1. История возникновения и развития электроэнергетики. Преимущества электрической энергии по сравнению с другими видами энергии (тепловой, механической...). Развитие средств измерения и учета электроэнергии.

1895 г.- создан прототип современных индукционных счетчиков - индукционный счетчик Шукерта-Рааба, в котором впервые осуществлен сдвиг фаз на 90° между электромагнитными потоками.

В России принцип действия электросчетчиков индукционной системы был сформулирован известным русским электротехником Доливо-Добровольским также в конце XIX века.

В 1950 году фирмой Дженерал Электрик (США) впервые внедрены сначала двухкамневые, а затем магнитные опоры, что позволило увеличить срок службы счетчика до 30 лет и более.

В 1999 году компанией "АББ Митеринг Системз" (Великобритания) был разработан и сконструирован однофазный индукционный электросчетчик "Интегра" (J11). Этот счетчик стал первым электроизмерительным прибором, удостоенным права заявлять межповерочный интервал в 20 лет.

В России только в 1997 году был прекращен выпуск однофазных индукционных электросчетчиков класса точности 2,5 (СО-2, СО-5, СО-И446 ) и произошел переход к производству счетчиков исключительно класса точности 2,0 (СО-505, СО-ИБ, СО-ЭЭ6706).

В России уже длительное время выпускаются трехфазные индукционные электросчетчики СА4У 672М и СА4 678. Но у перечисленных моделей при обратном порядке фаз и нагрузке только одного из вращающих элементов током, равным 50 % номинального, изменение относительной погрешности существенно превышает 2 %.

В настоящее время предпочтение отдается все же электронным счетчикам, т.к. они имеют более высокую точность и готовы к применению в АСКУЭ.

2. Классификация приборов учета электрической энергии (счетчиков) по разным критериям.

1. По числу фаз - однофазные и трехфазные

2. По принципу измерения - индукционные и электронные (статические)

• Индуктивные дешевле, но проигрывают по классу точности (2).

• У индукционных диапазон 100 у электронных 1000.

• Главный плюс электронных счетчиков – их системность (хорошо работают в системах)

2. По числу тарифов

• однотарифные

• многотарифные

2. По измеряемой энергии

• Активные

• Реактивные

2. По наличию устройств, предотвращающих "воровство" электроэнергии

   • с устройствами и без

3. По наличию выходов - с выходами и без

4. По конструктивному исполнению, межповерочному интервалу, гарантийному сроку - в зависимости от предприятия-изготовителя

5. По схемам включения

   • Непосредственного включения

   • Трансформаторного

1. По току

2. По напряжению

2. По направлению энергии

   • Реверсные

   • Нереверсные.

3. По области применения

   • Промышленные

   • Образцовые

   • Технические

   • Коммерческие

3. Основные математические выражения для определения значения переменных синусоидальных напряжений и токов (мгновенное, среднее, средневыпрямленное, среднеквадратическое). Выражения для активной, реактивной, полной мощности и энергии в 1-фазных и 3-фазных сетях.

Однофазные цепи:

Для однофазного переменного тока:

Активная мощность:

4. Номинальное напряжение и ток:

5. Среднеквадратическое значение тока:

6. Реактивная мощность:

7. Полная мощность:

8. Активная энергия за интервал времени:

_9. Реактивная энергия:

При несимметричной нагрузке в

четырехпроводной цепи активную

мощность измеряют тремя ваттметрами,

каждый из которых измеряет

мощность одной фазы – фазную мощность.

Активная мощность приемника

определяют по сумме показаний

трех ваттметров

P = P1 + P2 + P3, где

P1 = UA IA cos φA;

P2 = UB IB cos φB;

P3 = UC IC cos φC.

В трехпроводных трехфазных цепях при симметричной и несимметричной нагрузках и любом способе соединения приемников широко распространена схема измерения активной мощности приемника двумя ваттметрами. Показания двух ваттметров при определенной схеме их включения позволяют определить активную мощность трехфазного приемника, включенного в цепь с симметричным напряжением источника питания.

Н а рисунке показана одна из возможных схем включения ваттметров: здесь токовые катушки включены в линейные провода с токами I_A и I_B, а катушки напряжения – соответственно на линейные напряжения U_AC и U_BC.

Измерение реактивной энергии заключается в измерении активным счетчиком энергии линейного напряжения, сдвинутой на 90 градусов:

Проще всего измерить реактивную энергию так:

4. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Их назначение, свойства, схемы включения, погрешность. Типичные номинальные значения входных и выходных напряжений и токов. Зависимость погрешности от отношения входного тока к номинальному входному току.

Трансформаторы тока.

Применяются в качестве датчиков переменного тока для измерительных приборов и систем, счетчиков, анализаторов количества и качества энергии, АСКУЭ и т.п. Трансформаторы тока имеют замкнутый магнитопровод, на который намотана вторичная обмотка. Первичной обмоткой трансформатора тока служит проводник с измеряемым током, пропущенный в центральное отверстие (окно) магнитопровода.

По способу подключения трансформаторы тока бывают следующих типов:

С первичной обмоткой - трансформатор тока включается в разрыв измеряемой цепи с помощью клемм.

С проходной шиной - разновидность первого типа, где первичная обмотка представляет собой короткую шину, проходящую насквозь через корпус трансформатора тока.

С окном - первичная обмотка отсутствует. Ее образует кабель или шина, пропускаемая в окно при монтаже. Окно бывает круглое (под провод или кабель), прямоугольное (под шину) или фигурное (под кабель или шину).

Токовой погрешностью трансформатора тока называется погрешность, которую вносит трансформатор при измерении тока, возникающая вследствие того, что действительный коэффициент трансформации не равен номинальному.

При известных основных параметров и конструктивных данных ТТ:

Угловой погрешностью d трансформатора тока называется угол между векторами первичного и вторичного токов при таком выборе их направлений, чтобы для идеального трансформатора тока этот угол равнялся нулю, т. е. это угол между векторами первичного тока и повернутого на 180° вторичного тока. Угловая погрешность выражается в минутах или сантирадианах (срад) и считается положительной, когда вектор вторичного тока, повернутый на 180°, опережает вектор первичного тока.

При известных основных параметров и конструктивных данных:

где l_м – средняя длина магнитного потока в магнитопроводе, м; z₂ – сопротивление ветви вторичного тока (полное сопротивление вторичной цепи и вторичной обмотки), Ом; f – частота переменного тока, Гц; S_м – действительное сечение магнитопровода, м²; .y – угол потерь, а a – угол сдвига фаз между вторичной э.д.с. Е₂ и вторичным током I₂, град.

Трансформаторы напряжения.

Трансформатор напряжения (ТН) предназначен для измерения высокого напряжения с помощью стандартных измерительных приборов, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения, обеспечивая тем самым безопасность обслуживающего персонала. Первичную обмотку ТН включают параллельно в цепь измеряемого напряжения. К вторичной цепи приборы подключаются также параллельно.

Погрешностью напряжения трансформатора напряжения называется погрешность, которую вносит трансформатор при измерении напряжения, возникающая вследствие того, что действительный коэффициент трансформации не равен номинальному.

Угол d между векторами первичного и вторичного напряжений представляет собой угловую погрешность трансформатора.

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения – условное понятие, а именно: полная (кажущаяся) мощность внешней вторичной цепи, В×А, найденная в предположении, что напряжение у вторичных зажимов равно номинальному:

Вместе со значением S₂ должен быть указан коэффициент мощности цепи. Эти две величины S₂ и cos j₂ полностью определяют сопротивление внешней цепи и вторичную нагрузку трансформатора.

Погрешности трансформатора напряжения зависят:

• от размеров магнитопровода,

• магнитных свойств стали,

• конструкции обмотки,

• сечения проводов,

• от присоединенной нагрузки

• первичного напряжения.

Чтобы уменьшить погрешности трансформаторов напряжения, выбирают меньшую плотность тока в обмотках и меньшую магнитную индукцию в магнитопроводе по сравнению с соответствующими значениями для силовых трансформаторов.

5. Счетчики электрической энергии непосредственного включения и трансформаторные. Их основная и дополнительная погрешность. Прочие параметры счетчиков. Номинальный, базовый, максимальный ток, ток запуска, самоход.

Из-за повышенной стоимости освоение рынка началось с трехфазных электронных счетчиков трансформаторного типа для электроэнергетических систем. Затем появились трехфазные счетчики непосредственного включения для электроустановок 0,4 кВ. 90-ые годы ушедшего века характеризуются интенсивным развитием производства электронных однофазных счетчиков бытового назначения. Если первые разработки электронных счетчиков выполнялись на дискретной элементной базе, имели сложные электрические схемы с большим количеством элементов и поэтому отпугивали потребителей, то большинство современных счетчиков используют специализированные БИС для преобразователя мощности, имеют относительно простые электрические схемы и вследствие этого высокую надежность.  Счетчики непосредственного включения (прямого включения), включаются в сеть без измерительных трансформаторов. Такие счетчики выпускаются для сетей 0,4/0,23 кВ на токи до 100 А. Трансформаторные счетчики — предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие определенные наперед заданные коэффициенты трансформации. Эти счетчики имеют десятичный пересчетный коэффициент (10п). Трансформаторные универсальные счетчики — предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие любые коэффициенты трансформации. Для универсальных счетчиков пересчетный коэффициент определяется по коэффициентам трансформации установленных измерительных трансформаторов. Погрешности трансформаторного датчика тока складываются из токовой погрешности (погрешность действительного коэффициента трансформации) и угловой погрешности (разность фаз между токами первичной и вторичной цепи). Погрешности определяются двумя факторами: ограниченной магнитной проницаемостью магнитопровода и ненулевым значением сопротивления нагрузки. Вместе с тем погрешность трансформатора тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, т.е. больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также чем меньше его вторичная нагрузка (идеал- к.з. вторичной обмотки). Важно учитывать, что магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля, и практически постоянна только в области слабых полей. По скольку трансформаторы работают в слабых результирующих полях, то для них необходимо использование материала с высокой начальной магнитной проницаемостью. В качестве сердечников трансформаторных датчиков тока используются нанокристаллические или аморфные сплавы. Точность измерительных приборов(погрешность) определяется так называемым классом точности. Наиболее распространенные квартирные счетчики имеют класс точности 2,5. Это значит, что совершенно исправный счетчик может учитывать на 2,5% больше или меньше его номинальной мощности. Пример. Идеальный счетчик на 220 В, 5 А должен за 1 час учесть: 220 х 5 = 1100 Вт-ч. Но, принимая во внимание класс точности, исправным нужно считать счетчик, учитывающий при тех же условиях: 1100 + (1100 х 2,5) : 100 = 1127,5 Вт-ч, и 1100 - (1100х 2,5) : 100 = 1072,5 Вт-ч. Исправный счетчик должен работать в пределах класса точности при допустимых перегрузках. При малых нагрузках точность показаний снижается, а при очень малых нагрузках диск исправного счетчика может не вращаться.

Номинальный ток (в скобках - максимальные допустимые токи: 400% или 600% от номинального тока).

 Стартовый ток –величина с которой начинается регистрации электроэнергии счетчиков  Максимальный ток- максимальная величина тока, при котором происходит корректная регистрация потребляемого тока.  Базовый ток : Значение тока, который является  исходным для установления требований к счетчику с непосредственным включением.

Самоход счетчика При наличии напряжения в параллельной цепи электрического счетчика и отсутствии тока в цепи нагрузки диск может начать вращаться без остановки. Такое явление называется самоходом, который может возникнуть, если компенсационный момент превышает момент трения.  Согласно ГОСТ самохода не должно быть при любом напряжении от 80 до 110% номинального.