Pomiar energii elektrycznej

Wyrób elektryczny, zgodnie ze swoim przeznaczeniem, zużywa (generuje) energię czynną zużywaną do wykonywania pracy użytecznej. Przy stałym napięciu, prądzie i współczynniku mocy ilość zużywanej (wytwarzanej) energii określa stosunek Wp = UItcosφ = Pt

gdzie P = UIcosφ — moc czynna iloczynu; t to czas trwania pracy.

Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J). W praktyce watogodzina NS (tu NS h) jest nadal używana niesystematyczna jednostka miary. Zależność między tymi jednostkami jest następująca: 1 Wh = 3,6 kJ lub 1 Ws = 1 J.

W obwodach prądu przerywanego ilość energii zużywanej lub wytwarzanej jest mierzona indukcyjnie lub elektronicznie za pomocą elektrometrów.

Strukturalnie licznik indukcyjny jest silnikiem mikroelektrycznym, każdy obrót wirnika odpowiada określonej ilości energii elektrycznej. Stosunek wskazań licznika do liczby obrotów silnika nazywany jest przełożeniem i jest wskazany na desce rozdzielczej: 1 kW NS h = N obrotów tarczy.Przełożenie przekładni określa stałą licznika C = 1 / N, kW NS h / obr; ° С=1000-3600 / N W NS s / obr.

W układzie SI stałą licznika wyraża się w dżulach, ponieważ liczba obrotów jest wielkością bezwymiarową. Liczniki energii czynnej produkowane są zarówno do sieci jednofazowych, jak i trój- i czteroprzewodowych sieci trójfazowych.

Ryż. 1... Schemat podłączenia urządzeń pomiarowych do sieci jednofazowej: a — bezpośredni, b — szereg przekładników pomiarowych

Licznik jednofazowy (ryc. 1, a) energia elektryczna ma dwa uzwojenia: prąd i napięcie i może być podłączony do sieci zgodnie ze schematami podobnymi do schematów przełączania watomierzy jednofazowych. W celu wyeliminowania błędów przy włączaniu miernika, a co za tym idzie błędów w pomiarze energii, zaleca się we wszystkich przypadkach stosowanie obwodu przełączającego miernika wskazanego na obudowie zasłaniającej jego wyjścia.

Należy zauważyć, że gdy zmienia się kierunek prądu w jednej z cewek miernika, tarcza zaczyna się obracać w przeciwnym kierunku. Dlatego cewka prądowa urządzenia i cewka napięciowa muszą być włączone, aby w momencie pobierania prądu przez odbiornik licznik obracał się w kierunku wskazanym strzałką.

Wyjście prądowe oznaczone literą G podłączone jest zawsze do strony zasilania, a drugie wyjście toru prądowego oznaczone literą I. Dodatkowo wyjście cewki napięciowej, jednobiegunowe z wyjściem G układu cewka prądowa, jest również podłączona z boku na zasilaczu.

Po włączeniu przyrządów pomiarowych przez przekładnik pomiarowyPrzekładniki prądowe muszą jednocześnie uwzględniać biegunowość uzwojeń przekładników prądowych i przekładników napięciowych (ryc. 1, b).

Mierniki produkowane są zarówno do współpracy z dowolnymi przekładnikami prądowymi i napięciowymi – uniwersalnymi, w oznaczeniu symbolu z dodaną literą U, jak i do współpracy z przekładnikami, których znamionowe przekładnie podane są na tabliczce znamionowej.

Przykład 1. Zastosowano miernik uniwersalny o parametrach Up = 100 V i I = 5 A z przekładnikiem prądowym o prądzie pierwotnym 400 A i prądzie wtórnym 5 A oraz przekładnikiem napięciowym o napięciu pierwotnym 3000 V i napięcie wtórne 100 V.

Wyznacz stałą obwodu, przez którą należy pomnożyć odczyt licznika, aby znaleźć ilość zużytej energii.

Stałą obwodu wyznacza się jako iloczyn przekładni przekładnika prądowego przez przekładnię przekładnika napięciowego: D = kti NS ktu= (400 NS 3000)/(5 NS 100) =2400.

Podobnie jak watomierze, urządzenia pomiarowe mogą być używane z różnymi przetwornikami pomiarowymi, ale w tym przypadku konieczne jest ponowne obliczenie odczytów.

Przykład 2. Przyrząd pomiarowy przeznaczony do współpracy z przekładnikiem prądowym o przekładni kti1 = 400/5 i przekładnikiem napięciowym o przekładni ktu1 = 6000/100 jest wykorzystywany w schemacie pomiaru energii z innymi przekładnikami o przekładniach: kti2 = 100/5 i ktu2 = 35000/100.Określ stałą obwodu, przez którą należy pomnożyć wskazania licznika.

Stała obwodu D = (kti2 NS ktu2) / (kti1 NS ktu1) = (100 NS 35 000) /(400 NS 6000) = 35/24 = 1,4583.

Liczniki trójfazowe przeznaczone do pomiaru energii w sieciach trójprzewodowych to strukturalnie dwa połączone liczniki jednofazowe (ryc. 2, a, b). Posiadają dwie cewki prądowe i dwie cewki napięciowe. Zwykle takie liczniki nazywane są dwuelementowymi.

Wszystko, co powiedziano powyżej o konieczności przestrzegania biegunowości uzwojeń urządzenia i uzwojeń przekładników pomiarowych stosowanych z nim w obwodach przełączających liczników jednofazowych, dotyczy w całości schematów przełączania, liczników trójfazowych.

W celu odróżnienia elementów w licznikach trójfazowych, wyjścia są dodatkowo oznaczone numerami wskazującymi jednocześnie kolejność faz sieci zasilającej podłączonej do wyjść. Zatem do wyprowadzeń oznaczonych numerami 1, 2, 3 podłączyć fazę L1 (A), do zacisków 4, 5 — fazę L2 (B), a do zacisków 7, 8, 9 — fazę L3 (C).

Definicja odczytów liczników zawartych w transformatorach jest omówiona w przykładach 1 i 2 i ma pełne zastosowanie do liczników trójfazowych. Należy zauważyć, że liczba 3, która znajduje się na panelu urządzenia pomiarowego przed współczynnikiem transformacji jako mnożnik, mówi tylko o konieczności użycia trzech przekładników i dlatego nie jest brana pod uwagę przy wyznaczaniu stałego obwodu.

Przykład 3… Wyznacz stałą obwodu dla uniwersalnego trójfazowego miernika stosowanego z przekładnikami prądowymi i napięciowymi 3 NS 800 A/5 i 3 x 15000 V/100 (forma zapisu dokładnie powtarza zapis na centrali).

Wyznacz stałą obwodu: D = kti NS ktu = (800 x 1500)/(5-100) =24000

Ryż. 2. Schematy podłączenia liczników trójfazowych do sieci trójprzewodowej: a-bezpośrednio do pomiaru energii czynnej (urządzenie P11) i biernej (urządzenie P12), b — przez przekładniki prądowe do pomiaru energii czynnej

Wiadomo, że przy zmianie współczynnik mocy przy różnych prądach mogę uzyskać taką samą wartość UIcos przy mocy czynnej φ, a zatem składowa czynna prądu Ia = Icosφ.

Zwiększenie współczynnika mocy powoduje zmniejszenie prądu I dla danej mocy czynnej, a tym samym poprawia wykorzystanie linii przesyłowych i innych urządzeń. Wraz ze spadkiem współczynnika mocy przy stałej mocy czynnej konieczne jest zwiększenie prądu I pobieranego przez produkt, co prowadzi do wzrostu strat w linii przesyłowej i innych urządzeniach.

Dlatego produkty o niskim współczynniku mocy pobierają dodatkową energię ze źródła. ΔWp wymagane do pokrycia strat odpowiadających zwiększonej wartości prądu. Ta dodatkowa energia jest proporcjonalna do mocy biernej produktu i przy założeniu, że wartości prądu, napięcia i współczynnika mocy są stałe w czasie, można ją znaleźć ze stosunku ΔWp = kWq = kUIsinφ, gdzie Wq = UIsinφ — moc bierna (koncepcja konwencjonalna).

Proporcjonalność między energią bierną produktu elektrycznego a dodatkową energią generowaną przez stację jest zachowana nawet wtedy, gdy napięcie, prąd i współczynnik mocy zmieniają się w czasie. W praktyce energia bierna jest mierzona przez jednostkę znajdującą się poza systemem (var NS h i jej pochodne — kvar NS h, Mvar NS h itp.) za pomocą specjalnych liczników, które są konstrukcyjnie całkowicie podobne do liczników energii czynnej i różnią się jedynie sposobem przełączania obwody uzwojeń (patrz ryc. 2, a, urządzenie P12).

Wszystkie obliczenia związane z wyznaczaniem energii biernej mierzonej przez liczniki są podobne do powyższych obliczeń dla liczników energii czynnej.

Należy zauważyć, że energia pobierana w uzwojeniu napięciowym (patrz rys. 1, 2) nie jest uwzględniana przez licznik, a wszystkie koszty ponosi producent energii elektrycznej, a energia pobierana przez obwód prądowy urządzenia jest brany pod uwagę z licznika, tj. koszty w tym przypadku przypisywane są konsumentowi.

Oprócz energii, niektóre inne charakterystyki obciążenia można określić za pomocą mierników mocy. Np. na podstawie wskazań liczników energii biernej i czynnej można wyznaczyć wartość średniego ważonego obciążenia tgφ: tgφ = Wq / Wp, Ggdzie vs — ilość energii uwzględnianej przez licznik energii czynnej dla danej okres czasu, Wq — ten sam , ale uwzględniany przez licznik energii biernej za ten sam okres czasu. Znając tgφ, z tablic trygonometrycznych znajdź cosφ.

Jeśli oba liczniki mają takie samo przełożenie i stałą obwodową D, można znaleźć obciążenie tgφ dla danej chwili.W tym celu dla tego samego przedziału czasu t = (30 — 60) s odczytuje się jednocześnie liczbę obrotów nq licznika energii biernej i liczbę obrotów np licznika energii czynnej. Wtedy tgφ = nq / np.

Przy wystarczająco stałym obciążeniu możliwe jest określenie jego mocy czynnej na podstawie odczytów licznika energii czynnej.

Przykład 4… W uzwojeniu wtórnym transformatora znajduje się licznik energii czynnej o przełożeniu 1 kW x h = 2500 obr./min. Uzwojenia licznika połączone są poprzez przekładniki prądowe o kti = 100/5 oraz przekładniki napięciowe o ktu = 400/100. W ciągu 50 sekund tarcza wykonała 15 obrotów. Wyznacz moc czynną.

Obwód stały D = (400 NS 100)/(5 x 100) =80. Biorąc pod uwagę przełożenie skrzyni biegów, stała licznika C = 3600 / N = 3600/2500 = 1,44 kW NS s / obr. Biorąc pod uwagę stały schemat C '= CD = 1,44 NS 80 = 115,2 kW NS s / obr.

Zatem n zwojów dysków odpowiada poborowi mocy Wp = C'n = 115,2 [15 = 1728 kW NS z. Zatem moc obciążenia P = Wp / t = 17,28 / 50 = 34,56 kW.