Puteri Si Energii In Retelele Electrice

Consecințele erorilor de montare a contoarelor

Importanța și necesitatea legăturilor corecte la montarea contoarelor trifazate.

Urmărirea pierderilor în rețelele de transport și distribuție, în condițiile existenței sistemului electroenergetic complex, respectiv a consumurilor specifice pe produse, capătă o importanță deosebită ca mijloc de determinare a economicității transportului pe diverse trepte de vehiculare a energiei electrice, și a influenței consumului în evoluția prețului de cost al bunurilor realizate.

Etalonarea contoarelor de energie electrică și verificarea erorilor de funcționare a acestora este o chestiune importantă care intră în obligațiunea organelor metrologiei de stat, montarea corectă a acestor contoare în instalațiile de producere, transport și distribuție precum și la consumatori, are aceeași importanță deosebită.

Pentru a monta corect un contor trifazat, în afară de cunoașterea caracteristicilor rețelei electrice și a construcției contorului, trebuie respectată schema de montaj dată de producător, care se află imprimată pe manualul de utilizare. Montarea corectă presupune cunoașterea succesiunii fazelor rețelei, și respectarea aceleiași succesiuni și la bornele de tensiune ale contorului. De asemenea, se impune realizarea concordanței dintre bornele de curent ale contorului și a transformatoarelor de curent, respectându-se polaritatea acestora. Cu alte cuvinte, este imperativ ca fiecaer sistem activ al contorului să fie parcurs în sens bine determinat de curentul de pe faza potrivită și să i se aplice tensiunea corespunzătoare.

1.2 Arhitectura schemelor de montaj și diversitatea acestora

În rețelele trifazate de curent alternativ, se utilizează distribuția prin rețele cu patru conductoare(trei faze și conductor de nul) în cazul alimentării la tensiunea de 400V/230V și cu 3 conductoare de fază în rețelele de transport și distribuție de medie și inaltă tensiune. Pentru consumatori speciali(în mine) se folosește, la tensiunea de utilizare, distribuția prin rețele cu 3 conductoare de fază, cu neutrul izolat.

În mod corespunzător, pentru măsurarea energiei electrice, în funcție de tipul rețelei, se folosesc contoare trifazate cu trei sisteme active pentru rețelele cu patru conductoare(3 conductori de fază și unul de nul) și contoare trifazate cu două sisteme active, în rețelele cu trei conductoare.

Un sistem activ în construcția contoarelor, este compus dintr-o bobină de curent, o bobină de tensiune și un magnet permanent, ansamblu care furnizează date unui integrat din componența contorului electronic. În cazul contoarelor cu două sisteme active, se prevede câte un integrat pentru fiecare sistem activ, iar pentru contoarele cu trei sisteme active, se preferă aceeași variantă constructivă, pentru a păstra o clasă de precizie cât mai bună.

În cazul rețelelor de joasă tensiune, la o sarcină de peste 40A (unele variante constructive acceptă și curenți de 100A), contoarele se leagă la circuit prin intermediul transformatoarelor de curent, iar în cazul în care măsurarea se execută în rețele de medie și inaltă tensiune, se folosesc traductoare de măsură atât pentru racordarea bobinelor de curent, cât și a bobinelor de tensiune. Astfel, se deosebesc mai multe scheme de montaj pentru contoarele electrice trifazate, în funcție de destinația lor, și anume: contoarele electrice trifazate 3×400/230 V pot avea montaj direct sau semidirect, pe când contoarele trifazate de înaltă tensiune (X/100 Y/5) se racordează în montaj indirect.

În tabelul următor se prezintă calculul varietății schemelor de conexiuni, determinată de aranjamentele posibile ale legăturilor la bornele contorului trifazat, în funcție de gradul de cunoaștere al instalației electrice în care urmează să fie instalat elementul de măsură.

Tabelul 1

Numărul mare de legături la montarea contoarelor trifazate, cresc considerabil posibilitatea unui număr de erori de conexiune, care pot proveni fie din legarea greșită a circuitelor primare ale transformatoarelor de măsură, fie mai ales din legarea greșită a bornelor contoarelor în circuitele secundare ale acestor transformatoare.

Numărul legăturilor greșite, care pot să apară la montarea unui contor trifazat, este cu atât mai mare, cu cât posibilitățile de identificare fir cu fir a conductoarelor circuitelor de măsură sunt mai reduse, datorită inaccesibilității pe care o comportă instalația aflată sub tensiune.

Pentru a evidenția multitudinea erorilor de racordare, luând în considerare numai acele inversări care pot fi efectuate la bornele contorului trifazat, în Tabelul 1 s-au calculat numărul posibil de conexiuni posibil, în diverse ipoteze de identificare a circuitelor.

1.3 Erorile de înregistrare determinate de abateri în schema de conexiuni

Printre greșelile de montare care determină erori de măsurare, enumăr neconcordanță intre bornele transformatoarelor de măsură(transformatoarele de curent și transformatoarele de tensiune) și bornele contorului, marcarea greșită a bornelor, nerespectarea ordinei de succesiune a fazelor.În afara acestor greșeli, erorile de înregistrare pot fi cauzate și de apariția unor deranjamente, cum sunt întreruperile de circuit.

Cea mai importantă condiție pentru realizarea unei conexiuni corecte, este concordanța între bornele transformatoarelor de măsură și bornele contorului. Posibilitățile de a comite erori de conexiune la stabilirea legăturilor de racordare ale contorului, sunt foarte numeroase. Numărul de inversări posibile ale legăturilor la bornele contorului, a fost prezentat în Tabelul 1.

O altă condiție importantă este marcarea corectă a bornelor transformatoarelor de măsură pentru evitarea unor erori ascunse, care rămân nedescoperite, chiar și după identificarea fir cu fir a circuitelor. O posibilitate cu o frecvență foarte redusă de apariție este marcarea inversă a bornelor, greșeală de fabricație, care poate fi rapid remediată prin verificarea polarității bornelor.

Respectarea ordinei de succesiune a fazelor poate condiționa corectitudinea înregistrării, în funcție de tipul constructiv al contoarelor. Astfel, la contoarele trifazate destinate măsurării în rețele încărcate simetric, in general, schimbarea ordinei de succesiune a fazelor echivalează cu o greșeală de montare a contorului.La contoarele folosite în rețele trifazate cu 3 conductoare, în care există două sisteme active, înregistrările sunt independente de ordinea de succesiune a fazelor.Totuși, dacă la etalonarea contorului nu s-a realizat un reglaj identic pentru cele două sisteme active, eroarea de măsurare a contorului poate să fie diferită, dacă ordinea de succesiune a fazelor se inversează

Chiar și in cazul contoarelor la care reglajul sistemelor active este identic, erorile pot fi sensibil diferite când ordinea de succesiune a fazelor se schimbă, din cauza influenței reciproce exercitate între diferitele sisteme active. Această influență se datorește interacțiunii fluxurilor magnetice de dispersie ale sistemelor active, și curenților induși in integratul contorului.

Curenții turbionari induși de unul din sistemele active dau cupluri cu fluxurile active ale altor sisteme, care acționează asupra aceluiași integrat. Personalul care exploatează contoarele trifazate, trebuie să aibă în vedere efectul influențelor perturbatoare neeliminate integral prin soluții constructive, și să ia măsurile necesare pentru respectarea succesiunii fazelor la racordarea bornelor.

Integritatea circuitelor de măsură constituie condiția de bază pentru funcționarea normală și bineînțeles fără erori de înregistrare, a grupului de măsură. Lipsa continuității fazelor a circuitelor de tensiune(arderea siguranței fuzibile, întreruperea conductorului de racordare sau a legăturii din interiorul aparatelor) are ca urmare inactivitatea sistemului activ corespunzător. Întreruperea accidentală a circuitelor de curent, în afara erorii de măsurare, poate avea consecințe grave asupra integrității instalației și anume încălzirea inadmisibilă sau chiar arderea transformatoarelor de curent, precum și apariția la locul de întrerupere a unei tensiuni periculoase.

În concluzie, montarea defectuoasă a contoarelor electrice, au ca urmare denaturarea informațiilor oferite de acestea, dând informații eronate cu privire la cantitățile de energie electrică consumate, și implicit asupra factorului de putere. Erorile de măsurare cauzate de conexiuni greșite, prezintă o importanță deosebită, deoarece ele pot ajunge la valori de ordinul a 200% până la 300%.

Pentru exemplificare, în Tabelul 2 se dau valorile erorilor de conexiune pentru câteva cazuri de montaj greșit, indicându-se totodată și coeficienții de corecție respectivi, determinați de relația:

, unde:

Wr-energia real consumată ;

We-energia eronat înregistrată

Tabelul 2

Pentru a despăgubi intreprinderea furnizoare de energie electrică sau a consumatorului, se realizează prin stabilirea valorii defazajului φ (variabil in timp) pentru recalcularea energiei electrice realmente consumate. Chiar și în situațiile când coeficientul K nu depinde de variabila φ, este dificil de stabilit momentul în care s-a produs întreruperea fazei de referință. Cu ajutorul tehnologiilor noi de transmitere a datelor prin modemuri GSM, s-a eliminat această problemă. De exemplu, în momentul în care se intrerupe alimentarea pe o fază a contorului, modemul sesizează prin intermediul microcontrollerelor lipsa alimentării unei faze, și astfel dispecerul poate anunța un defect la intreprinderea respectivă.

După cum s-a observat, erorile de montare prezintă un interes deosebit, deoarece pot pune in pericol siguranța personalului care exploateaza instalația în care se instalează ansamblul de măsură, sau pot produce daune echipamentelor electrice racordate la rețea.

2.Utilizarea reprezentărilor grafice pentru fundamentarea metodei de verificare

2.1 Reprezentarea vectorială a tensiunilor și curenților în sistemul alternativ trifazat

Se cunoaște principiul producerii curenților alternativi sinusoidali. Tensiunile și curenții se pot reprezenta geometric, prin câte un vector, formând două sisteme care se rotesc în sens trigonometric cu aceeași viteză unghiulară. Reprezentarea prin cele două sisteme de vetctori rotitori(U1, U2, U3, I1, I2, I3) constituie imaginea intuitivă a mărimilor electrice.

Fig. 1. Reprezentarea vectorială a tensiunilor și curenților de fază.

Reprezentarea vectorială pe lângă imaginea sugestivă a tensiunilor și curenților, oferă posibilitatea efectuării operațiilor elementare între aceste mărimi prim metode grafice simple, bazate pe regula paralelogramului.

Fig. 2. Defazajul curenților față de tensiuni în funcție de caracterul încărcării

a-inductivă φ>0, 0<cosφ<1 ; b-rezistivă(sarcină compensată) φ=0, cosφ=1 ; c-capacitivă(sarcină supracompensată) φ<0, 0<cosφ<1.

Imaginea geometrică a tensiunilor și curenților, în toate cazurile practice de funcționare normală a rețelei de alimentare, are o configurație caracteristică.

În continuare, prin exemplificare, voi construi vectorii tensiunilor de linie (U12, U23, U31) definiți ca fiind diferențele geometrice între vectorii tensiunilor de fază (U1, U2, U3).

U12= U1- U2=-U21;

U23= U2- U3=-U32;

U31= U3- U1=-U21.

Fig. 3. Reprezentarea vectorială a tensiunilor de linie.

2.2 Semnificația geometrică a puterii măsurate de contoarele trifazate.

În rețele trifazate cu conductor de nul pentru măsurarea energiei electrice se utilizează contoare de inducție cu trei sisteme active. Un contor cu trei sisteme active măsoară energia electrică totală consumată de sistemul trifazat, însă fiecare sistem activ, acționează independent asupra integratorului, provocând un cuplu motor proporțional numai cu puterea absorbită de faza corespunzătoare. Energia activă măsurată în cazul unei puteri trifazate constante P(3) are expresia: Wa= P(3)∙t, care în cazul general are expresia:

Wa=P1+ P2+ P3=U1∙I1∙cos φ1+ U2∙I2∙cos φ2+ U3∙I3∙cos φ3==(1)

In expresia de mai sus, s-a notat cu Iia=Ii∙cosφi, s-a notat proiecția curentului Ii pe direcția tensiunii Ui, reprezentând componenta activă a curentului. Semnificația geometrică a expresiilor, o voi ilustra in figura 4.

Analizând relația 3, impreună cu reprezentarea grafică a termenilor sumei, rezultă importanța corespondenței dintre tensiunile de fază și curenții corespunzători, pentru ca fiecare element activ să reprezinte într-adevăr puterea activă efectiv absorbită de faza respectivă. Este de asemenea obligatorie respectarea polarității curenților la fiecare sistem, deoarece schimbarea bornei de intrare cu cea de ieșire, are ca efect schimbarea sensului cuplului dezvoltat de acel sistem activ .

Fig. 4. Reprezentarea grafică a puterii măsurate de

echipajele contorului cu trei sisteme active.

Inversarea polarității bornelor, înseamnă rotirea vectorului de curent cu un unghi de 180 de grade în planul de reprezentare, și deci schimbarea semnului proiecției acestuia pe direcția tensiunii aferente; astfel, termenul corespunzător din relația (3), apare cu semn invers, cu consecințele măsurării eronate, care decurge din această greșeală de montare.

În cazul în care curenții au polaritatea schimbată, se schimbă și sensul curentului prin sistemul activ, nefiind garantată în această situație eroarea de înregistrare standardizată din manualul de utilizare al contorului.

3.Ridicarea diagramei vectoriale

3.1 Principiul construcției grafice

Metoda de montare și respectiv de verificare a legăturilor contorului, se bazează pe determinarea imaginii caracteristice, în diagrama vectorială, a tensiunilor și curenților de acționare a contorului.

În princiupiu, cu ajutorul unor date obținute prin măsurări efectuate la bornele contorului, se construiește diagrama vectorială, care în cazul montajului corect, trebuie să coincidă cu imaginea grafică teoretică. Orice abatere specifică față de diagrama caracterstică se poate atribui cu certitudine unei erori de montare, greșeală care se poate elimina efectuându-se modificările de legături necesare la borne.

Schimbările ce trebuiesc făcute în acest scop se determină în mod precis, prin interpretarea diagramei vectoriale ridicate, fără a fi nevoie de urmărirea și recunoașterea fir cu fir a circuitelor, respectiv verificarea corectei marcări și utilizări a bornelor transformatoarelor de măsură; operații care implică scoaterea de sub tensiune a instalației.

În afara posibilității de determinare a legării corecte a contorului fără întreruperea circuitelor primare, metoda reprezentării grafice oferă o imagine sugestivă asupra încărcării fazelor, respectiv a naturii și mărimii unghiului de defazaj.

Pentru reprezentarea grafică se utlizează un sistem de coordonate având ca axe de referință chiar tensiunile de fază sau tensiunile de linie, în funcție de accesibilitatea lor. Două dintre coordonate se utilizează pentru construcția grafică propriu-zisă, iar a treia pentru verificare și mărirea preciziei de reprezentare.Ordinea de succesiune a axelor de referință și sensul defazajului în urmă corespunde secvenței tensiunilor la bornele contorului.

Coordonatele curenților, mai precis proiecțiile puterilor active pe direcția tensiunilor, se măsoară la bornele contorului cu ajutorul unui clește ampermetric. Puterea măsurată de cleștele ampermetric are expresia:

(2) unde:

Uj este tensiunea la care sunt racordate bornele bobinei voltmetrice

Iij=Ii∙cosφij este proiecția curentului care trece prin bobina ampermetrică pe direcția tensiunii Uj.

Din relația (2) rezultă proiecția, implicit coordonata curentului:

Iij=Ii∙cosφij=. (3)

Efectuând măsurarea puterii cu același curent și cu două tensiuni având direcții diferite, în baza relației (3) se pot calcula două coordonate care determină vectorul curent Ii.

Dacă tensiunile pe direcții diferite sunt egale ca mărime (Uj-constant), puterile măsurate Pij, pot servi drept coordonate pentru construirea unui vector Sj, coliniar cu vectorul curent Ii, care are modulul egal cu puterea aparentă fictivă, definită de relația:

Si= (4).

Puterile fictive Pij au semnificație fizică reală doar când i=j, reprezentând în acest caz puterile active efectiv absorbite de pe fazele i ( i=1, 2, 3)

3.2 Diagrama vectorială pentru contorul trifazat cu 3 sisteme active

În cazul sistemelor trifazate cu conductor neutru, pentru construirea diagramei se folosesc, ca axe de coordonate, vectorii tensiunilor de fază în succesiunea directă

Considerăm vectorii puterilor aparente pe fază definite de relația:

Sij=Ui∙Ii; pentru i, j=1, 2, 3. (5)

Proiecțiile acestor vectori pe direcția tensiunilor de fază Uj au expresiile:

1.Pentru vectorul S1j=I1∙Uj.

P11=I1∙U1∙cosφ1;

=

;

=

2. Pentru vectorul S2j=I2∙Uj.

=

;

P22=I2∙U2∙cosφ2;

=

;

3. Pentru vectorul S3j=I3∙Uj.

=

=

P33=I3∙U3∙cosφ3;

În cazul sistemului de tensiuni simetrice(U1=U2=U3= Uf) relația (5) capătă forma:

Sif=Uf∙Ii; pentru i, j=1, 2, 3 (6),

iar proiecțiile vectorului Sif măsurate cu cleștele watt-metric(după micșorare în raport cu valoarea tensiunii de fază Uf) pot servi drept coordonate pentru construcția grafică a vectorului de curent Ii.

Prin adunarea expresiilor proiecțiilor exemplificate anterior, se poate deduce că, în cazul simetriei tensiunilor, suma algbrică a celor 3 proiecții pentru fiecare vector Sif este nul, respectiv avem îndeplinită relația:

La o încărcare echilibrată a fazelor, ( I1= I2= I3=I, φ1= φ2= φ3= φ), rezultă:

P12= P23= P31;

P13= P21= P32; (7)

P11= P22= P33.

Semnul acestor coordonate variază în funcție de factorul de putere după modul arătat în tabelul următor.

Tabelul 3

Rezultă ca în cazul executării montajului corect, coordonatele lui P11, P22, P33, care de fapt reprezintă puterile efectiv absorbite de fazele respective, vor fi întotdeauna pozitive.

Proiecțiile P12, P23, P31, sunt întotdeauna negative, la un factor de putere ridicat(cosφ>0,86), respectiv în regim de încărcare capacitivă, obținând valori pozitive pentru un unghi de defazaj inductiv φ>+30o. Proiecțiile P13, P21, P32 sunt negative, la sarcină inductivă, devenind pozitive numai la încărcare capacitivă corespunzătoare pentru φ<-30o.

În vederea efectuării măsurătorilor, se va conecta, pe rând un clește ampermetric pe circuitele de curent, iar bornele de tensiune ale aparatului se vor conecta pe rând la intrările de tensiune ale contorului.

Analizând rezultatele măsurătorilor, împreună cu consultarea tabelului privind semnul coordonatelor și suma lor geometrică, se poate constata imediat dacă montajul conține sau nu erori de conexiune. În cazul schemei de montaj greșite, în imaginea curenților construită din proiecțiile măsurate, vor rezulta modificările necesare corectării legăturilor.

Astfel, pentru efectuarea măsurătorilor de verificare, se va realiza montajul din figura următoare:

4.Influența structurii organizatorice asupra concepției de măsurare a energiei electrice.

4.1 Contoare de decontare.Contoare de evidență

Probelma măsurării corecte a schimburilor de energie electrica la puncetele de graniță dintre diferitele activități a făcut obiceiul unor multiple analize. Dintre concluziile acestuia, trebuie reținută introducerea noțiunilor de contor de decontare și contor de evidență.

Contoarele de decontare sunt contoarele cu un grad înalt de precizie a grupui de măsură, stă la baza facturării energiei electrice, de exemplu contoarele sumatoare pentru stabilirea energiei emise de centralele electrice, s.a.m.d. .

Contoarele de evidență au un grad mai redus al preciziei grupului de măsurare și servesc la urmărirea încărcării diferitelor elemente ale rețelelor, la efectuarea de balanțe pe noduri. Aceste contoare pot fi de exemplu monofazate etalonate trifazat.

Informațiile referitoare la energiile vehiculate, necesare urmăririi încărcării diferitelor elemente ale rețelelor, pentru efectuarea de balanțe pe noduri, pot fi obținute prin integrarea valorilor puterii sau valorilor tensiunilor și curenților în cadrul sistemelor informatice destinate conducerii operative( sisteme de tipul EMS, DMS/SCADA). Evident, informațiila date de acestea, pot sta si la baza emiterii de facturi provizorii, urmând ca la intervale stabilite să se facă confruntarea acestora cu indicațiile contoarelor de deconectare(omologate metrologic).

Această concepție privind măsurarea și evidența energiei electice permite stabilirea de priorități în îmbunătățirea sistemului de măsurare a energiei electrice.

4.2 Evidențele de calcul și de control ale energiei electrice.

În producția de bunuri materiale, energia electrică participă în prețul de cost al unor produse( carbid, clor, acetilenă, îngrășăminte azotoase, ciment, etc), cu o pondere însemnată. Măsurarea energiei trebuie efectuată cu erori de funcționare ale contoarelor în limitele admise, dar mai ales fără erori de montare.

Întreaga cantitate de energie electrică livrată consumatorilor este înregistrată cu ajutorul contoarelor. Această evidență este necesară, pentru decontările între consumatori și intreprinderile de alimentare cu energie electrică.

Evidența energiei reactive este necesară pentru aplicarea majorărilor, în cazul în care consumatorii industriali au un factor de putere mai mic decât 0,75, sau a bonificațiilor, în cazul în care factorul de putere este mai mare decât 0,75.

Pentru o grupă importantă de consumatori, evidența energiei livrate acestora, are și o altă semnificație. Întreprinderilori ndustriale, șantierelor de construcții, transportului electrificat, și altor consumatori de energie electrică, li se livrează energia pe baza planurilor lor de producție aprobate. Evidența energiei electrice, trebuie să asigure posibilitatea de a controla dacă consumatorii respectă această condiție. Întreprinderile industriale trebuie să știe dacă consumul de energie corespunde normelor aprobate pentru unitatea de producție finită. Verificarea respectării normelor specifice și acțiunea pentru economisirea energiei electrice, nu are niciun sens fără o evidență judicioasă a energiei electrice în întreprinderi.

Evidența are ca scop determinarea cantității de energie livrată consumatorilor, și servește pentru decontările dintre aceștia și întreprinderile de alimentare cu energie electrică. Aceasta se numește evidență de calcul.

Contoarele pentru evidența de calcul, înregistrează consumul de energie total al întreprinderii. Indicațiile lor dau posibilitatea de a se determina consumul de energie pe unitatea de producție finită, fizică sau conviențională(raportată), adică consumul specific. Conducerea întreprinderii poate fi însă interesată să cunoască consumul de energie corespunzător diferitelor ateliere, agregate, sau produse ale secțiilor. Pentru aceasta, în întreprinderi se organizează o evidență de control a energiei electrice, care servește numai pentru evidența internă (în interiorul întreprinderilor, și al unităților agricole), și este supravegheată de consumatorii de energie înșiși.

Întreprinderea de alimentare cu energie electrică nu este preocupată de evidența de control. Ea răspunde numai de instalarea și exploatarea contoarelor pentru evidența de calcul. Contoarele pentru evidența de control sunt instalate de personalul specializat al întreprinderii industriale, care trebuie să cunoască temeinic schemele monofazate/trifazate pentru evidența energiei electrice, precum și condițiile de instalare si de exploatare a contoarelor și transformatoarelor de măsură.

4.3 Implicații în modernizarea și optimizarea măsurării energiei electrice a furnizilor de energie electrică.

În prezent, măsurarea energiei electrice se face la anumite intervale de timp, în afara timpului real, suficient pentru emiterea de facturi. Aceasta, este o activitate constatativă, fără o implicare directă a personalului pe parcursul înregistrării. În paralel cu măsurarea energiei electrice pentru decontare, realizată în afara timpului real, apare necesitatea gestiunii operative a energiei electrice, realizată în timp real, pe diferite trepte de dispecer.

Gestiunea operativă apare ca necesară, în condițiile economiei de piață, în perspectiva introducerii bursei de energie electrică, a unor prețuri de achiziție diferențiale în diferite puncte de achiziție, când apare necesitatea evaluării și optimizării permanente a costurilor (atât a costului energiei electrice achiziționate, cât și a energiei electrice livrate).

În concluzie, gestiunea operativă a energiei electrice, nu stă la baza decontărilor cu furnizorii și consumatorii de energie electrică.

Măsurarea energiei electrice tranzitate trebuie să aibă în vedere atât aspectul de decontare a acesteia (caz în care este necesară utilizarea de contoare și grupuri de măsură cu clase de precizie corespunzătoare caracteristicilor energiei electrice măsurate), cât și aspectul de gestiune operativă a energiei electrice (în care pot fi utilizate aparte de măsură mai ieftine decât contoarele, care să permită evidențierea în timp real a energiilor electrice vehiculate direct sau prin integrarea anumitor mărimi electrice de către sistemul de calcul instalat la punctul dispecer.

Necesitatea realizării gestiunii operative a energiei electrice la nivelul societăților de distribuție impune, pentru a face față cerințelor unor economii de piață, implementarea de urgență a unor sisteme informatice adecvate, care să permită achiziționarea în timp real a informațiilor necesare din punctele de achiziție/livrare a energiei electrice, și pentru optimizarea distribuției acesteia. Fără implementarea de urgență a unor astfel de sisteme informatice, dispecerii de distribuție, nu vor dispune de informațiile necesare pentu a putea participa, în deplină cunoștință de cauză, la bursa de energie electrică. Sistemele informatice destinate gestiunii operative a energiei electice, la nivelul Societăților de distribuție constituie prima etapă de implementare ale sistemelor informatice de tip DMS/SCADA destinate conducerii operative a rețelelor de distribuție.

Astfel, pe baza celor prezentate mai sus, se pot trage următoarele concluzii:

În condițiile economiei de piață, gestiunea energiei electrice trebuie realizată pentru decontare-facturare între furnizori și clienți (telemăsurarea energiei electrice și pentru optimizarea în timp real a costurilor (furnizare, tranzit).

Gestiunea de decontare trebuie realizată prin echipamente omologate metrologic în acest scop. Clasa de precizie a grupurilor de măsură va fi corelată cu tipul clientului și volumul energiei electrice vehiculate.

Gestiunea operativă energiei electrice poate fi realizată prin intermediul sistemelor EMS/SCADA, DMS/SCADA, informațiile necesare putând fi achiziționate de la aparate de măsură.

Este deosebit de importantă analiza preciziei de măsurare realizată cu grupurile de măsură(transformatoare de curent și tensiune, contoare) în regimurile reale de funcționare și luarea de măsuri pentru încadrarea în precizia dorită.

5. Caracteristicile metrologice și funcționale ale echipamentelor de măsurare a energiei electrice

În ceea ce privește măsurarea energiei electrice, s-a avut în vedere trei categorii de consumatori, la care se adaugă punctele de măsurare din stațiile electrice.

Pentru prima mare categorie, și anume marii consumatori, se prevede utilizarea unor echipamente de măsurare performante, care să realizeze anumite funcțiuni, și anume: măsurarea energiei și puterii electrice active și reactive, tarifare multiplă pentru putere și energie, posibilitatea programării pe sezoane de tarifare, calculul puterii medii pe intervale programabile (de preferat 15 minute), citirea valorilor măsurate local(PC) sau la distanță, clasa de precizie 1 sau mai bună, sensibilitate ridicată, măsurarea corectă în regimuri nesinusoidal/nesimetrice, măsurarea corectă în regimuri de șocuri de putere, posibilitatea de semnalizare și de reținere a intervențiilor neautorizate și a căderilor de tensiune, prevederea de coduri de erori și coduri de securitate privind programarea și transmiterea datelor, și opțional posibilitatea înregistrării curbelor de sarcină.

La consumatorii alimentați printr-o singură cale, aceste funcții sunt îndeplinite de contoarele electronice.

La consumatorii alimentați pe mai multe căi de alimentare, se prevede utilizarea de contoare care să realizeze măsurarea consumului de energie activă pe 2 zone de tarifare, a energiei electrice reactive pe o zonă, însumarea energiilor pe căile de alimentare fiind realizată de un aparat sumator. Acest sumator realizează însumarea energiilor și puterilor de la controalele montate pe căile de alimentare (maxim 12), obținându-se astfel suma totală, și sume parțiale. De asemenea, sumatorul realizează și funcțiile menționate anterior.

Majoritatea contoarelul utilizate împreună cu sumatoarele, sunt de tip electronic, însă se pot utiliza și contoare de inducție echipate cu generatoare de impulsuri.

Pentru micii consumatori industriali și terțiari, se utilizează contoarele de inducție de energie activă și de energie reactivă, iar în ultima perioadă au început să se monteze și contoare electronice.

Având în vedere prevederile OG 63/98 care impun introducerea tarifului binom la consumatorii industriali și similari, ponderea utilizării contoarelor electronice la micii consumatori, urmează să crească rapid.

În cazul unor mici consumatori din domeniul comercial sau turism sezonier, se are în vedere introducerea contorizării cu preplată.

În cazul consumatorilor casnici, nu se pune problema înlocuirii contorilor de inducție in viitorul apropiat, deoarece numărul acestui tip de aparate de măsură, este foarte mare. Se are în vedere însă utilizarea unor contoare de inducție mai fiabile și eventual adoptare unor module care să permită citirea la distanță. Totodată, în scopul aplatizării consumului din sistem, începând cu anul 1995 s-a demarat montarea contoarelor cu dublu cadran pentru consumatorii casnici. În ceaa ce privește sistemul de facturare, acesta se realizează odată la una sau chiar două luni, plata făcându-se pe loc cititorului constatator.

În scopul reducerii numărului de deplasări la locul abonatului, o serie de sucursale de distribuție au trecut la utilizarea metodei autocitirii contoarelor de către abonat, cu o citire de regularizare la o perioadă de 6 luni.

În toate cazurile prezentate, este necesară citirea contoarelor la locul de montare. Pentru evitarea acestui inconvenient, există următoarele posibilități:

Citirea la distanță, oferă o serie de avantaje, cum ar fi lipsa necesității prezenței a abonatului la domiciliu, economie de personal prin eliminarea cititorilor încasatori, problemele ridicate de modificarea tarifiului se pot face operativ, depistarea unor intervenții neautorizate asupra contoarelor, posibilitatea realizării de prelucrări statistice.

Dezavantajele acestei metode însă, constă în costul ridicat datorită aparaturii complexe de colectare, transmitere și prelucrare a datelor, precum și a contoarelor de tip electronic folosite.

6. Realizări pe plan național în domeniul sistemelor moderne de măsurare a energiei electrice.

Progresul realizat pe plan mondial în tehnica VLSI(Very-Large-Scale Integration), descoperirile marcante în domeniul fizicii tehnologice și al transmisiilor de date, a făcut posibilă începând cu anul 1980, realizarea unor echipamente digitale destinate domeniului energetic caracterizate prin fiabilitate ridicată, insensibilitate la perturbații electromagnetice, clasă de precizie foarte mică și posibilitatea transmisiei la distanță.

Arhitectura acestor echipamente este organizată în jurul unuia sau mai multor microprocesoare dedicate prin cosntrucție, achiziției și prelucrării mărimilor energetice. Arhitectura bazată pe microcontroller împreună cu posibilitățile de transmisie în timp real

cu viteze de până la 14400 bps (pe liniile telefonice), au deschis o nouă cale în eficientizarea studiilor inginerești prin reducerea drastică a timpului de achiziție și prelucrare.

Realizările software pentru gestionarea și afișarea grafică a mărimilor achiziționate, au fost remarcabile, date fiind limitele tehnice ale părții hardware utilizate în acea perioadă. Din punct de vedere funcțional există similitudini între aceste sisteme și cele propuse pentru perioada imediat următoare (până in anul 2000) de instituțiile ABB, Schlumber, Siemens sau Power Measurement. Un pas înainte este exemplificat și de punerea în funcție la FTDEE Suceava și Constanța a unor PC-uri industriale.

În domeniul facturării energiei electrice, s-au făcut progrese abia după anul 1991, când au pătruns pe piață noile generații de calculatoare personale compatibile IBM și rețele de calculatoare. În prezent este extins aproape în toate județele țării sistemul de autocitire. În perioada următoare se va introduce și sistemul de plată anticipată, bazat pe contoare electronice cu cartelă sau cheie magnetică, în principal în zonele greu accesibile cititorilor încasatori. Acest sistem de plată anticipată produs de concernul Schlumberger este deja folosit cu succes în Chile, Marea Britanie, și Canada.

Până la atingerea acestui stadiu, o etapă intermediară o va reprezenta generalizarea introducerii calculatoarelor portabile cu autonomie de funcționare de minimul 72 de ore și miniimprimantă pentru printarea facturilor, destinate cititorilor încasatori. Astfel de calculatoare(Psion) sunt folosite la Oradea.

În anii viitori se va spori numărul grupurilor de măsură echipate cu contoare electronice; au apărut deja pe piața românească și contoare de analiză calitativă a energiei electrice ALPHA cu facilități PowerPlus, Indigo+.

7.Puteri și energii înrețelele electrice

Încă din anul 1888 s-au facut referiri la faptul că oscilațiile de putere între o sursă alternativă și o sarcină sunt cauzate de decalajul între tensiuni și curenți.

Pentru sistemele în regim sinusoidal, specialiștii acceptă definițiile atribuite puterii aparente S, puterii active P și puterii reactive Q. Industria și instituțiile de metrologie au cooperat cu succes pentru dezvoltarea instrumentelor necesare măsurării acestor mărimi.

În retele trifazate (de curent alternativ sinusoidal) puterile se definesc astfel:

puterea activa:

P=Pf1+ Pf2+ Pf3= ,

unde Pfk(k=1, 2, 3) sunt puterile active pe fiecare fază.

Dacă sistemele trifazate de tensiuni și curenți sunt simetrice, atunci:

P=∙U∙I∙cosφ [W].

puterea reactivă:

Q=Qf1+ Qf2+ Qf3,

unde Qfk(k=1, 2, 3) sunt puterile reactive pe fiecare fază.

Dacă sistemele trifazate de tensiuni și curenți sunt simetrice, atunci:

Q=∙U∙I∙sinφ [VAr].

puterea aparentă:

Se numește putere putere aparentă sau totală produsul dintre valoarea efectivă a tensiunii de la bornele circuitului și intensitatea efectivă a curentului stabilit in circuit.

P=U∙I

Contoare trifazate pentru măsurarea energiei active și reactive

Acestea măsoară energia activă W într-un sistem trifazic:

Wa=U∙I∙cosφ,

fie energia reactivă Wr= U∙I∙sinφ.

Contoarele de energie activă și reactivă diferă doar prin schema legăturilor și modul de conectare în circuit.

Pentru tensiuni și curenți mai mari decât valorile nominale, contoarele se conectează în secundarele transformatoarelor de măsură. Simbolurile utilizate pentru contorul trifazat de energie activă, sunt Camn, și au următoarele specificații:

C-contor;

A-energie activă;

m-numărul de faze ale rețelei trifazate;

n-numărul de sisteme active monofazate de măsură ale contorului.

Pentru măsurarea energiei electrice reactive se folosesc contoare de inducție de energie reactivă, și pot fi de două tipuri:

contoare de energie reactivă cu șunt (varorămetrele) conectate la tensiunea și curentul circuitului a cărei energie reactivă se măsoară (utilizate în circuitele monfazate și trifazate de tensiuni oarecare).

contoare de energie reactivă alimentate cu curentul principal dar cu tensiune auxiliară, diferită de cea a circuitului în care se măsoară energia reactivă( pentru circuitele trifazate cu tensiuni simetrice)

Întrucât puterea reactivă integrată de aceste contoare poate fi pozitivă sau negativă, se execută în mod special pentru fiecare din aceste două tipuri de sarcină, existând astfel contoare de energie inductivă (consumată) și contoare de energie capacitivă (debitată) Diferența lor constructivă se reduce numai la inversarea sensului curentului în unele bobine, de obicei în cele de curent.

Generalități privind măsurarea energiei electrice

În curent continuu, energia electrică are expresia:

W=UIΔt=PΔt, unde

U-tensiunea de la capetele circuitului, I-intensitatea curentului care îl străbate, Δt- timpul în care se produce/consumă puterea electrică P corespunzătoare.

Puterea reprezintă energia consumată în unitatea de timp:

Dacă puterea rămâne constantă în intervalul de timp Δt=t2-t1, se poate considera energia consumată în intervalul respectiv de timp ca fiind:

W=P(t2-t1)

În general, în practică puterea nu rămâne constantă. Puterea P consumată într-un receptor parcurs de curentul I și având tensiunea la borne U, se definește ca fiind valoarea medie a puterii instantanee considerată pe o perioadă T( sau pe un număr între de perioade).

Dacă mărimile U și I sunt sinusoidale:

U=Umaxsinωt=√2Uefsinωt; I=Imaxsin-φ)=√2Iefsin(ωt-φ), atunci puterea instantanee este dată de relația:

P=IefUefsinωtsin(ωt-φ), și integrala devine:

P=IefUefcosφ

În acest caz, se poate împărți intervalul de timp t2-t1 în intervale mici de timp Δtk, în care să se considere că puterea rămâne constantă. În această ipoteză, energia activă consumată în intervalul de timp t2-t1 se poate considera a fi egală cu suma energiilor active elementare consumate în intervalele Δtk.

unde:

În mod analog se poate defini energia reactivă ca fiind:

Dat fiind faptul că sumele de mai sus pot fi aproximate cu integrale, se poate spune că integrarea puterii active în intervalul de timp Δt=t2-t1, ne dă energia activă:

Analog, integrarea puterii reactive dă energia reactivă

Deci, energia electrică este integrala puterii pe un anume interval de timp.

Contoare cu multiplicatoare electronice

Se construiesc în două variante, varianta de laborator(serie mică) cât și în cea de tablou(serie mare) și sunt utilizate în configurații de 4 sau 3 fire.

Firma europeană Landis Gyr a realizat contoare electronice bazate pe principiul dublei modulări a amplitudinii și duratei impulsului, unele cu clasa de precizie de 0,2, care se pretează la fabricație de serie. Acestea au avantajul că nu au părți mobile, cu excepția mecanismului integrator și a contactelor pentru transmiterea la distanță a informației. Se mai construiesc variante de clasă de precizie 0,05-0,1, care sunt utilizate ca aparate etalon de energie sau de putere, si nu se introduc în producția de serie.

Contoare trifazate

Acestea sunt la bază contoare cu 3 echipaje (multiplicatoare), pot funcționa atât în configurație cu 4 fire, cât și în configurație cu 3 fire. Pot măsura atât energia activă consumată, cât si energia reactivă, deci sunt mai versatile decât contoarele electromecanice. Ca trăsaturi specifice, au clasă de precizie foarte bună( la contorul utilizat în lucrare, clasa de precizie este de 0.5S pentru energie activă, și clasa de precizie 1 pentru energie reactivă). Precizia acestor contoare se datorește multiplicatorului folosit, cu transconductanță variabilă.Ca arhitectură,(exterioară/de gabarit) sunt asemănătoare cu contoarele trifazate de inducție și păstrează aceeași numerotare la plăcuța de borne.

Schema de principiu

Notații utilizate în schemă:

1,2,3(M)-multiplicatoare; 4(CI/F) convertor curent-frecvență; 5-circuit de blocaj pentru sarcini reduse; 6(CL)-circuit logic; 7-diodă electroluminiscentă; 8,9-divizoare de frecvență; 10,11-mecanisme integratoare(cu roți dințate) pentru energie + și -; 12,13- releu REED pentru cele două sensuri de vehiculare a energiei; 14-eclator de protecție; 15(SA)-sursă de alimentare pentru circuitele electronice; 16(BC)-Bloc de comandă.

Principiu de funcționare

Circuitul de multiplicare este format din trei multiplicatoare realizate pe principiul dublei modulări a duratei și amplitudinii impulsului.

Fiecare multiplicator este prevăzut cu un transformator de curent și de tensiune pentru realizarea adaptării și separării galvanice între rețea și partea electronică. Multiplicatorul măsoară puterea instantanee P=U∙I și la ieșire prezintă o tensiune direct proporțională cu puterea instantanee.

Curenții de ieșire ai multiplicatorului(pentru obținerea energiei totale)se însumează, iar curentul total este integrat într-un convertor care îl transformă într-o frecvență a unui tren de impulsuri.

Convertorul curent-frecvență de impulsuri, funcționează după principiul încărcării și descărcării compensate a unui condensator.

Aparatul dispune de semnalizarea sensului de circulație al energiei, spre receptor și invers. Impulsurile de la ieșirea convertorului(CI/F), prelucrate cu un circuit logic, și cu divizoare frecvență, sunt numărate de două mecanisme integratoare, care permit afișarea energiei, afectată de semnul (+) sau (-), în funcție de sensul de vehiculare în sistem.

Cu scopul de a dispune direct de impulsurile de la ieșirea convertorului curent-frecență, pentru o etalonare, se utilizează în schemă o diodă electroluminiscentă(7), care permite separarea galvanică între circuitele contorului electronic și un cap magnetic de citire.

În cazul acestui tip de contor se pretează conexiunea cu 4 sau 3 fire, pentru receptoare stea/triunghi, etc. .Modul de lucru se poate selecta de către utilizator prin intermediul blocului de comandă BC.

Alimentarea aparatului, se face fie de la rețea, fie din baterii Li-Ion. Sursa de alimentare a părții electronice se conecează la secundarul unui transformator, iar primarul transformatorului se prevede cu un eclator pentru protecție la supratensiuni.

Clasificarea contoarelor electrice

Aparatele construite pentru măsurarea energiei electrice în curent alternativ, trebuie să aibă unul sau mai multe sisteme active(dispozitive wattmetrice) care să producă un cuplu activ proporțional cu puterea activă sau reactivă și un dispozitiv integrator care să însumeze energiile elementare într-un anumit interval de timp(să efectueze integrarea puterii).

Aparatele utilizate pentru măsurarea energiei electrice active și reactive se numesc contoare electrice, și pot fi clasificate după mai multe criterii.

După natura curentului din circuitul în care se conectează:

de curent continuu,

de curent continuu și alternativ,

de curent alternativ monofazat/trifazat cu/fără fir neutru.

După mărimea măsurată se deosebesc:

contoare de cantitate de electricitate(amperorămetrele),

contoare de energie activă(wattorămetrele),

contoare de energie reactivă(varorămetrele),

contoare de energie aparentă.

După principiul de funcționare:

contoare electrolitice, care cuprind:

-contoare cu hidrogen,

-contoare cu mercur.

2. contoare de tip “motor” , care cuprind:

-contoare magnetoelectrice (utilizate numai in curent continuu),

-contoare dinamometrice (utilizate aproape exclusiv în curent continuu),

-contoare de inducție (utilizate exclusiv în curent alternativ).

3. contoare pendulare

4. contoare statice(electronice)

De obicei, în circuitele de curent continuu se folosesc de regulă contoarele de tip electrodinamic. În cazul în care tensiunea este constantă în circuit, se folosesc contoarele de cantitate de electricitatede tip magnetoelectric sau electrolitic. Pentru circuitele de curent alternativ se folosesc contoarele de inducție. Acestea se realizează pe principiul aparatelor de inducție. Conductoarele statice, având la bază multiplicatoare cu elemente semiconductoare, pot fi folosite și pentru măsurarea energiei în circuitele de curen continuu.

Contoarele se dispun între rețeaua de alimentare și consumator.

Contoarele electronice actuale, după mai multe încercări bazate pe diferite tipuri de multiplicatoare, s-au oprit la multipliplicatorul cu modulație în amplitudine și durată, care le asigură o precizie superioară tuturor contoarelor electromecanice cunoscute. În această direcție, contorul electronic s-a impus ca aparat-etalon, fiind folosit în calibrări de laborator/de teren, precum și ca aparat de precizie, pentru măsurarea cantităților mari de energie în punctele importante ale sistemelor electroenergetice.

Contoarele electronice de precizie sunt de obicei trifazate, de clase de precizie 0,2, 0,5 și 0,1, prevăzute cu mai mulți curenți nominali și mai multe tensiuni nominale. Sunt realizate folosind un multiplicator cu modulație în amplitudine și durată, urmat de un convertor tensiune-frecvență și un numărător. Convertorul tensiune-frecvență generează impulsuri, al căror număr total într-un interval de timp, este proporțional cu energia transmisă în acel interval de timp. Impulsurile pot fi utilizate și pentru telemăsurarea energiei, pentru totalizarea energiilor din mai multe puncte de măsurare, înregistrarea și prelucrarea rezultatelor, etc. Contoarele electronice sunt prevăzute și cu comanda electrică a pornirii și opririi, aducere la zero, și uneori cu alte tipuri de programări. Importanța lor crescândă este subliniată și de elaborarea unor recomandări internaționale privind caracteristicile lor metrologice.

Principiul de interpretare a diagramei vectoriale

Reconstituirea montajului real

După cum s-a observat în capitolele anterioare, fiecărei combinații posibile ale legăturilor circuitelor de măsură, îi corespunde o imagine geometrică caracteristică a tensiunilor și curenților care acționează asupra integratoarelor contorului. Bazată pe această proprietate, utilizând rezultatele măsurătorilor efectuate cu wattmetrul la bornele contorului, permite astfel reconstituirea schemei de conexiuni a circuitelor de tensiune și curent conform situației reale din instalația electrică.

În cazul general, procedeul de verificare a montajului cu ajutorul diagramei vectoriale a schemei de conexiuni, cuprinde următoarele faze principale:

verificarea simetriei sistemului de tensiuni secundare (adaptat ca sistem de referință) cu ajutorul voltmetrului prin măsurarea celor trei tensiuni între faze, aplicate bornelor contorului;

determinarea secvenței sistemului de tensiuni la bornele contorului cu indicatorul de succesiune a fazelor;

reconstituirea schemei reale a circuitelor de tensiune ;

construirea diagramei vectoriale a tensiunilor aplicate la bornele contorului;

determinarea curenților din sistemele active ale contorului prin măsurarea proiecțiilor pe direcția tensiunilor;

construirea diagramei vectoriale a curenților;

reconstituirea schemei de conexiuni reale a circuitelor de curent prin analiza poziției reciproce a vectorilor de tensiune și curent;

eliminarea erorii de conexiune (dacă este cazul) prin corectarea legăturilor la bornele contorului;

stabilirea coeficientului de corecție pentru recalcularea energiei eronat înregistrate de contor.

Teoretic există o varietate foarte mare de posibilități de racordare greșită a contoarelor trifazate. Chiar și în cazurile practice de verificare a montajului contoarelor în funcțiune, când se pot distinge în circuitele de măsură conductoarele de curent de conductoarele de tenisune, numărul greșelilor de montaj este destul de ridicat. De asemenea trebuie avut în vedere că legăturile la pământ ale circuitelor secundare executate greșit, constituie o sursă suplimentară de erori de conexiune, manifestată prin efectul de șuntare a transformatoarelor de curent.

În aceste condiții, interpretarea diagramei vectoriale în cazuri complexe, este destul de dificilă chiar și adăugând ipoteza unei calificării superioare a verificatorului, nu exclude necesitatea unor operații de identificare de lungă durată.

Principiul de funcționare al contorului static

Circuitul de multiplicare, este fără doar și poate elementul esențial al contorului electronic. Acesta efectuează produsul între două semnale de tensiune.Se presupunem că tensiunea circuitului de curent alternativ în care se măsoară energia, are o variație sinusoidală în timp, de frecvență .

Tensiunea la bornele circuitului de intrare, va fi:

u=√2∙U∙sin(ωt+β);

Prin intermediul „circuitului de intrare tensiune” reprezentat de un atenuator sau cel mai des întâlnit, transformator de măsură de tensiune se aplică pe una din intrările multiplicatorului semnalul :

u1=k1∙u=k1√2∙U∙sin(ωt+β);

Se admite curentul în circuitul consumatorului de forma :

i=√2∙Isin(ωt+ϒ);

Prin intermediul „circuitului de intrare curent” format din transformatorul de măsură de curent, urmat de un convertor curent-tensiune, pe cealaltă intrare, se aplică multiplicatorului următorul semnal:

u2=k2∙i=k2∙√2∙Isin(ωt+ϒ)

După o condiționare adecvată, se aplică multiplicatorului semnale proporționale cu tensiunea la bornele consumatorului, și cu curentul absorbit de consumator. Ca urmare, la ieșirea multiplicatorului care efectuează produsul celor două semnale u1 și u2, și se obține o tensiune uM purtătoare de informație asupra puterii instantanee din circuitul investigat:

uM=kM∙u1∙u2=kM∙k1∙k2∙u∙i=kp

Tensiunea de la ieșirea multiplicatorului mai poate fi scrisă sub forma :

uM= kp=u1∙u2= k1√2∙U∙sin(ωt+β)∙ k2∙√2∙Isin(ωt+ϒ)=k∙2∙U∙I∙ sin(ωt+β)∙ sin(ωt+ϒ)=k∙2∙[U∙I∙cosφ-U∙I∙cos(ωt+β+ωt+ϒ)]= k∙[U∙I∙cosφ-U∙I∙cos(2ωt+β +ϒ)].

S-a notat cu φ diferența dintre β și ϒ.

Deci rezultă o mărime periodică, având o componentă constantă, și o componentă de frecvență dublă.

Pentru a se obține un semnal proporțional cu puterea activă, este necesar ca în schemă să se prevadă un detector de valori medii.

Detectorul de valori medii furnizează la ieșire o tensiune continuă U’ proporțională cu valoarea medie pe o perioadă T’ aleasă egală cu un multiplu n de perioade .

Convertorul analog digital (CAD) digitalizează această tensiune continuă U’. Convertorul este de tip tensiune-frecvență.

Tensiunea de ieșire a detectorului este proporțională cu puterea activă din circuitul investigat.

Cifrele indicate de afișaj sunt proporționale cu energia activă W ce a fost absorbită de consumator, în intervalul de timp t.

Particularități la măsurarea puterii și energiei pe cale numerică

Eșantionarea unui semnal analogic constă în prelevarea valorilor semnalului la momente de timp echidistante, τ (numit interval sau perioadă de eșantionare).

Eșantionarea se realizează înmulțind semnalul cu un tren de impulsuri δ(t), rezultând un semnal discret ce urmează a fi cuantizat (cu ajutorul unui convertor analog-numeric) și reprezentat numeric.

Deoarece un semnal analogic are un domeniu continuu de amplitudini, pulsurile din semnalul eșantionat vor avea un număr infinit de nivele de amplitudine. Cuantizarea constă în aproximarea semnalului eșantionat cu un semnal construit din valori discrete de amplitudine.

Conform teoremei eșantionării, este necesar ca frecvența de eșantionare să fie cel puțin de două ori mai mare decât cea mai ridicată frecvență a spectrului (presupus limitat) a semnalului achiziționat.

Tensiunea u și curentul i care intră în expresia puterii sunt mai întâi eșantionate cu o rată convenabilă(100-500 eșantioane/perioadă) după care eșantioanele sunt numerizate(CAN), iar în final sunt introduse în blocul de calcul numeric. Pe baza eșantionarelor numerizate se calculează valorile efective ale lui u și i precum și puterea P ca mărimi primare, iar celelalte mărimi (Q, S, cosφ, etc.) se determină pe baza lui U, I și P.

Valorile efective ale lui U și P se calculează cu relațiile:

în care n este numărul de eșantionare pe o perioadă T, uk și ik, „înălțimile” eșantioanelor respective, iar a și b sunt factori de scară.

Eșantionarea curbelor tensiunii și curentului se realizează astfel:

Puterea activă P se calculează cu relația:

în care c este factorul de scară.

Puterea aparentă S se determină pe baza lui U și I (S=UI), factorul de putere cosφ pe baza lui S și P. Puterea reactivă Q se determină cu relația:

Pe baza acestor informații se pot completa următoarele observații:

Odată cu măsurarea mărimilor fundamentale(U, I, P), aparatul permite și măsurarea frecvenței tensiunii U. Aceasta se poate realiza relativ simplu, fie prin măsurare directă cu un modul de tip frecvențiometru, fie cu ajutorul unui convertor frecvență-tensiune. În ultima vreme se folosește calea numerică de determinare a frecvenței, pornind de la analiza eșantioanelor semnalului de intrare U, în condițiile cunoașterii ratei de achiziție a acestora.

Măsurarea factorilor de distorsiuni ai tensiunii și curentului se pot face folosind metoda filtrării numerice a fundamentalei (U1, I1). Calculul distorsiunilor este aproape imediat atunci când se face analiza armonică a semnalelor de intrare (U, I).

Pe baza lui P calculat, se poate determina și energia W consumată de un receptor, într-un interval de timp t1(ore, zile, săptămâni) calculele fiind efectuate de către un microprocesor, însă contoarele monofazate cu microprocesor încă nu s-au impus față de cele cu multiplicator MAD, deoarece acestea din urmă sunt mai convenabile din pricina raportului performanță cost.

Analiza armonică constă în evidențierea separată a parametrilor(amplitudine, frecvență și eventual fază) pentru fiecare armonică. Clasic, operația se face cu ajutorul unui voltmetru selectiv sau cu ajutorul unui analizor spectral cu banc de filtre. O metodă mai avansată și mai rapidă constă în utilizarea unui analizor spectral numeric, care are la bază utilizarea transformatei Fourier discrete sau rapide la determinarea spectrului complex, din care se extrage apoi componenta în armonici a semnalului eșantionat. În mod normal, operația se face prin calcul, chiar de către microprocesorul aparatului, dacă acesta este suficient de rapid; un procesor de semnal poate rezolva această problemă foarte bine.

Mărimea s-a dovedit a fi foarte utilă în exploatarea rețelelor electrice de forță. Aceasta este denumită factor de calitate al rețelei și valoarea acestuia poate fi măsurată/calculată de analizorul de energie.

Analizoarele de energie/ putere se construiesc mai ales în variante portabile(de buzunar) pentru a permite un control rapid al parametrilor energetici, direct la bornele consumatorilor.

1 Transformatoarele de curent

1.1 Schema de principiu

Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al acestui tip de transformator, este similar cu cel al transformatoarelor de forță și constă în transferul de energie electromagnetică de la înfășurarea primară către înfășurarea secundară prin fenomenul de inducție electromagnetică.

În figura de mai sus s-a reprezentat schematic construcția transformatorului de curent cu un singur miez (implicit o înfășurare secundară). Numărul de spire N1 din înfășurarea primară, sunt străbătute de curentul i1, iar înfășurarea secundară cu numarul de spire N2 este străbătută de curentul i2, iar circuitul feromagnetic care înlănțuie ambele înfășurări este străbătut de fluxul util Φ.

Curentul i1 provine de la circuitul în care se montează transformatorul, fiind independent de regimul de funcționare al transformatorului. Curentul i2 însă, este indus de curentul i1, astfel încât acesta se opune întotdeauna cauzei ce l-a produs.

Fluxul rezultant Φ este produs de solenația celor două înfășurări, mai exact, de suma lor.

În regim sinusoidal, legea circuitului magnetic se exprimă astfel:

N1I1-N2I2=N1I0=Rm∙Φ

unde, N1I0 este solenația rezultantă, iar Rm este reluctanța magnetică echivalentă a circuitului feromagnetic.

Fluxul Φ produce prin inducție electromagnetică, în fiecare din înfășurări, câte o tensiune electro-motoare a cărei valoare efectivă pe spiră, are valoarea:

unde f este frecvența circuitului iar Φmax este valoarea maximă a fluxului magnetic.

Observații

Anumite transformatoare de curent industriale, adoptă ca și construcție, o singură înfășurare primară, dispusă pe mai multe miezuri, fiecare cu înfășurare secundară proprie , pentru alimentarea circuitelor sencundare de măsură și protecție. Fiecare dintre secundarele transformatorului funcționează independent de celelalte, după modul descris anterior.

Regimurile de funcționare și marcarea bornelor transformatoarelor de curent

În cazul transformatoarelor de curent, se deosebesc 3 regimuri de funcționare, regimul normal, regimul de avarie și regimul de supracurent. În continuare se va trata pe scurt, fiecare regim de funcționare cu precizarea că distingerea între aceste regimuri de funcționare, se face în funcție de valorile impedanței Zs și curentul primar i1.

Regimul normal de funcționare(Zs≤Zsn)

În regimul normal, modul de funcționare al transformatoarelor de curent este destul de apropiat cu funcționarea transformatoarelor de forță, în regim de scurtcircuit. Singura deosebire între cele două funcționări este că atenția în cazul construcției transformatoarelor de curent este îndreptată asupra preciziei, și nu asupra randamentului. Erorile transformatorului de curent sunt cauzate de existența solenației N1I0 respectiv că circuitul are o anume reluctanță magnetică (Rm≠0).

În scopul reducerii erorilor, s-a adoptat realizarea circuitelor feromagnetice de reluctanță cât mai mică (formă toroidală, lungime mică și secțiune respectiv permeabilitate mari). De asemenea, se aleg valori mici pentru inducția magnetică, de ordinul 0,2…0,1 Wb/m2.

Regimul de supracurent(Zs≤Zsn, i1>i1N)

Transformatorul de curent are circuitele primare conectate în serie cu circuitul receptor de energie, astfel curentul primar poate depăși valoarea nominală în cazuri de avarie. În acest caz, la regimul de supracurent, apar 3 caracteristici de funcționare și anume coeficientul de saturație, curentul limită termic și curentul limită dinamic. Coeficientul de saturație reprezintă raportul dintre curentul primar i1 și curentul primar nominal i1N. Curentul limită termic este valoarea efectivă a curentului primar care poate străbate timp de o secunda înfășurarea primară, fără a produce deteriorări(termice). Curentul limită dinamic este valoarea de vârf a curentului primar care poate străbate preț de câteva perioade înfășurarea primară, fără a produce deteriorări(prin deformări).

Regimul de avarie(i1≠0 și Zs=)

Acest regim corespunde funcționării cu circuitul secundar deschis. Curentul i2=0, și in acest caz, solenația magnetizantă crește foarte mult, devenind egală cu solenația primară. Odată cu acestea, cresc pierderile în fier, fiind proporționale cu pătratul inducției magnetice, precum si fluxul magnetic Φ.

Fig. Tensiunea electromotoare e2 în circuitul secundar deschis al transformatorului

Din schema de mai sus se poate observa că tensiunea e2 prezintă vârfuri ascuțite de valori mari datorită atingerii saturației miezului magnetic într-un inteval de timp scurt, valori ce pot deveni periculoase pentru personalul de deservire sau pentru izolația înfășurării secundare. Valoarea acestei tensiuni este :

Observații

În timpul activității sistemului primar al transformatorului de curent, trebuiesc evitate manevrele în circuitele secundare. În cazul în care s-au realizat manevre in aval de circuitele secundare(verificări sau modificări ale aparatelor) este obligatorie verificarea continuității circutelor.

Dacă transformatorul de curent a funcționat un timp scurt cu secundarul deschis( și dacă nu a suferit distrugeri de izolație) poate fi utilizat doar după demagnetizarea miezului, după care se efectuează verificarea completă, în special a clasei de precizie.

Raport de transformare. Erori. Tipuri constructive (urmează)

Parametrii suplimentari ce pot fi obținuți de la un contor cu microprocesor

Din experiența în exploatarea rețelelor trifazate, s-a demonstrat că, în afară de mărimile măsurate în sistemele monofazate, pentru controlul funcționării rețelelor trifazate precum și a calității energiei vehiculate prin acestea, informații utile aduc și unii parametrii convenționali (mărimi echivalente) ale rețelei sistemului trifazat.

Valorile acestor mărimi pot fi momentane sau medii de lungă durată, și se pot referi la rețele cu 3 sau 4 conductoare. Aceste mărimi li se va atribui indicele Σ, pot fi calculate de un microprocesor, având următoarele definiții:

Valori momentane ale unor mărimi echivalente

Prin valoare momentană, în sistemele electroenergetice se înțelege valoarea mărimii respective indicată de aparatele de măsură, la un moment dat. După cum se știe, aceste aparate mediază (integrează) pe termen scurt (sub o secundă), interval care este mult mai mare decât perioada T. Valoarea momentană nu trebuie confundată cu valoarea instantanee din regimul sinusoidal.

Principalele mărimi echivalente în sistemele trifazate se definesc astfel

Tensiunea echivalentă UΣ a sistemului trifazat simetric:

unde U12, U23, U31 reprezintă tensiunea dintre fazele cu indicii respectivi.

Curentul echivalent IΣ al sistemului trifazat simetric:

relație în care SΣ=S1+S2+S3 reprezintă puterea aparentă echivalentă a rețelei trifazate.

Puterea activă și reactivă a sistemului trifazat:

PΣ=P1+P2+P3 (puterea activă) ; QΣ=Q1+Q2+Q3( puterea reactivă).

Factorul de putere echivalent:

Factorul de calitate echivalent:

Valori medii pe termen lung

Valorile medii pe termen lung(ore, zile, luni) s-au dovedit a fi la fel de utile în practică. Aceste mărimi se notează cu simbolurile mărimilor respective, dar pentru a le putea deosebi de mărimile cu indicele Σ precum și de valoarea medie redresată, se notează cu supralinie. Dintre aceste mărimi, menționez:

Puteri active medii pe fază:

Puteri reactive medii pe fază:

Puterea activă medie a rețelei trifazate:

Puterea reactivă medie a rețelei trifazate:

Contoare trifazate numerice de tablou

Acest tip de contor are la bază un microprocesor de semnal de 12 sau 16 biți (TMS 32010, de exemplu). Acest tip de contor este mai compact, și este întrebuințat de regulă consumatorilor uzuali (casnici).

În schema de mai sus, s-au utilizat următoarele notații:

DT/CCT- divizoare de tensiune respectiv convertoare curent-tensiune;

AU/AI- amplificatoare de izolare programabile pentru separare galvanică;

S/H- circuite de eșantionare-memorare;

CAN-convertor analog-numeric cu aproximații succesive;

MUX-multiplexor analogic pentru comutarea canalelor de curent și tensiune;

μP-microprocesor rapid sau procesor de semnal;

RS232- interfață de comunicație cu un calculator personal;