Прибор учёта электрической энергии

Прибор учёта электрической энергии — это техническое средство, предназначенное для измерения количества электрической энергии (активной и/или реактивной) в цепях переменного или постоянного тока, а также для регистрации и хранения результатов измерений. Приборы учёта являются обязательным элементом систем коммерческого и технического учёта электроэнергии, позволяя определять объём потреблённой или выработанной энергии для взаиморасчётов между поставщиком и потребителем, а также для контроля режимов работы энергосистем.

История

Первые устройства для измерения расхода электроэнергии появились во второй половине XIX века, одновременно с развитием электрического освещения и централизованного электроснабжения. В 1872 году русский изобретатель В. Н. Чиколев предложил конструкцию «электрического счётчика», основанного на электролитическом принципе (разложение воды током). В 1880-х годах американец Томас Эдисон разработал электролитический счётчик для постоянного тока, который использовался в его системе освещения.

Настоящий прорыв произошёл в 1888 году, когда венгерский инженер Отто Блати (сотрудник компании Ganz) создал первый индукционный счётчик переменного тока. В 1894 году немецкий учёный и предприниматель Михаэль Доливо-Добровольский (русский по происхождению) усовершенствовал конструкцию, создав практичный счётчик с вращающимся алюминиевым диском. Эта конструкция — индукционный счётчик — стала основным типом измерительного прибора на протяжении всего XX века.

В СССР массовое производство счётчиков началось в 1930-х годах на Московском заводе электроизмерительных приборов (МЗЭП). С 1960-х годов вводились единые государственные стандарты на приборы учёта (ГОСТ 6570-60, затем ГОСТ 6570-75). С развитием микроэлектроники в 1980-х годах начали появляться электронные (цифровые) счётчики, которые постепенно вытесняли индукционные благодаря большей точности, многофункциональности и возможности дистанционного снятия показаний.

Классификация

Приборы учёта электрической энергии классифицируются по нескольким основным признакам.

По принципу действия

• Индукционные (электромеханические). Работают на основе взаимодействия магнитных полей, создаваемых током и напряжением в катушках, с алюминиевым диском. Диск вращается, и его обороты подсчитываются механическим счётным механизмом. Отличаются простотой конструкции, надёжностью и низкой стоимостью, но имеют невысокий класс точности (обычно 2.0 и ниже) и ограниченный функционал.
• Электронные (цифровые). Измеряют параметры тока и напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и микроконтроллера. Результаты вычислений отображаются на жидкокристаллическом или светодиодном дисплее. Обеспечивают высокий класс точности (0.2S, 0.5S, 1.0), многотарифный учёт, хранение профиля нагрузки, возможность дистанционной передачи данных.
• Гибридные. Сочетают электронную измерительную часть (измерительный трансформатор или датчик) с электромеханическим счётным механизмом. Встречаются редко, в основном в переходных моделях.

По типу измеряемой энергии

• Счётчики активной энергии. Учитывают полезную работу, совершаемую электрическим током (измеряется в киловатт-часах, кВт·ч). Являются основным типом для коммерческого учёта у бытовых и промышленных потребителей.
• Счётчики реактивной энергии. Учитывают энергию, циркулирующую между источником и нагрузкой, обусловленную наличием индуктивных или ёмкостных элементов (измеряется в киловар-часах, квар·ч). Используются на промышленных предприятиях и в сетях с большим количеством реактивной нагрузки для контроля коэффициента мощности (cos φ).
• Счётчики активной и реактивной энергии. Многофункциональные приборы, способные вести одновременный учёт обоих видов энергии.

По количеству фаз

• Однофазные. Применяются в цепях переменного тока напряжением 220 В (в России и странах СНГ) для учёта в квартирах, частных домах, небольших офисах.
• Трёхфазные. Используются в цепях напряжением 380 В для учёта на промышленных объектах, в многоквартирных домах (на вводе), крупных торговых и административных зданиях, а также для подключения мощных бытовых приборов (например, электроплит, отопительных котлов).

По классу точности

Класс точности определяет максимально допустимую погрешность измерения (в процентах). Согласно действующим в России нормативным документам (Правила устройства электроустановок, ПУЭ, и постановления Правительства РФ), для бытовых потребителей с 2012 года допускаются к установке только счётчики с классом точности 2.0 и выше. Для коммерческого учёта на границе балансовой принадлежности (между сетевой организацией и потребителем) требуется класс точности не ниже 1.0, а для учёта на оптовом рынке электроэнергии — 0.5S.

По способу подключения

• Приборы прямого включения. Включаются непосредственно в разрыв цепи нагрузки. Рассчитаны на токи до 100 А (реже до 200 А). Используются в быту и для небольших нагрузок.
• Трансформаторные (полукосвенного включения). Подключаются к сети через измерительные трансформаторы тока (ТТ) и/или напряжения (ТН). Позволяют измерять большие токи и напряжения, характерные для промышленных объектов. Показания счётчика умножаются на коэффициент трансформации.
• Приборы косвенного включения. Встречаются крайне редко, в основном в лабораторных или высоковольтных установках, где и ток, и напряжение подаются через трансформаторы.

Устройство и принцип работы

Индукционный счётчик

Основными элементами являются две катушки: катушка напряжения (включается параллельно нагрузке) и токовая катушка (включается последовательно). Переменные магнитные поля, создаваемые этими катушками, пронизывают алюминиевый диск, наводя в нём вихревые токи (токи Фуко). Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создаёт вращающий момент, пропорциональный мощности нагрузки. Для стабилизации вращения используется постоянный магнит (тормозной магнит), создающий противодействующий момент. Счётный механизм, связанный с осью диска через червячную передачу, подсчитывает количество оборотов, которое пропорционально потреблённой энергии.

Электронный счётчик

В основе работы лежит микроконтроллер, который обрабатывает сигналы с датчиков тока (шунт, трансформатор тока) и датчика напряжения (резистивный делитель). АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые, после чего микроконтроллер вычисляет мгновенную мощность, интегрирует её по времени и получает значение потреблённой энергии. Данные сохраняются в энергонезависимой памяти (EEPROM или Flash). Электронный счётчик также может иметь интерфейсы для связи: импульсный выход, оптопорт, RS-485, PLC (передача данных по силовым линиям), ZigBee, Wi-Fi.

Применение и значение

Приборы учёта электрической энергии выполняют ключевую роль в электроэнергетике:

• Коммерческий учёт. Основа взаиморасчётов между гарантирующими поставщиками (энергосбытовыми компаниями) и потребителями. Показания счётчиков используются для выставления счетов за потреблённую электроэнергию.
• Технический учёт. Используется на электростанциях, подстанциях и в распределительных сетях для контроля баланса мощности, потерь в линиях, режимов работы оборудования.
• Энергосбережение. Установка многотарифных счётчиков стимулирует потребителей переносить энергоёмкие процессы на ночное время, когда тарифы ниже, что способствует выравниванию графика нагрузки энергосистемы.
• Автоматизация. Современные электронные счётчики являются частью автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ), позволяющих дистанционно собирать данные, управлять нагрузкой и выявлять несанкционированное потребление.

Интересные факты

• Первый в мире индукционный счётчик, запатентованный Отто Блати, имел диметр 30 см и весил около 20 кг.
• В СССР до 1960-х годов выпускались счётчики постоянного тока, которые использовались в трамвайных и троллейбусных депо, а также на первых электрифицированных железных дорогах.
• Современные «умные» счётчики могут не только измерять энергию, но и фиксировать провалы и перенапряжения в сети, а также автоматически отключать потребителя при превышении разрешённой мощности.
• С 1 июля 2020 года в России вступил в силу Федеральный закон № 522-ФЗ, который обязывает сетевые организации устанавливать «умные» счётчики (интеллектуальные системы учёта) в многоквартирных домах за свой счёт.

Источники

1. ГОСТ 6570-96. Счётчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия.
2. ГОСТ Р 52320-2005 (МЭК 62053-21:2003). Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Общие требования.
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.
4. Постановление Правительства РФ от 04.05.2012 № 442 «О функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии».
5. Федеральный закон от 27.12.2018 № 522-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с развитием систем учёта электрической энергии (мощности) в Российской Федерации».
6. История развития электроизмерительной техники в России / Под ред. В. А. Тихонова. — М.: Энергоатомиздат, 2004.