Счётчик электрической энергии

История [ править ]

История создания счётчиков связана с изобретениями электротехнических устройств XIX века. Самые разные исследователи независимо и беспрестанно изучали электромагнетизм, внося собственную лепту в создание и последующее развитие счётчиков электроэнергии. Вот лишь некоторые этапы продолжительного пути развития. Всплеск теоретических открытий в области явлений, устанавливающих связь между магнитными и электрическими свойствами вещества, уже в 1-й половине XIX века.

Во второй половине XIX века к авторам теоретических трудов присоединились практики. В течение непродолжительного периода времени были изобретены гидротурбина, счётчик, трансформатор тока, электродвигатель, динамо-машина, электрическая лампа. Как считали первооткрыватели, само время дарило просветление, позволяя почти в одно и то же время свершаться схожим открытиям в противоположных концах света. В этом был, к примеру, уверен создатель индукционного электрического счётчика Отто Титус Блати, венгр по происхождению, который также являлся соизобретателем трансформатора. Аньош Йедлик и Вернер фон Сименс, каждый в своё время, придумали динамо-машину. Что, в свою очередь, позволило превратить электричество в коммерческий продукт массового спроса. Развитие систем освещения потребовало применения устройств измерения и стандартизации учёта электроэнергии.

Развитие систем передачи электроэнергии по пути создания систем высокого напряжения тормозилось главным недостатком цепей постоянного тока — невозможностью преобразования одного уровня напряжения в другой. И давний спор сторонников распределительных сетей постоянного и переменного тока окончательно решился в пользу последних; этому также способствовало изобретение трансформатора (1885 год). Попытки решить задачу учёта электрической энергии переменного тока привели к целому ряду открытий. Созданию индукционных счётчиков электроэнергии предшествовало обнаружение эффекта вращающегося магнитного поля (Никола Тесла — 1883 год, Галилео Феррарис [1] — 1885 год, Оливер Шелленбергер — 1888 год). Первый счётчик электроэнергии для переменного тока разработан Оливером Б. Шелленбергером в 1888 году. Уже в 1889 году запатентован «Электрический счётчик для переменных токов» венгра Отто Титуц Блати (для компании «Ganz»). А в 1894 году Шелленбергер по заказу компании Westinghouse создал индукционный счётчик ватт-часов. Счётчик ватт-часов активной энергии переменного тока типа «А» появился в 1899 году, создатель Людвиг Гутман. Был дан старт непрерывным усовершенствованиям индукционных счётчиков электроэнергии. Счётчики, берущие начало от счётчика Блати и индукционных счётчиков Феррариса, вследствие великолепной надёжности и малой себестоимости, до сих пор массово изготовляются, именно с их помощью производят большую часть измерений электроэнергии.

Виды электросчетчиков

Современный многотарифный счётчик

Устройство классического электросчётчика

Счётчики электроэнергии с АСКУЭ (особенностью таких счётчиков является подключение дополнительного кабеля для передачи данных на частоте 30-70 кГц)

Для чего служит система АСКУЭ

Главной задачей и принципом действия системы контроля электроэнергии является сбор информации по всем потребителям энергии, состоящим в этой системе, по напряжению и мощности. Затем система обрабатывает полученные показания расхода, и на их основе выдает результат в виде отчета. В обязательном порядке система проводит анализ работы и прогнозирование ситуаций на будущие периоды. Основным моментом является анализ финансовых параметров и определение стоимости за израсходованную электроэнергию.

Условия качественной работы системы АСКУЭ

• У всех потребителей электрической энергии необходимо установить наиболее современные приборы учета, а именно, электронные счетчики.
• Полученную информацию от электронных счетчиков в виде цифровых сигналов концентрировать в сумматорах, которые являются специальными блоками, обладающими большим объемом памяти.
• Организовать внутри системы связь, позволяющую отправлять отчеты потребителям и организациям, снабжающим электрической энергией.
• Создать центры по обработке полученной информации. Для этого их следует оснастить современной вычислительной техникой и программным обеспечением.

Организация системы АСКУЭ

Для создания рассматриваемой системы необходимо организовать работу нескольких отделов, каждый из которых станет выполнять определенные задачи. Отделы системы делятся на несколько рабочих уровней, которые стоит рассмотреть подробнее.

Первый уровень

Устройствами этого уровня должны быть электронные счетчики, расположенные у потребителя энергии. Вместо электронных счетчиков иногда применяются специальные датчики, и подключаются через специальную компьютерную программу. Датчики можно подключить к аналого-цифровым преобразователям.

Система АСКУЭ имеет особенности, выраженные в ее возможностях. Контроллеры соединяются с датчиками с помощью стандартного интерфейса, применяемого для асинхронного интерфейса. Это наиболее известная модель, ставшая популярной во многих системах автоматизации производственных сетей.

В системе имеется приемник цифрового сигнала, обладающего сопротивлением 12 кОм. Существуют некоторые ограничения передатчика цифрового сигнала, что ограничивает число приемников сигнала. Поэтому стандартный интерфейс способен принимать электронные сигналы всего от 32 датчиков, что является недостатком.

Второй уровень

Это связующий элемент системы контроля. На его линии расположены разные контроллеры, передающие сигналы. Обычно это преобразователи, модифицирующие сигнал от стандартного интерфейса к специальному устройству, совместимому с компьютером. Именно такой измененный сигнал может обрабатывать программное обеспечение.

При необходимости включения в систему большего количества датчиков, в нее устанавливают специальный концентратор, являющийся составным элементом второго уровня системы контроля.

Третий уровень

В этом отделе концентрируется, обрабатывается, производится анализ и хранение данных всей системы. Главным требованием к третьему уровню является обеспечение современной программой для настройки всей системы.

Электронные счетчики являются сложными электронными устройствами. Они применяются для учета расхода энергии, и имеют такое устройство, что могут быстро подключиться к системе АСКУЭ. Но существуют старые счетчики, не способные подключаться к системе контроля. Для решения этой проблемы в качестве дополнительного оборудования можно установить специальный оптический порт, способный считывать данные и передавать их на компьютер. Такой порт можно устанавливать на подключенном функционирующем счетчике.

В системах контроля над расходом электроэнергии кроме электронных счетчиков могут применяться индукционные виды счетчиков. Если посмотреть на маркировку индукционного счетчика, то в ней может иметься буква «Д», что означает пригодность этих моделей для работы в системе АСКУЭ. В таких счетчиках имеется импульсный датчик с возможностью телеметрического выхода, который и передает данные по двухпроводной связи.

Но вряд ли стоит применять старые счетчики индукционного типа, они уже свое отработали, и привязать их к современной системе контроля уже становится сложнее. Такие виды лучше использовать для учета потребления энергии отдельных участков, не входящих в систему контроля АСКУЭ.

Электронные счетчики

Система АСКУЭ включает в себя основные элементы – электронные счетчики, которые являются преобразователями аналогового сигнала в импульсную частоту, учет которых дает объем израсходованной электрической энергии.

Основным достоинством этих современных приборов является отсутствие движущихся деталей, в отличие от индукционных счетчиков. Они также обеспечивают широкие пределы входных величин напряжения, дают возможность быстрой организации систем учета с несколькими тарифами, позволяют увидеть количество израсходованной энергии за любой прошедший период, измеряют мощность, сочетаются с оборудованием АСКУЭ и обладают многими другими полезными функциями.

Большой перечень возможностей обуславливается программной оболочкой микроконтроллера, который входит в состав всех современных электронных приборов, и счетчиков энергии.

Дисплей представляет собой цифровой индикатор, и служит для выдачи информации о режимах работы, потреблении энергии, времени и даты.

Источник питания предназначен для питания электронных компонентов схемы. С ним связан супервизор, формирующий сигнал сброса для микроконтроллера при подаче и отключении питания.

Часы служат для показа текущей даты и времени. В некоторых видах счетчиков часы работают от микроконтроллера, но чтобы не создавать на него дополнительную нагрузку, для часов применяют отдельную микросхему.

Оптический порт дает возможность считывать данные со счетчика и служит для установки параметров счетчика.

Микроконтроллер называют сердцем электронного счетчика. Большинство функций счетчика выполняет микроконтроллер. Он преобразует сигнал от трансформатора тока в цифровой сигнал, выполняет его обработку. Микроконтроллер также управляет выходами интерфейса и принимает команды управления.

При возникновении неполадок, проблем и сбоев в системе можно обратиться к другим подрядчикам, специализирующимся на установке таких систем. Установка системы контроля энергии проводится соответственно требованиям заказчика с учетом индивидуальных данных объекта. Большое значение имеет как проектирование и монтаж, так и настройка оборудования. Поэтому важным моментом является установка правильных характеристик для эксплуатации системы, надежное подключение по тому связному каналу, который выбрал заказчик. От этих моментов зависит дальнейшая эксплуатация всей системы.

Система АСКУЭ работает по сложной схеме, состоит из разных уровней. Чтобы обеспечить эффективность и точность ее работы, требуется правильно связать между собой все уровни, и применять только новые современные приборы, привлекать для настройки квалифицированных мастеров.

Виды и типы

Счетчики электроэнергии можно классифицировать по типу измеряемых величин, типу подключения и по типу конструкции.

По типу подключения все счетчики разделяют на приборы прямого включения в силовую цепь и приборы трансформаторного включения, подключаемые к силовой цепи через специальные измерительные трансформаторы.

По измеряемым величинам электросчетчики разделяют на однофазные (измерение переменного тока 220 В, 50 Гц) и трехфазные (380 В, 50 Гц). Все современные электронные трехфазные счетчики поддерживают однофазный учёт.

Также существуют трехфазные счетчики для измерения тока напряжением в 100 В, которые применяются только с трансформаторами тока в высоковольтных (напряжением выше 660 В) цепях.

По конструкции: индукционным (электромеханическим электросчетчиком) называется электросчетчик, в котором магнитное поле неподвижных токопроводящих катушек влияет на подвижный элемент из проводящего материала. Подвижный элемент представляет собой диск, по которому протекают токи, индуцированные магнитным полем катушек. Количество оборотов диска в этом случае прямо пропорционально потребленной электроэнергии.

Индукционные (механические) счётчики электроэнергии постоянно вытесняются с рынка электронными счетчиками из-за отдельных недостатков: отсутствие дистанционного автоматического снятия показаний, однотарифность, погрешности учёта, плохая защита от краж электроэнергии, а также низкой функциональности, неудобства в установке и эксплуатации по сравнению с современными электронными приборами. Индукционные счетчики хорошо подходят для квартир с низким энергопотреблением.

Электронным (статическим электросчетчиком) называется электросчетчик, в котором переменный ток и напряжение воздействуют на твердотельные (электронные) элементы для создания на выходе импульсов, число которых пропорционально измеряемой активной энергии. То есть измерения активной энергии такими электросчетчиками основаны на преобразовании аналоговых входных сигналов тока и напряжения в счетный импульс. Измерительный элемент электронного электросчетчика служит для создания на выходе импульсов, число которых пропорционально измеряемой активной энергии. Счетный механизм представляет собой электромеханическое (имеет преимущество в областях с холодным климатом, при условии установки прибора на улице) или электронное устройство, содержащее как запоминающее устройство, так и дисплей. Электронные счетчики хорошо подходят для квартир с высоким энергопотреблением и для предприятий.

Основными достоинствами электронных электросчетчиков является возможность учёта электроэнергии по дифференцированным тарифам (одно-, двух- и более тарифный), то есть возможность запоминать и показывать количество использованной электроэнергии в зависимости от запрограммированных периодов времени, многотарифный учёт достигается за счет набора счетных механизмов, каждый из которых работает в установленные интервалы времени, соответствующие различным тарифам. Электронные электросчетчики имеют больший межповерочный период (4-16 лет).

Гибридные счётчики электроэнергии — редко используемый промежуточный вариант с цифровым интерфейсом, измерительной частью индукционного или электронного типа, механическим вычислительным устройством.

Принцип работы индукционного счетчика

Еще совсем недавно индукционные счетчики были неотъемлемой частью электрических сетей в квартирах. Счетное устройство в этих приборах представлено вращающимся алюминиевым диском и цифровыми барабанами, отображающими показатели расхода электроэнергии в реальном времени.

Принцип действия подобных устройств достаточно простой. Электромагнитное поле, возникающее в катушках счетчика, взаимодействует с диском, выполняющим функцию подвижного токопроводящего элемента. В однофазном индукционном счетчике выполняется параллельное подключение одной из катушек к обмотке напряжения, которая служит сетью переменного тока. Другая катушка подключается последовательно на участке между обмоткой тока или нагрузкой и генератором электроэнергии.

Действие токов, протекающих по обмоткам, приводит к созданию переменных магнитных потоков, пересекающих вращающийся диск. Их величина составляет пропорцию между потребляемым током и входным напряжением. В соответствии с законом электромагнитной индукции в самом диске происходит возникновение вихревых токов, протекающих по направлению магнитных потоков.

Вихревые токи и магнитные потоки начинают взаимодействовать между собой в диске. В результате, появляется электромеханическая сила, которая и приводит к созданию вращающегося момента. Таким образом, возникает пропорция между полученным вращающимся моментом и произведением двух магнитных потоков, возникающих в обмотках тока и напряжения, умноженных на синус сдвига фазы между ними.

Нормальная работа индукционного электросчетчика возможна только при условии фазового сдвига, равного 90 градусам. Такой сдвиг можно получить, разложив магнитный поток обмотки напряжения на две части. Получается, что диск прибора вращается с частотой, пропорциональной активно потребляемой мощности. Поэтому непосредственный расход электроэнергии будет находиться в пропорции с количеством оборотов диска. Полученные данные о потреблении передаются на механическое счетное устройство, ось которого связана с осью подвижного диска с помощью зубчатой передачи. Такая конструкция обеспечивает синхронное вращение обоих элементов.

Установка электросчетчика в частном доме и квартире

По нормативным требованиям счетчик учета электрической энергии должен устанавливаться в сухом помещении с температурой не ниже 0° либо на улице с использованием утепляющих материалов в доступном для обслуживания месте и на высоте не менее 40 см.

Монтаж электросчетчика для частного дома или квартиры производится как внутри помещения, так и на улице.

Процесс проведения установки электросчетчика для частного дома или квартиры:

• монтаж производится в прихожей, коридоре или на лестничной площадке (для квартир);
• счетчик располагается горизонтально на высоте 0,8-1,7;
• перед счетчиком монтируется автоматический защитный выключатель;
• устанавливается защитное заземление;
• на выходе счетчика подключается общая разводка.

Установка счетчика электрической энергии на улице:

• перед монтажом производится отключение сетевой линии;
• счетчик устанавливается горизонтально и на высоте от 0,8 до 1,7 метра от поверхности;
• для защиты от низких температур счетчик монтируется в отапливаемый или утеплённый электрический щиток;
• перед счётчиком входная токовая цепь подключается к защитному автоматическому выключателю;
• устанавливается защитное заземление;
• на выходе счетчика производится разводка для подключения автомата или группы автоматов.

При проведении монтажных работ по установке электросчетчика для частного дома или квартиры основным документом является ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок), согласно которому к проведению такого вида работ допускаются квалифицированные специалисты, имеющие разрешение на их выполнение.