Приборы и технологии учета электроэнергии

Учёт электрической энергии выполняется в соответствии с требованиями типовой инструкции по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении (РД 34.09.101-94).

Настоящая Типовая инструкция распространяется на системы учета электроэнергии и мощности, применяемые в действующих, вновь сооружаемых и реконструируемых электроустановках Минтопэнерго Российской Федерации, и может быть использована другими ведомствами.

Расчетный (коммерческий) учет электроэнергии - учет электроэнергии для денежного расчета за нее.

Счетчики, устанавливаемые для расчетного учета, называются расчетными счетчиками.

Технический (контрольный) учет электроэнергии - учет для контроля расхода электроэнергии внутри электростанций, подстанций, предприятий, для расчета и анализа потерь электроэнергии в электрических сетях, а также для учета расхода электроэнергии на производственные нужды.

Счетчики, устанавливаемые для технического учета, называются счетчиками технического учета.

Счетчики, учитывающие активную электроэнергию, называются счетчиками активной энергии.

Счетчики, учитывающие интегрированную реактивную мощность (реактивная электроэнергия) за учетный период, называются счетчиками реактивной энергии.

Измерительный комплекс средств учета электроэнергии - совокупность устройств одного присоединения, предназначенных для измерения и учета электроэнергии (трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, счетчики электрической энергии, датчики импульсов, сумматоры и их линии связи) и соединенных между собой по установленной схеме.

Система учета электроэнергии - совокупность измерительных комплексов, установленных на энергообъекте.

Основные требования к приборам учёта электрической энергии. 1.Индукционные и электронные счетчики электроэнергии

Для измерения расходов электрической энергии широко используются средства измерения как отече­ственного, так и импортного производства.

Используемые электросчетчики можно подразде­лить на следующие типы: индукционные и электронные; однофазные и трехфазные; однотарифные и двух-тарифные; для учета активной и реактивной энергии; с одним и двумя направлениями учета; без выходного сигнала и с выходным импульсным сигналом. Для ор­ганизации двухтарифного учета электроэнергии при­меняются устройства переключения тарифов.

Электронные счетчики, имеющие частотно-импульс­ные каналы для связи с АСКУЭ, как правило, не обес­печивают надлежащей достоверности переданной и принятой информации. Стремительное развитие эле­ментной базы, внедрение компьютерной техники, уве­личившаяся открытость западных технологий привели к появлению и внедрению на отечественном рынке про­изводимых в России микропроцессорных счетчиков с цифровым выходом, расширяющих круг решаемых за­дач (диагностика системы, контроль моментов отключе­ния питания, отклонения напряжения и т. д.).

В силу большого разнообразия выпускаемых элек­тросчетчиков и недостаточного объема настоящего издания отсутствует возможность не только анализа их преимуществ и недостатков, но и перечисления фирм, организаций, занимающихся их выпуском.

Среди выпускаемых перспективных электронных счетчиков можно, например, назвать: НЭС-04, «Аль­фа», СЭТ3, СЭТ4, ПСЧ, ЦЭ-6850, УПТ12-100, Ф669, «Меркурий 230», СО-ИБ1, СА4У-ИТ2 и др.

Для измерения и учета электрической энергии и мощности, а также автоматического сбора, обра­ботки и хранения данных со счетчиков электроэнергии и отображения полученной информации в удобном для анализа и диагностики работы виде используются системы АСКУЭ.

Цель создания АСКУЭ: обеспечение коммерческо­го учета электроэнергии и мощности в соответствии с требованиями Энергосбыта, оптового рынка электро­энергии и действующими тарифными соглашениями; повышение достоверности и оперативности получения данных о распределении и потреблении электроэнер­гии и мощности; повышение оперативности управле­ния режимами энергопотребления и техническим со­стоянием средств учета электроэнергии; определение и прогнозирование всех составных баланса электро­энергии; снижение потерь электроэнергии и получение дополнительной прибыли за счет повышения точности и достоверности учета электроэнергии; автоматиза­ции контроля за технико-экономическими показате­лями работы оборудования; планирования технико-экономических показателей работы.

2. Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) служат для нор­мированного преобразования первичного тока I₁ во вторичный I₂. В установках высокого напряжения ТТ изолирует цепь измерительных и защитных устройств от цепи высокого напряжения Таким образом, применение ТТ обеспечивает безопасность при работе с измерительными приборами и реле, поскольку цепи высшего и низшего напряжений разделены, а также позволяет унифицировать конструкции измерительных приборов для номинального вторичного тока 5 А (реже 1 или 2,5 А), что упрощает их производство и снижает стоимость.

ТТ имеет замкнутый сердечник и две обмотки - первичную и вторичную. Первичная и вторичная обмотки ТТ располагаются на сердечнике, обычно набранном из тонких пластин электро­технической стали специальных марок (магнитомягкий материал с малой площадью петли гистерезиса). Схема включения ТТ приведена на рис. 3.4.1.

Рис. 3.4.1. Принципиальная схема трансформатора тока

Первичная обмотка W₁ включается последовательно в электрическую цепь измеряемого тока I₁. Вторичная обмотка W₂ замкнута на нагрузку (токовые цепи измерительных приборов и реле) Первичный ток I₁ проходя по виткам первичной обмотки, создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф₁ той же частоты, что и ток I₁. Под воздействием переменного магнитного потока Ф₁ в замкнутой цепи вторичной обмотки W₂ возникает вторичный ток I₂. Этот ток создаст в свою очередь в сердечнике свой магнитный поток Ф₂, действующий навстречу основному потоку Ф₁. В результате размагничивающего действия потоком Ф₂ сердечника устанавливается результирующий магнитный поток Ф₀, равный геометрической разности потоков Ф₁ и Ф₂.

Результирующий магнитный поток Ф₀ составляет несколько процентов магнитного потока Ф₁. Этот поток обеспечивает передачу электромагнитной энергии из первичной обмотки во вто­ричную и поэтому называется рабочим.

Первичную обмотку трансформатора тока включают после­довательно в цепь измеряемого тока. Она имеет небольшое число витков (вплоть до одного витка) и выполняется из провод­ника относительно большого сечения. Вторичная обмотка рассчитана на значительно меньший ток и соответственно имеет большее число витков. Токовые катушки измерительных прибо­ров или реле подключают к вторичной обмотке ТТ последовательно. Поскольку сопротивление ТТ вместе с присоединенны­ми к нему приборами ничтожно мало, оно никак не влияет на значение первичного тока. Последний может изменяться в ши­роких пределах: в нормальном режиме - от 0 до 1,2 - 1,3 от номинального тока, а при КЗ может превысить номинальный в десятки раз. Выводы первичной обмотки обозначают буквами Л₁ и Л₂, вторичной - И₁ и И₂. ТТ работают в режиме, близком к режи­му короткого замыкания. При этом магнитный поток в сердечнике, скомпенсированный вторичным потоком, невелик, напряже­ние на зажимах вторичной обмотки составляет единицы вольт. Во время короткого замыкания напряжение на зажимах вторичной обмотки ТТ возрастает до нескольких десятков вольт.

При необдуманном или случайном размыкании вторичной цепи ТТ индукция в сердечнике резко возрастает (от 0,006 - 0,1 до 1,4-1,8 Тл, так как Ф₂ = 0 и Ф₀ становится равным Ф₁), маг­нитный поток вследствие насыщения получает трапециевидную форму, сердечник сильно нагревается, а пики ЭДС на разомкну­тых концах вторичной цепи, пропорциональные dФ/dt, могут достигать 10 кВ и более, что очень опасно для обслуживающего персонала. В процессе эксплуатации вторичных устройств надо строго следить за тем, чтобы вторичная обмотка ТТ всегда была замкнута. При отключении прибора надо сначала замкнуть нако­ротко вторичную цепь ТТ.

Под номинальным первичным током понимают ток, для ко­торого предназначен ТТ. Он принят в качестве базисной вели­чины, к которой отнесены другие характерные параметры. Стан­дартная шкала номинальных первичных токов содержит значе­ния токов от 1 до 40000 А.Под номинальным вторичным током ТТ понимают ток, для которого предназначены приборы и реле, подлежащие присое­динению к его вторичной обмотке.

Номинальный коэффициент ТТ К_ном равен отношению номи­нального первичного тока I_1ном к номинальному вторичному току I_2ном

К_ном ⁼ I_2ном / I_1ном

Шкалы измерительных приборов, присоединяемых к ТТ, надписывают в значениях первичного тока, т.е. I₂ • К_ном.

Отношение чисел витков вторичной и первичной обмоток n = w₂/w₁ выбирают несколько меньше номинального коэффициента трансформации, что позволяет компенсировать намагничивание и повысить точность измерения.

Для подключения контрольно-измерительных приборов ре­лейных защит и устройств автоматики ТТ, выполняемые конст­руктивно в виде однофазных аппаратов, могут быть соединены по следующим схемам:

- полной звезды;

- неполной звезды;

- с включением приборов на разность токов двух фаз.

Очень важны одинаковая установка и правильные присое­динения группируемых в эти схемы однофазных ТТ Схемы включения ТТ приведены на рис. 3.4.2.

Схема полной звезды является универсальной, но самой дорогой. Она позволяет измерять ток всех трех фаз. Более дешевая схема неполной звезды предусматривается для трехфазных систем с изолированной нейтралью. Включение ТТ на разность токов двух фаз применяется редко, только в специальных схемах релейных защит.

а) б) в)

Рис. 3.4.2. Применяемые схемы соединений ТТ: а - схема полной звезды; б - схема неполной звезды; в - двухфазная схема с включением на разность токов двух фаз

Трансформатор напряжения (ТН) служит для понижения вы­сокого напряжения, подаваемого в установках переменного тока на измерительные приборы и реле защиты и автоматики. Для непосредственного включения на высокое напряжение измери­тельной и релейной аппаратуры потребовались бы очень гро­моздкие приборы и реле вследствие необходимости их выпол­нения с высоковольтной изоляцией. Изготовление и применение такой аппаратуры практически неосуществимо, особенно при напряжении 35 кВ и выше. Применение ТН позволяет использо­вать для измерения на высоком напряжении стандартные изме­рительные приборы, расширяя пределы измерения. Кроме того, ТН изолирует (отделяет) измерительные приборы от высокого напряжения, благодаря чему обеспечивается безопасность их обслуживания.

По принципу выполнения ТН ничем не отличается от сило­вого понижающего трансформатора. Он состоит из магнитопровода, набранного из пластин листовой электротехнической ста­ли, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток.. На первичную обмотку подается высокое напряжение U₁, а напря­жение вторичной обмотки U₂ подведено к измерительному прибору.

Начала первичной и вторичной обмоток обозначены буквами А и а, а концы – X и х. Такие обозначения обычно наносятся на корпус ТН рядом с выводами его обмоток. Отношение первично­го номинального напряжения к вторичному номинальному на­пряжению называется номинальным коэффициентом трансформации ТН:

К_ном ⁼ U_1ном/ U_2ном

Наибольшее распространение имеют однофазные транс­форматоры, выпускаемые на рабочие напряжения от 380 В до 500 кВ. Широко распространены также трехфазные ТН, которые выпускаются на рабочие напряжения до 18 кВ.

Однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения могут иметь от одной до трех вторичных обмоток.

К первичной обмотке ТН с двумя вторичными обмотками, включенной на напряжение «фаза - земля» в нормальном ре­жиме, приложено фазное напряжение. При замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью напряжение «фаза - земля» может возрасти до линейного значения. Поэтому ТН с двумя вторичными обмотками, имеющими номинальное напряжение, равное фазному напряжению сети, предназначенные для ис­пользования в сети с изолированной нейтралью, рассчитывают­ся на длительную работу под линейным напряжением.

ТН с двумя вторичными обмотками, выпускаемые для рабо­ты в сети с заземленной нейтралью, должны без повреждений выдерживать повышение первичного фазного напряжения до 1 .5-U_ф._ном в течение 30 с. Для уменьшения размеров и массы ТН в сетях напряжением 110 кВ и выше применяется кас­кадное (ступенчатое) исполнение их. При этом рабочее напря­жение распределяется между каскадами и изоляция каждого из них выполняется на более низкое напряжение. С той же целью на высоком напряжении применяются ТН с номинальным на­пряжением 10 - 15 кВ, включаемые через емкостный делитель напряжения.

Схемы включения ТН выполняются с учетом реальных усло­вий работы.

На рис. 3.4.3 приведены схемы включения однофазных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой для питания трехфазных вторичных цепей.

Группа из трех соединенных по схеме звезда - звезда одно­фазных трансформаторов, показанная на рис. 3.4.3,а, применяет­ся для питания измерительных приборов, счетчиков и вольтмет­ров контроля изоляции в электроустановках напряжением 0,5 - 10 кВ с изолированной нейтралью и неразветвленной сетью, где не требуется сигнализация возникновения однофазных замыка­ний на землю.

Рис. 3.4.3. Схемы включения однофазных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой: а - схема звезда - звезда для сетей напряжением 0,5 - 10 кВ с изолирован­ной нейтралью; б - схема открытого треугольника для сетей напряжением 0,38 - 10 кВ; в - схема открытого треугольника для сетей напряжением 6 -10 кВ

На рис. 3.4.3,б,в ТН, предназначенные для питания измери­тельных приборов, счетчиков и реле, включаемых на междуфазные напряжения, включены по схеме открытого треугольника. Эта схема обеспечивает симметричные междуфазные напряже­ния при работе ТН в любом классе точности. При применении схемы открытого треугольника мощность ТН недо­используется, так как мощность такой группы из двух трансфор­маторов меньше мощности группы из трех соединенных в пол­ный треугольник трансформаторов не в 1,5 раза, а в Ö3 раз.

Схема рис. 3.4.3,б применяется для питания цепей напряже­ния электроустановок 0,38 - 10 кВ при отсутствии защит, под­верженных ложным действиям в случаях нарушения исправно­сти этих цепей.

Схема 3.4.3,в применяется в электроустановках напряжением 6 - 10 кВ при питании разветвленных вторичных цепей от двух и более ТН.

Для питания неразветвленных трехпроводных вторичных цепей в электроустановках напряжением 0,38 - 10 кВ вместо двух включенных по схеме открытого треугольника ТН (рис. 3.4.3,б) часто применяются трехфазные ТН, включенные по схеме, приведенной на рис. 3.4.4,а.

В электроустановках напряжением 3 - 10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, широко применяются трехфазные ТН с двумя вторичными обмотками. На рис. 3.4.4,б показана схема включения ТН при питании четырехпроводных цепей на­пряжения от основных обмоток двух и более ТН.

Рис. 3.4.4. Схема включения трехфазных ТН: а - трансформатор напряжением 0,38 -10 кВ с одной вторичной обмоткой: б - трансформатор напряжением 3 -10 кВ с двумя вторичными обмотками: А – автомат, Р - рубильник; R - резистор