Устройство для проверки правильности учёта электроэнергии приборами её учёта
DEVICE AS A VALIDITY CHECK ON ELECTRIC POWER METERING BY ITS METERING INSTRUMENTS

Изобретение относится к области измерительной электротехники и может быть использовано для оценки пригодности вновь разрабатываемых электросчетчиков от неконтролируемого отбора электроэнергии из энергетических электросетей.
Известны устройства для проверки электросчетчиков [1-24].
Ближайшим аналогом заявляемому техническому решению (прототипом) является «Устройство для проверки индукционных электросчетчиков» [24], содержащее в ветвях мостовой схемы накопительные конденсаторы одинаковой емкости, выводы которых с одной стороны подключены к фазному и нулевому проводникам сети (то есть к соответствующим выходным клеммам проверяемого электросчетчика), а с другой стороны к последовательно связанным тиристору разрядной цепи и дросселю, установленных в диагональной цепи мостовой схемы, отличающееся тем, что последовательно с двумя накопительными конденсаторами включены силовые диоды и тиристоры зарядных цепей, подключенные соответственно к нулевому и фазному проводникам сети, тиристоры зарядных цепей автоматически включаются за счет подключенных между анодом и управляющим электродом этих тиристоров резисторов и выключаются автоматически по мере заряда накопительных конденсаторов в конце первой четверти периодов сетевого напряжения, тиристор разрядной цепи в диагональной цепи мостовой схемы включается после полного заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы во второй четверти периодов напряжения сети с помощью устройства управления, состоящего из подключенной к диагонали мостовой схемы интегрирующей цепи из последовательно включенных регулируемого ограничивающего сопротивления и управляющего конденсатора, подключенного к первичной обмотке понижающего трансформатора через динистор, причем указанная первичная обмотка шунтирована диодом гашения экстратока, а одна из трех вторичных обмоток этого трансформатора подключена к переходу «управляющий электрод-катод» тиристора разрядной цепи мостовой схемы через низкоомный резистор, причем исключение автоматического включения тиристоров зарядных цепей при включении тиристора разрядной цепи достигается с помощью цепей, включающих подключенные к переходам «управляющий электрод-катод» тиристоров зарядных цепей последовательно связанные стабилитрон, дополнительную вторичную обмотку трансформатора и конденсатор связи, шунтированный разрядным резистором.
Недостатком известного устройства является снижение обратного отсчета показаний электросчетчика при разряде накопительных конденсаторов из-за снижения напряжения в момент разряда накопительных конденсаторов на фазном и нулевом выходных клеммах проверяемого электросчетчика на величину падения напряжения в дросселе разрядной цепи.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является повышение эффективности проводимой проверки за счет повышения напряжения на выходных клеммах проверяемого электросчетчика в момент разряда накопительных конденсаторов мостовой схемы.
KH
KH
1/2
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для проверки правильности учета электроэнергии приборами ее учета, содержащем мостовую схему из двух накопительных конденсаторов одинаковой емкости через пару последовательно включенных в ветвях мостовой схемы диода и тиристора, а также последовательно присоединенные к диагонали мостовой схемы дроссель и тиристор разрядной цепи, при этом тиристоры зарядных и разрядной цепей связаны со схемой управления их включением, обеспечивающей заряд накопительных конденсаторов в первой четверти каждого периода сетевого напряжения и разряд обратно в сеть в течение второй четверти периода сетевого напряжения, отличающемся тем, что параллельно дросселю разрядной цепи подключен конденсатор связи с катушкой напряжения проверяемого электросчетчика, емкость которого С* выбрана соответствующей условию резонанса напряжений на двойной частоте сети 2ω=1/(L С*), где ω=2πf - круговая частота сети (314 рад/сек), L - индуктивность катушки напряжения проверяемого электросчетчика, f=50 Гц - частота сети.
Достижение поставленной цели в заявляемом техническом решении объясняется беспотерьной передачей действующего суммарного напряжения на накопительных конденсаторах мостовой схемы в течение их разряда во второй четверти периода сетевого напряжения в фазовом диапазоне π/2≤ϕ(t)≤π для каждого из периодов сетевого напряжения, что увеличивает значение интеграла от произведения обратного тока разряда на напряжение, приложенное к катушке напряжения проверяемого электросчетчика в период времени разряда накопительных конденсаторов.
Принципиальная схема заявляемого устройства приведена на рис. 1 и отличается от схемы прототипа [24] включением параллельно дросселю конденсатора С* (позиция 24). Эта схема содержит следующие элементы:
1 и 2 - накопительные конденсаторы двух ветвей мостовой схемы,
3 и 4 - силовые диоды,
5 и 6 - тиристоры зарядных цепей мостовой схемы,
7 и 8 - включающие резисторы тиристоров зарядных цепей,
9 - дроссель, формирующий импульс разряда,
10 - сильноточный тиристор разрядной цепи мостовой схемы,
11 и 12 - постоянный и регулируемый резисторы интегрирующей цепи,
13 - управляющий конденсатор интегрирующей цепи,
14 - динистор,
15 - понижающий трансформатор с тремя раздельными вторичными обмотками,
16 - диод гашения экстратока первичной обмотки трансформатора,
17 и 18 - стабилитроны, анодами включенные к управляющим электродам тиристоров зарядных цепей мостовой схемы,
19 и 20 - разрядные резисторы в схемах удержания тиристоров зарядных цепей в закрытом состоянии во время разряда накопительных конденсаторов через открытый тиристор разрядной цепи мостовой схемы,
21 и 22 - конденсаторы связи,
23 - низкоомный резистор задержки включения тиристора разрядной цепи,
24 - конденсатор С* связи с катушкой напряжения проверяемого электросчетчика.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
1
2
В первую четверть каждого периода сетевого напряжения - в фазовом диапазоне 0≤ϕ(t)≤π/2 - осуществляется заряд накопительных конденсаторов 1 и 2 через диоды 3 и 4 и открывающиеся самостоятельно тиристоры 5 и 6 включенными между анодами и управляющими электродами этих тиристоров сопротивлений 7 и 8. При этом тиристоры самостоятельно закрываются по мере снижения тока заряда накопительных конденсаторов 1 и 2 до пороговых величин, при которых тиристоры оказываются не проводящими по их переходу «анод-катод». Одновременно с этим начинает заряжаться управляющий конденсатор 13 интегрирующей цепи от суммарного напряжения, действующего в накопительных конденсаторах. Времязадающими резисторами 11 и 12 интегритующей цепи определяется момент достижения на конденсаторе 13 напряжения пробоя динистора 14, при котором происходит разряд энергии конденсатора 13 через первичнуо обмотку трансформатора 15. Момент начала разряда конденсатора 13 на трансформатор 15 через динистор 14 подбирают по фазе ϕ сетевого напряжения внутри второй четверти периода вблизи к фазе π/2. В средней на рис. 1 вторичной обмотке этого трансформатора образуется импульс, которым открывается тиристор 10 разрядной цепи мостовой схемы, и накопительные конденсаторы 1 и 2, включенные открытым тиристором 10 последовательно, разряжаются обратно в сеть, что вызывает реверсный отсчет энергии в проверяемом электросчетчике. При этом тиристоры 5 и 6 зарядных цепей оказываются надежно запертыми, для чего используются две другие вторичные обмотки, импульсы с которых через стабилитроны 17 и 18 и конденсаторы связи 21 и 22 подают отрицательный потенциал на управляющие электроды тиристоров 5 и 6. При этом сопротивления 19 и 20, включенные параллельно конденсаторам связи 21 и 22, сохраняют на заданное время отрицательный потенциал на управляющих электродах тиристоров 5 и 6 в течение времени разряда накопительных конденсаторов 1 и 2. Диод 16 гасит экстраток в первичной обмотке трансформатора 15, а резистор 23 ограничивает управляющий ток открытого тиристора 10.
Поскольку интеграл от произведения тока заряда на напряжение сети в функции времени за время заряда накопительных конденсаторов в первой четверти периода оказывается меньше интеграла от произведения тока разряда на начальное ДВОЙНОЕ амплитудное значение напряжения сети в функции времени за время разряда накопительных конденсаторов, происходит реверсный учет электроэнергии. При этом диск индукционного электросчетчика без стопора обратного хода вращается в обратном направлении (это так называемый режим отмотки показаний), а при использовании цифровых электросчетчиков и индукционных счетчиков со стопором обратного хода при включении полезной нагрузки происходит неправильный учет израсходованной энергии - диск индукционного счетчика не вращается, если нагрузка мала или вращается медленнее, чем необходимо при большой нагрузке. То же происходит с отсчетом энергии в цифровых электросчетчиках: отсчет либо не происходит, либо происходит медленнее необходимого.
Использование такого рода устройств физическими лицами или на промышленных объектах может нанести существенный вред энергоснабжающим организациям и в целом экономике страны, если такое «энергосбережение» примет массовый характер с целью ухода от полной оплаты израсходованной энергии. Возникнет серьезная перегрузка на трансформаторных подстанциях, перегрев их трансформаторов, снижение напряжения у потребителей из-за увеличенных потерь в линии электропередачи. Экономика страны будет терять сотни миллиардов рублей ежегодно. Поэтому, чтобы исключить хищение электроэнергии под видом «энергосбережения», необходимо разработать новые электросчетчики, не чувствительные к отмотке или замедлению отсчета показаний расходуемой электроэнергии, и данное эффективно работающее устройство предназначено для проверки работы таких приборов учета электроэнергии.
KH
К
KH
Р
Н
Н
ДР
К
KH
ДР
Р
Н
ДР
H
Л
ДР
СЧ
РАЗ
Л
ДР
СЧ
РАЗ
H
Н
Н
РАЗ
РАЗ
Н
Н
O
ЗAР
ОТМ
ЗAР
1/2
1/2
2
Повышение эффективности проверяющего счетчики устройства достигнуто в прототипе использованием дросселя 9, расширяющего по времени импульс разряда в пределе до величины 5 мс во второй четверти периода. Однако на этом дросселе падает напряжение в динамике разряда накопительных конденсаторов 1 и 2, то есть снижается напряжение, прикладываемое к выходным клеммам проверяемого электросчетчика, следовательно, и к его катушке напряжения. Это, в свою очередь, уменьшает величину интеграла от произведения тока разряда на напряжение в катушке напряжения, то есть снижает эффективность такого устройства. С целью исключения такого снижения напряжения при разряде, в заявляемом техническом решении применяется конденсатор 24, включенный параллельно дросселю 9. Величина С* конденсатора 24 связи с катушкой напряжения проверяемого электросчетчика с ее индуктивностью L образует последовательный колебательный контур с резонансной круговой частотой ω=1/(L С*). При этом важно указать, что емкость последовательно включенных при разряде накопительных конденсаторов С=С/2, где С - емкость накопительного конденсатора, и индуктивность L дросселя 9 практически не должны влиять на значение резонансной частоты ω, поскольку соблюдаются неравенства L>>L и С>>С*. Чтобы накопительные конденсаторы успели разрядиться за время не более 5 мс (во второй четверти периода) при заданном значении емкости накопительного конденсатора С (отвечающего за энергетику устройства), необходимо соблюсти условие π(L C)≤5 мс при соблюдении также условия, что сопротивления линии электропередачи r, дросселя 9 r и токовой обмотки электросчетчика r в сумме образуют сопротивление разрядной цепи (пренебрегая сопротивлением открытого тиристора 10 и внутренних сопротивлений накопительных конденсаторов 1 и 2), r = r + r + r определяет постоянную времени разрядной цепи τ=r С/2 по условию 2,2 τ≤5 мс. Тогда предельно допустимое значение емкости С выбирается по условию Мах С≤0,005/1,1 r. Так, если r=0,5 Ом, то Мах С=0,0091 Ф=9100 мкФ. При этом полная энергия заряда накопительных конденсаторов ограничивается величиной Max W=С U=820 Дж с мощностью заряда до Р=Wf=40 кВт. Как было показано в работе [24], превышение интеграла разряда над интегралом заряда в 1,575 раза означает, что мощность отмотки составляет в пределе Р=0,575 Р=23 кВт. Если предприятие потребляет всего электроэнергии в среднем около 60 кВт, то так называемая «экономия энергосбережением» составит около 40% недоплаты энергоснабжающей организации. А последняя при этом не сможет обнаружить недостачу иначе как проанализировав полную схему «энергосберегающей» системы с установлением возможной ее подделки, которую предприятие скрывает под видом неосуществимого преобразования, например, энергии гармоник, возникающих от действия нелинейных нагрузок у потребителя, в активную составляющую энергии и компенсации реактивных токов от действия двигателей переменного тока.
Н
ДР
KH
ДР
Н
СР
Н
В указанном предельном по мощности случае (когда С=9100 мкФ) индуктивность дросселя 9 должна быть равна L≤0,175 Гн. Если индуктивность катушки счетчика принять равной L=1 Гн>>L, то конденсатор связи С*≤2,5 мкФ << С. В таком устройстве средний ток заряда, так же как и средний ток разряда, составляет I=40 кВт//220 В=182 А. Накопительные конденсаторы могут быть составлены из двух параллельно соединенных импортных конденсаторов емкостью 4700 мкФ на рабочее напряжение 450 В. Конденсатор С может быть составлен из девяносто одного импульсного конденсатора типа К75-17 емкостью 100 мкФ на рабочее напряжение 750 В, выпускаемых нашей промышленностью.
Заявляемое устройство призвано защитить экономику страны от неконтролируемого хищения электроэнергии физическими лицами и промышленными предприятиями путем повсеместной замены существующих электросчетчиков - индукционных и цифровых (электронных) вновь разрабатываемыми, например такими, как рассмотрено в работах автора [25, 26]. Основная идея создания таких электросчетчиков состоит в учете только одной полуволны переменного тока с использованием диода в цепи измерения, что не допускает учет энергии, возвращаемой обратно в сеть заявляемым устройством. А результат отсчета в таком приборе учета затем следует удваивать.
Переоснащение всех потребителей электроэнергии новыми электросчетчиками потребует значительных вложений на их разработку, выпуск и установку пользователям электроэнергии, однако со временем это окупит потери, которые могут быть созданы так называемыми «энергосберегающими» системами хищения электроэнергии.
Литература
1. Меньших О.Ф. Устройство проверки электросчетчиков активной энергии, Патент РФ №2455523, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2012;
2. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2474825, опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013;
3. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности трехфазных цифровых приборов учета электроэнергии, Патент РФ №2474833, опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013;
4. Меньших О.Ф. Схема контроля чувствительности трехфазных электронных приборов учета электроэнергии, Патент РФ №2474834, опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013;
5. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности индукционных приборов учета электроэнергии к частотной модуляции рабочего тока, Патент РФ №2474826, опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013;
6. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2498323, опубл. в бюлл. №31 от 10.11.2013;
7. Меньших О.Ф. Мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, Патент РФ №2522706, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2014;
8. Меньших О.Ф. Прибор для контроля электросчетчиков, Патент РФ №2521827, опубл. в бюлл. №19 от 10.07.14;
9. Меньших О.Ф. Схема для проверки индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2517757, опубл. в бюлл. №15 от 27.06.2014;
10. Меньших О.Ф. Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии, Патент РФ №2521307, опубл. в бюлл. №18 от 27.06.2014;
11. Меньших О.Ф. Устройство для проверки правильного учета электроэнергии, Патент РФ №2523783, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2014;
12. Меньших О.Ф. Схема контроля индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2521763, опубл. в бюлл. №18 от 10.06.2014;
13. Меньших О.Ф. Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2523109, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2014;
14. Меньших О.Ф. Устройство проверки индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2532861, опубл. в бюлл. №31 от 10.11.2014;
15. Меньших О.Ф. Устройство для проверки электросчетчиков, Патент РФ №2577551, опубл. в бюлл. №8 от 20.03.2016;
16. Меньших О.Ф. Устройство управления тиристорами мостовой схемы прибора для проверки электросчетчиков, Патент РФ №2579529, опубл. в бюлл. №10 от 10.04.20.;
17. Меньших О.Ф. Устройство управления симисторами мостовой схемы для проверки учета электроэнергии индукционными электросчетчиками, Патент РФ №2582881, опубл. в бюлл. №12 от 27.04.2016;
18. Меньших О.Ф. Однополупериодная схема для испытания электросчетчиков на отбор электроэнергии, Патент РФ №2581185, опубл. в бюлл. №11 от 20.04.2016;
19. Меньших О.Ф. Двухполупериодная схема для испытаний электросчетчиков на отбор электроэнергии, Патент РФ №2581186, опубл.в бюлл. №11 от 20.04.2016;
20. Меньших О.Ф. Схема управления тиристором мостового устройства оценки пригодности индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2573700, опубл. в бюлл. №3 от 27,01,2016;
21. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2589940, опубл. в бюлл. №19 от 10.07.2016;
22. Устройство для проверки вновь разрабатываемых электросчетчиков, Патент РФ №2596626, опубл. в бюлл. №25 от 10.09.2016;
23. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2598772, опубл. в бюлл. №27 от 27.09.2016 (прототип);
24. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2598773, опубл. в бюлл. №27 от 27.09.2016;
25. Меньших О.Ф., Устройство учета электроэнергии, Патент РФ №2521767, опубл. в бюлл. №19 от 10.07.2014;
26. Меньших О.Ф. Схема защиты индукционных электросчетчиков, Патент РФ №2521163, опубл. в бюлл. №18 от 27.06.2014.
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