-π/4. Действие индуктивности L приводит к затягиванию разрядного тока. После автоматического закрытия силового тиристора 10 при малом его токе разряда и малом управляющем напряжении (не равном нулю) фазный ток весьма незначительной величины меняет направление на противоположное, что, однако, не влияет практически на картину отмотки показаний электросчетчика (влияние не более 2%). При этом месячные потери от непрерывного включения устройства в розетку сети составляют 500 кВт·час за каждый один месяц. Годовые потери при этом составляют 6 МВт·час (недоплата за электроэнергию около 15000 рублей в год по каждому пользователю-расхитителю).
Электросчетчики старого типа (СО-2М, СО-И646М и другие) до сих пор широко распространены по всей стране. Статистический анализ энергопотребления по России показывает, что при полном годовом расходе электроэнергии в один триллион кВт·час около 10% составляют неконтролируемые потери. Если считать, что 1/3 населения проживает в сельских местностях, где, как правило, используются индукционные счетчики старого типа, и 2/3 городского населения также преимущественно снабжены этими электросчетчиками, то масштаб возможного хищения электроэнергии при дополнительном использовании устройства, аналогичного заявляемому, может привести к катастрофическому результату для энергосистемы страны. Это обстоятельство вынуждает к замене таких счетчиков новыми разработками, которые следует проверять с помощью заявляемого устройства.
Заявляемое устройство предназначено для практической работы специалистов, разрабатывающих новые типы приборов учета электроэнергии.
Литература
1. Меньших О.Ф., Способ борьбы с хищениями электроэнергии, Патент РФ №2208795, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2003.
2. Меньших О.Ф., Способ борьбы с хищениями электроэнергии (способ Меньших), Патент РФ №2308726, опубл. в бюлл. №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 РФ №2338217, опубл. в бюлл. №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 РФ №2344428, опубл. в бюлл. №02 от 20.01.2009.
5. Меньших О.Ф., Устройство проверки электросчетчиков активной энергии, Патент РФ №2456623, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2012.
6. Меньших О.Ф., Способ учета электроэнергии и устройство для его осуществления, Заявка на предполагаемое изобретение №2012157071/28 (090066) с приоритетом от 25.12.2012.
Данные патентного поиска
RU 2456623 С1, 20.07.2012; RU 2344428 С1, 20.01.2009; RU 2338217 С1, 10.11.2008
RU 2308726 С1, 20.10.2007; RU 2190859 С2, 10.10.2002; RU 2181894 С1, 27.04.2002
RU 2178892 С2, 27.01.2002; SU 1781628 А1, 15.12.1992; RU 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