УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ ПРИБОРОВ УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ К ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ РАБОЧЕГО ТОКА
DEVICE TO INSPECT SENSITIVITY OF INDUCATION DEVICES OF POWER METERING TO FREQUENCY MODULATION OF WORKING CURRENT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при испытаниях однофазных индукционных электросчетчиков, в частности, при проверке погрешности отсчета расходуемой электроэнергии при прерывании рабочего тока на повышенной частоте, во много раз превышающей частоту энергоснабжающей сети.
Известно, что чувствительность и точность их работы на используемой промышленной частоте 50 Гц достаточно высокие, 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 ввода 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 можно 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 емкостной 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 [5]. Величина неучитываемой электроэнергии в этом случае определяется параметрами емкостного накопителя и частотой прерываний тока в первой и третьей четвертях периода сетевого напряжения. Последнее обстоятельство и является объектом исследования в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является оценка погрешности правильного учета потребляемой электроэнергии однофазными индукционными электросчетчиками как функции частоты прерываний тока в нагрузке.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для проверки чувствительности индукционных приборов учета электроэнергии к частотной модуляции рабочего тока, содержащем подключенный к воздушной линии ВЛ-0,4 кВ через ввод однофазный прибор учета электроэнергии, подключенный своим выходом через предохранитель-автомат, установленный в его фазной цепи, к регулируемой активной нагрузке, отличающимся тем, что регулируемая активная нагрузка подключена к нулевой шине прибора учета и выходу предохранителя-автомата через силовой диод, параллельно регулируемой активной нагрузке подсоединена цепь из последовательно соединенных силового n-p-n-транзистора и накопительного конденсатора, параллельно накопительному конденсатору включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора инерционного звена, а также стабилитрона, параллельно конденсатору инерционного звена включена первичная обмотка разделительного трансформатора через стабистор, вторичная обмотка разделительного трансформатора подключена между управляющим электродом и катодом силового тиристора, анод которого соединен с положительным электродом накопительного конденсатора и эмиттером силового n-p-n-транзистора, а катод - с анодом силового диода и выходом предохранителя-автомата, причем управляющая цепь силового транзистора подключена к выходу импульсного генератора с регулируемой частотой следования импульсов в форме меандра через высокочастотный (ферритовый) трансформатор.
Достижение указанной цели объясняется высокочастотным зарядом накопительного конденсатора в первой четверти периода сетевого напряжения через управляемый силовой транзистор и непрерывным экспоненциальным разрядом накопительного конденсатора через силовой тиристор обратно в электросеть во вторую четверть положительной полуволны переменного напряжения сети при открытии силового тиристора с помощью сигнала, формируемого в инерционной цепи, стабистора и разделительного трансформатора, инвертирующего полярность управляющего сигнала и возникающего в момент времени, соответствующий началу второй четверти периода сетевого напряжения, что достигается соответствующим выбором элементов инерционного звена и напряжениями пробоя стабилитрона и стабистора, а также коэффициентом трансформации разделительного трансформатора. Устройство работает в однополупериодном режиме, что обусловлено использованием силового диода. Подбором частоты следования импульсов, управляющих работой силового транзистора в ключевом режиме, совместно с подбором величины сопротивления регулируемой активной нагрузки убеждаются в возможности остановки отсчета электроэнергии индукционным прибором учета (при неподвижном диске последнего). При этом определяют то значение частоты следования импульсов, при котором ток в регулируемой активной нагрузке достигает максимальной величины при неподвижном диске электросчетчика. По данным измерений строят характеристику зависимости максимального среднего тока в регулируемой активной нагрузке от значения емкости накопительного конденсатора при оптимальном значении частоты управляющих прерыванием зарядного тока импульсов, вырабатываемых в импульсном генераторе с регулируемой частотой следования импульсов в форме меандра (когда длительность импульсов равна половине их периода следования) и при условии, что отсчета электроэнергии в приборе учета не происходит.
Изобретение понятно из прилагаемых рисунков.
На рис.1 изображена схема заявляемого устройства (обведено пунктиром) совместно с прибором учета электроэнергии, соединенным вводом к воздушной линии ВЛ-0,4 кВ, предохранителем-автоматом в фазной цепи последнего и регулируемой активной нагрузкой. Схема включает следующие элементы и узлы:
1 - однофазный индукционный прибор учета электроэнергии,
2 - предохранитель-автомат в фазной цепи прибора учета 1,
H
3 - регулируемая активная нагрузка (например, силовой реостат), обозначена как R,
4 - силовой диод, анодом включенный к фазному выходу предохранителя-автомата 2,
5 - силовой транзистор n-p-n-типа, коллектор которого включен к катоду силового диода,
H
6 - накопительный конденсатор с емкостью С с рабочим напряжением не менее 400 В,
7 - силовой тиристор, используемый для разряда накопительного конденсатора 6,
C1
8 - стабилитрон с напряжением пробоя U,
ИЗ
9 - резистор инерционного звена величиной R,
ИЗ
10 - конденсатор инерционного звена с емкостью С,
С2
11 - стабистор с напряжением пробоя U,
12 - разделительный трансформатор (инвертирующий полярность управляющего сигнала силового тиристора 7), начала обмоток помечены квадратиками,
13 - импульсный генератор с регулируемой частотой следования F импульсов в форме меандра, длительность импульсов τ=1/2 F,
14 - высокочастотный трансформатор (например, с ферритовым сердечником).
≈
На рис.2 дан график переменного напряжения U электросети с периодом Т.
C
H
На рис.3 приведен график напряжения U на накопительном конденсаторе С.
C
C
R
На рис.4 дан график суммарного тока, протекающего через токовую обмотку прибора учета электроэнергии 1 с учетом зарядного тока I и разрядного тока I* в накопительном конденсаторе 6 и тока I в регулируемой активной нагрузке 3.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Устройство работает от положительных по полярности полуволн сетевого напряжения - в однополупериодном режиме - вследствие применения силового диода 4.
C
C
В первой четверти каждого периода сетевого напряжения происходит заряд накопительного конденсатора 6 по цепи: силовой диод 4 и силовой транзистор 5, работающий в ключевом режиме под управлением импульсного генератора 13 с регулируемой частотой F следования импульсов в форме меандра. Энергия заряда W в накопительном конденсаторе может доходить в пределе до величины , где U - действующее напряжение электросети (например, U=220 В), когда постоянная времени зарядной цепи существенно мала по сравнению с длительностью Т/4=5 мс. При этом сопротивление зарядной цепи складывается из сопротивления линии передачи электроэнергии и сопротивлений открытых силового диода 4 и силового транзистора 5 (см. рис.2).
Во второй четверти каждого периода сетевого напряжения происходит разряд накопительного конденсатора 6 через открытый силовой тиристор 7 по экспоненциальному закону (см. рис.2) с постоянной времени, не большей постоянной времени цепи заряда.
Силовые диод 4, транзистор 5 и тиристор 7 должны быть рассчитаны на импульсные токи заряд-разряда, которые возникают в соответствующих цепях во времени. Обратные напряжения в этих силовых элементах должны быть больше амплитуды сетевого напряжения (например, не менее 400 В для сети с действующим напряжением 220 В).
ИЗ
ИЗ
С1
С2
ИЗ
C
Рассмотрим работу схемы формирования управляющего импульса открывания силового тиристора 7. Она включает инерционное звено из последовательно соединенных резистора 9 инерционного звена R и конденсатора 10 инерционного звена С, а также стабилитрон 8 с напряжением пробоя U, величину которого выбирают как некоторую часть амплитудного напряжения сети, например, в диапазоне 120…180 В. По мере достижения напряжения на конденсаторе инерционного звена 10 напряжения пробоя U в стабисторе 11 возникает разряд конденсатора С через стабистор 11 и первичную обмотку разделительного трансформатора 12. При этом во вторичной обмотке разделительного трансформатора 12 индуцируется импульсный сигнал положительной полярности, приложенный к управляющему электроду силового тиристора 7 и открывающий его, после чего возникает указанный выше разряд накопительного конденсатора 6 в электрическую сеть. Момент возникновения этого импульса определяется параметрами резистора 9 и конденсатора 10 инерционного звена, а также напряжениями пробоя стабилитрона 8 и стабистора 11 при заданном напряжении U полностью заряженного накопительного конденсатора 6 в конце первой четверти каждого периода сетевого напряжения. Цепь из элементов 8, 9 и 10 подключена к электродам накопительного конденсатора 6 и питается от него.
Отметим, что отрицательные по полярности полупериоды сетевого напряжения не принимают участия в работе устройства, так как силовой тиристор 7 закрывается к концу первой четверти каждого периода сетевого напряжения, а конденсатор 10 инерционного звена практически полностью разряжается через стабистор 11. Поскольку емкость конденсатора инерционного звена на несколько порядков меньше емкости накопительного конденсатора 6, энергия последнего практически не изменяется при работе схемы управления силовым тиристором 7.
R
C
H
H
Мощность P в регулируемой активной нагрузке в однополупериодном режиме равна . Как известно, при оптимальном значении частоты F* модуляции зарядного тока в накопительном конденсаторе 6 средняя мощность, регистрируемая прибором учета 1 электроэнергии, в первую четверть каждого из периодов сетевого напряжения составляет от мощности P=W/Т только 1/4 от этой величины, а средняя мощность, возвращаемая обратно в сеть во второй четверти каждого периода сетевого напряжения, равна практически величине  следовательно, за счет работы конденсаторной схемы высокочастотного импульсного заряда и плавного во времени разряда накопительного конденсатора полная средняя мощность «отмотки» электросчетчика при оптимальном значении частоты F* равна . Из этого следует, что в этом случае электросчетчик не будет производить отсчет энергии, расходуемой в регулируемой активной нагрузке 3, при условии соблюдения равенства , откуда имеем условие RC/Т=0,943 при F=F*.
H
H
H
H
З/Р
H
З/Р
З/Р
H
З/Р
З/Р
Н
C
РАЗР
C
З/Р
C
ЗАР
C
ЗАР
C
ЗАР
Так, при Т=20 мс=0.02 с имеем условие RC=0,0186 с. Если С=1000 мкФ, то сопротивление активной нагрузки, при которой счетчик не учитывает электроэнергию при оптимальном выборе частоты следования импульсов в импульсном генераторе (F=F*), будет равно R=0,0186/0,001=18,6 Ом. При этом это сопротивление будет потреблять мощность от питающей электросети в однополупериодном режиме  Вт. Это станет возможным, если постоянная времени τ заряд-разрядной цепи накопительного конденсатора С будет удовлетворять условию τ=2,3 r С=Т/4, где r - сопротивление заряд-разрядных цепей, для которого получаем выражение: r=Т/9,2С=0,02/9,2·0,001=2,17 Ом. Во всяком случае вполне реально в такой схеме остановить работу электросчетчика при потребляемой мощности в активной нагрузке порядка 1 кВт. Важно указать, что силовой тиристор 7 должен быть рассчитан на амплитуду импульса тока разряда Мах I*=1,41 U/r=310,2/2,17=143 А. Максимальный импульсный ток заряда Мах I*накопительного конденсатора, на который рассчитываются силовой диод 4 и силовой транзистор 5, составляет половину от амплитуды импульса разрядного тока, то есть Max I*=Max I*/2=71.5 А.
Если отключить активную нагрузку от сети, то прибор учета без стопора обратного хода вращающегося диска будет производить отмотку отсчета с мощностью отмотки не менее 1 кВт. При наличии такого стопора обратного хода прибор учета вообще не будет учитывать потребляемую энергию, если величина потребляемой мощности не превышает 1 кВт при указанных выше параметрах устройства
Отметим, что применение индукционных приборов учета электроэнергии без стопора обратного хода диска нашло широкое распространение в нашей стране (приборы типа СО-2М, СО-И646М и др.). В будущем при использовании индивидуальных стационарных источников электроэнергии, например, от ветряных электрогенераторов, можно будет передавать избыток энергии в электрическую сеть (пока это не разрешено), и при этом индукционные электросчетчики не будут оснащаться стопорами обратного хода диска, чтобы можно было учитывать энергию, отдаваемую в сеть. Это делает актуальным вопрос защиты таких электросчетчиков от действия модуляции рабочего тока на повышенной частоте, чтобы можно было противостоять хищению электроэнергии за счет «отмотки» показаний электросчетчиков заявляемым устройством.
C
Таким образом, при использовании заявляемого устройства можно проводить испытание индукционных приборов учета электроэнергии на предмет определения их чувствительности к модуляции зарядного тока в накопительном конденсаторе (при непрерывном во времени экспоненциальном разряде) и определении оптимальной частоты F* прерываний зарядного тока I, при которой электросчетчик имеет наивысшую погрешность отсчета потребляемой в активной нагрузке энергии. Это важно при разработке новых и поверке существующих индукционных приборов учета электроэнергии.
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.
5. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков. Заявка на изобр. №2011129510/28 (043667) с приоритетом от 15.07.2011.
Данные патентного поиска
DE 4235722 A, 14.04.1994.
EP 0100694 A, 15.02.1984.