Изучение и поверка однофазного счетчика активной энергии: Методические указания к лабораторной работе

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» (ГОУ ВПО ВСГТУ)

ИЗУЧЕНИЕ И ПОВЕРКА ОДНОФАЗНОГО СЧЕТЧИКА АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ Методические указания к лабораторной работе Составитель: Шалышкин О.Л.

Улан-Удэ Издательство ВСГТУ 2006г 1

УДК 621.317. Шалышкин О.Л. Изучение и поверка однофазного счетчика активной энергии. Методические указания к лабораторной работе Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2006 г. 16с.

Рассмотрено устройство, принцип действия и основные характеристики однофазных счетчиков активной энергии. Представлены методические указания по порядку их поверки и обработке результатов поверки. Для студентов направления 140200 «Электроэнергетика» специальности: 140211 «Электроснабжение» и 140205 «Электроэнергетические системы и сети» Ключевые слова: однофазный счетчик, активная энергия, поверка, класс точности, погрешность.

2

Цель работы: 1. Ознакомиться с принципом работы и характеристиками однофазных счетчиков. 2. Изучить схемы поверки однофазного счетчика. 3. Произвести поверку работы счетного механизма. 4. Найти действительную постоянную счетчика и его погрешности при различных нагрузках. 5. Определить чувствительность и отсутствие самохода у счетчика. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Вопросы рационального экономного расходования электроэнергии приобретают все более важное значение. Важнейшим условием решения этих вопросов является организация доступной и качественной системы учета потребляемой электрической энергии. Целью учета является: 1) расчет за электроэнергию с энергоснабжающей организацией; 2) контроль расхода активной электроэнергии в отдельных цехах, на энергоемких агрегатах, технологических линиях и других объектах; 3) определение количества реактивной мощности, полученной потребителем от электроснабжающей организации или переданной ей в случаях, когда по этим данным производят расчеты или контроль за соблюдением заданного режима работы компенсирующих устройств предприятия; 4) составление электробалансов по предприятию в целом, а также по наиболее энергоемким агрегатам, цехам и группам потребителей, что дает возможность на их основе производить анализ эффективности использования электроэнергии в производственных процессах, выявлять непроизводительные расходы и потери электроэнергии, разрабатывать и осуществлять мероприятия по их снижению и устранению; 5) расчет с потребителями (субабонентами), получающими электроэнергию через подстанции предприятия. Для измерения активной электрической энергии, расходуемой в цепях однофазного тока, применяются электрические счетчики индукционной системы. Индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной обычно в виде алюминиевого диска. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуцируют в нем вихревые 3

токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывает перемещение подвижной части. На рисунке 1 схематично показано устройство однофазного индукционного счетчика. Диск Д, являющийся подвижным элементом счетчика, находится в воздушном зазоре магнитной системы, состоящей из ферромагнитных сердечников, собранных из электротехнической стали толщиной 0,35 мм, и двух самостоятельных неподвижных обмоток I и II. Одна из обмоток (I), выполненная тонкой изолированной проволокой и имеющая большое число витков (6000 ÷ 10000), а, следовательно, и значительную индуктивность, подключается к напряжению U в сеть, а другая (II), с малым числом витков (2×15 ÷ 2×1) толстой изолированной проволоки, включается последовательно с электроприемниками. Через червячную передачу и систему зубчатых колес ось диска связана со счетым устройством роликового типа, при помощи которого осуществляется подсчет числа оборотов диска.

FU

FU

U

Д Iв

Д IU

FI

I

Рис.1. Устройство однофазного индукционного счетчика

При протекании переменного тока по обмоткам создаются магнитные потоки, один из которых пропорционален величине подведенного напряжения U, а второй - току нагрузки I. Эти потоки, сдвинутые между собой по фазе и не совпадающие пространственно, создают общее бегущее магнитное поле, возбуждающее в подвижном алюминиевом диске соответствующие э.д.с. и вихревые токи. Вихревые токи взаимодействуют с бегущим магнитным полем и вовлекают диск во 4

вращение. Среднее значение возникающего вращающего момента определяется соотношением: Mвр = k1·U·I·cosϕ (1) где k1 – коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей счетчика; U – напряжение, подведенное к его параллельной обмотке; I – ток, протекающий по последовательной обмотке счетчика; cosϕ – коэффициент мощности электроприемников. Взаимодействие магнитного поля специального постоянного подковообразного магнита M, между полюсами которого вращается диск, и индуцированных в нем вихревых токов создает тормозной момент Mт, пропорциональный скорости вращения диска, т.е. Mт = k2·n, (2) где k2 – коэффициент пропорциональности; n – число оборотов диска счетчика за единицу времени. При равномерном вращении диска с достаточно большой скоростью чтобы можно было пренебречь трением, имеет место соотношение: Mв = Mт (3) Выполнив подстановку, получим: k1·U·I·cosϕ = k2·n (4) откуда k1·U·I·cosϕ = c0·n, (5) где c0 – соотношение постоянных коэффициентов k2 и k1. Из равенства (5) видно, что активная мощность P = U·I·cosϕ (6) пропорциональна скорости вращения n диска счетчика, т.е. P = c0·n, (8) а расход электрической энергии W за время t, учитываемый счетным механизмом счетчика будет: t

t

0

0

W = ∫ Pdt = c0 ∫ ndt = c0 ⋅ N

(9)

где N – число оборотов диска счетчика за время t. В зависимости от передаточного числа зубчатых колес и червячной передачи, находящихся между счетными механизмами и осью диска счетчика, каждой единице зарегистрированной электрической энергии отвечает определенное число оборотов диска N', приводимое на щитке 5

счетчика, которое называется передаточным числом счетного механизма, например, 1кВт⋅ч – 5000 оборотов диска. Величина c0, обратная передаточному числу счетного механизма счетчика, представляющая собой энергию, зарегистрированную счетным механизмом за один оборот счетчика, называется номинальной постоянной счетчика, которая при его испытании обычно выражается в Вт⋅с/обор. Если 1 кВт⋅ч соответствует N' оборотам диска, то номинальная постоянная счетчика, выраженная в Вт⋅с/обор может быть определена как

C0 =

3600 ⋅1000 N′

(10)

Значения N' и C0 зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными. Величина израсходованной электроэнергии за какое-то время определяется разностью отсчетов по счетному механизму, произведенных в конце и в начале рассматриваемого периода.

C=

W0 N

(11) Величина называется действительной постоянной счетчика электрической энергии и представляет собой количество энергии, потребляемой электроприемниками за время одного полного оборота диска. Действительная постоянная в отличие от номинальной зависит от тока нагрузки, а также от внешних условий (температуры, частоты и т.д.). Отклонение действительной постоянной C счетчика от его номинальной постоянной характеризует относительную погрешность счетчика: W − W0 ⋅ 100% γ= W0 (12) где: W0 – действительное значение величины электрической энергии, израсходованное за некоторый промежуток времени t, определяемое по показаниям образцовых приборов; W – значение величины электрической энергии, определяемое по показаниям поверяемого счетчика за тот же промежуток времени, подсчитанное по формуле: W = c·N, (13) где N – целое число оборотов диска за то же время. 6

Счетчики активной энергии выпускают классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; счетчики реактивной энергии – 1,5; 2 и 3. Технические характеристики однофазных счетчиков электрической энегрии представлены в табл. 1.

На рис.2 приведена типичная кривая относительной погрешности однофазного счетчика индукционной системы в зависимости от его нагрузки, выраженной в процентах от номинальной, причем изгиб ее в начале объясняется заметным влиянием трения в механизме при малой нагрузке.

Класс точности счетчиков нормирует относительную основную погрешность и другие метрологические характеристики. Так, ГОСТ 8.259–77 «Счетчики электрические активной и реактивной энергии 7

индукционные. Методы и средства поверки» устанавливает следующие значения относительной погрешности для однофазных и трехфазных счетчиков активной и реактивной энергии класса точности 2,5:

На этой нагрузке поверяют только счетчики, выпущенные с 1954г до 1961г. Наименьшая мощность Pmin, или наименьший ток Imin, при которых диск счетчика начинает безостановочно вращаться, выраженные в процентах от соответствующих номинальных величин при номинальном напряжении (для счетчиков активной энергии при коэффициенте мощности cosϕ = 1), называется чувствительностью S счетчика, т.е.

S=

Pm in ⋅ 100 % Pн

(13)

I m in ⋅ 100 % Iн

(14)

или

S=

где Iн – номинальный ток счетчика, указанный в его паспорте. Государственным стандартом (ГОСТ 6570–75) устанавливается порог чувствительности (в процентах) счетчика Указанная величина не должна превышать 0,4% для счетчика класса точности 0,5 и 0,5% для классов 1,0; 1,5 и 2,0. Для счетчиков класса 2,5 чувствительность должна быть не более 1,5%. В неправильно отрегулированных счетчиках при отсутствии нагрузки может наблюдаться вращение диска. Это явление называется самоходом счетчика. В правильно отрегулированных счетчиках самоход не должен иметь места при напряжении от 80 до 110% номинального. Включение ненагруженного счетчика может вызвать только поворот его 8

диска не более чем на один оборот, после чего диск должен остановиться и все время оставаться неподвижным. Так как на показания счетчика сказывается влияние температура, частота переменного тока и другие факторы, то поверка его должна производиться при определенных условиях. Так, температура воздуха в помещении, в котором производится поверка счетчика, должна быть не ниже +17oC и не выше +23oC, напряжение, подводимое к параллельной обмотке счетчика при определении его погрешности, не должно отличаться от номинального более чем на 3%, а частота - не более чем на 2%. Кроме того, перед поверкой счетчик активной энергии, в целях прогрева его частей, должен проработать в номинальном режиме и коэффициенте мощности cosϕ = 1 не менее 15 мин, а затем не менее 10 мин при любой нагрузке, для которой определяется величина относительной погрешности счетчика. Собственно поверке предшествует внешний осмотр, при проведении которого должно быть установлено соответствие счетчика следующим требованиям: • счетчик должен представляться к поверке с монтажной схемой; • щиток счетного механизма не должен иметь видимого перекоса; • цифры роликового счетного механизма не должны уходить за пределы окошек более чем на 1/5 своей высоты (это требование не относится к крайнему справа ролику, а также к другим роликам, если они в данный момент вращаются вместе с крайним справа роликом при переходе через нуль); • на кожухе или маркировочной табличке должно быть указано стрелкой направление вращения диска; • отметка на диске для визуального отсчитывания оборотов должна быть нанесена четко; • счетчик должен иметь приспособление для навески пломб На рисунках 3 и 4 показаны схемы подключения однофазных счетчиков активной энергии непосредственного включения.

Г

Г

Н

Г

Н Н

Г

Рис. 3

Г

Г

Н

Рис. 4

9

Н

Н

Рис.3. Схема подключения счетчиков типов СО-И445Э, СО-И445Т, СО-И449Э, СОИ449Т, СО-И446 по ГОСТ 6570-75

Рис.4. Схема подключения счетчиков типов СО-И445Э, СО-И445Т, СО-И449Э, СО-И449Т, СО-И446 по Британскому стандарту В357

Поверка правильности работы счетчика активной энергии однофазного тока может быть произведена путем контроля скорости вращения его диска по показаниям контрольных вольтметра и амперметра, образцового ваттметра и секундомера, причем для обеспечения необходимой точности результатов отсчетов по ним необходимо, чтобы показания электроизмерительных приборов всегда были не менее 50% от их верхнего предела измерения, за исключением испытания, проводимого для определения величины чувствительности счетчика. При поверке счетчика класса 2,5 вольтметр и амперметр, служащие только для контроля значений напряжения и тока, могут быть класса 2,5, а ваттметр - класса 0,5 астатический или экранированный. Секундомеры, периодически поверяемые, могут иметь поправку для интервала в 60 с не более 0,1 с. Необходимая точность поверки достигается еще тем, что во время счета числа оборотов диска величина нагрузки поддерживается постоянной с точностью ±0,5%. Число оборотов диска, отсчитываемое при поверке счетчика, выбирается таким, чтобы соответствующее время было не менее 50 с. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ УСТАНОВКИ Для поверки счетчика PI однофазного индукционной системы класса точности 2,5 по образцовым приборам собирается схема рис.5. В качестве источника питания используется ЛАТР TV. Для измерения действительных значений тока, напряжения и мощности в данной схеме использован измерительный комплект К-50. Он имеет постоянно смонтированную схему. На одной панели в общем корпусе смонтированы приборы — амперметр, вольтметр и однофазный ваттметр со встроенным трансформатором тока до 50 А и добавочным сопротивлениями, фазоуказатель, переключатели и зажимы для подключения. Включение комплекта в схему производят с помощью зажимов «А» и «0», обозначенных «ген», и клемм «1», «2», выведенных от ЛАТРа. Нагрузка подключается к зажимам «А» и «0», обозначенными «нагр». 10

PI QF

RP1 Г Н

1

RP3

RP2

Г Н

TV

3

3

1

2

2

A

К-50 A

W

V

A 0

0

SA1 EL2 EL4

EL1 EL3 EL5

Рис. 5. Схема лабораторного стенда

EL6

В качестве нагрузки используют ламповые и проволочные реостаты. Ламповые реостаты имеют переключатель щитовой щеточный типа ПМТ, которым можно изменять число включенных ламп. Регулирование тока происходит скачкообразно и величина его зависит от мощности включаемой или выключаемой лампы. Плавное регулирование тока обеспечивается тремя проволочными реостатами, включенными последовательно. Промежутки времени, соответствующие выбранным числам оборотов диска счетчика, измеряются при помощи электрического секундомера П30. ПОРЯДОК ПОВЕРКИ 1. Произвести внешний осмотр поверяемого счетчика. Записать его основные технические характеристики. Рекомендуемая форма таблицы приведена ниже (табл. 3). 2. Ознакомится с приборами, аппаратами и прочим оборудованием экспериментальной установки и записать в протокол испытания их технические характеристики по форме представленной в таблице 4. 11

Таблица 2 Характеристика поверяемого счетчика

3. Собрать схему для поверки однофазного счетчика, ввести в последовательную цепь проволочные реостаты полностью, ручку ЛАТРа поставить в положение, соответствующее наименьшему напряжению U, подводимому к параллельным обмоткам измерительных приборов, и, после проверки схемы руководителем, включить автоматический выключатель QF. Таблица 4 Технические характеристики приборов и оборудования используемых в эксперименте

12

4. Автотрансформатором плавно поднять напряжение до номинального, проволочными реостатами RP2 и RP3 и ламповым реостатом установить номинальный ток счетчика и поддерживать режим, необходимый для прогрева его обмоток в течение 15 мин. 5. Установить нагрузочными реостатами RP1, RP2 и RP3 ток в последовательной обмотке счетчика согласно индивидуального задания. Поддерживая автотрансформатором номинальное напряжение, определить время, отвечающее целым числам оборотов диска счетчика при указанных нагрузках, строго следя, чтобы при проведении каждого опыта стрелка ваттметра все время находилась на определенном делении шкалы. Желательно число отсчитываемых оборотов диска N выбрать кратным 20 так, чтобы соответствующее им время t, отсчитываемое по секундомеру, было не менее 50 с. Данные опытов свести в таблицу 5. При нагрузках от 10% до 75% пользуются комбинацией лампового и проволочных реостатов RP1, RP2 и RP3. Для исследования при нагрузках от 100% до 150% из нагрузки исключается реостат RP1. 5. Разорвать последовательную цепь счетчика, отсоединив, например, какой-либо провод, идущий к одному из проволочных реостатов и автотрансформатором постепенно изменять напряжение, начиная от 80 до 110% Uном и записать то напряжение Uсам, при котором начинается самоход, т.е. непрерывное вращение диска при отсутствии нагрузки. 6. Для определения чувствительности счетчика в качестве нагрузки используется реостат R = 6500 Ом (0,25 А). Включив полностью реостат R и, поддерживая автотрансформатором номинальное напряжение и увеличивая ток найти ту наименьшую мощность Pmin, при которой диск будет вращаться без остановки. Измерения мощности следует проводить с точностью до 0,5 деления шкалы ваттметра.

13

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ 1. Вычислить по паспортным данным счетчика его номинальную постоянную c и дать заключение о правильности работы счетного механизма. 2. Учитывая, что действительный расход электроэнергии при потребляемой мощности P за время t определяется по формуле: W0 = P·t = cW·α·t (15) где: cW – цена деления образцового ваттметра, [Вт/дел] α – показания ваттметра, [дел], подсчитать для всех произведенных опытов величину действительной постоянной счетчика c0 и относительную погрешность γ его показаний, представив результаты расчетов в виде таблицы 5.

3. На основании таблицы 5 вычертить в одной системе координат графические зависимости c0 = f(I) и γ = f(I) при cosϕ = 1, а также подсчитать чувствительность счетчика. 4. Дать заключение о пригодности исследуемого счетчика для дальнейшей эксплуатации. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Основы метрологии и электрические измерения / под ред. Е.М. Душина. Л.:Энергоатомиздат, 1987.–480 с.: ил. 2. Электрические измерения / под ред. В.Н. Малиновского. М.: Энергоатомиздат, 1985.–416 с.: ил. 3. ГОСТ 8.259–77. Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Методы и средства поверки.

14

© Шалышкин О.Л. 2006год. ГОСТ 8.259-77. Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Методы и средства поверки.

Редактор Стороженко Т.А. Подписано в печать 8.12.2006 г. Формат 60х84.1/16. Усл.п.л. 0.93. Тираж 60 экз. Заказ №281 ________________________________________________________ Издательство ВСГТУ 670013 г.Улан-Удэ, Ключевская, 40 в ©ВСГТУ,2006г. 15

16