устройство для проверки индукционных электросчетчиков

Формула изобретения

1. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков состоит из параллельно подключенных между собой первой и второй групп из тиристора, диода и транзистора, проводники со стороны катода тиристора, анода диода и коллектора транзистора n-p-n-типа в каждой группе подключены к выводам вилки, подключаемой к розетке потребителя электроэнергии, а накопительный конденсатор соединен между эмиттерными цепями транзисторов первой и второй групп, при этом управляющие переходы последних трансформаторно связаны с высокочастотным импульсным генератором с регулируемой частотой, а тиристоры открываются поочередно в начале второй и четвертой четвертей периода сетевого напряжения соответственно для тиристоров второй и первой групп с помощью блока управления, синхронизируемого сетевым напряжением.

2. Устройство по п.1, в котором блок управления тиристорами содержит цепь временной задержки на четверть периода пониженного по амплитуде сетевого напряжения (на время 5 мс при частоте сетевого напряжения 50 Гц), подключенную к компаратору импульсов, привязанных во времени с максимумами сетевого напряжения в соответствующих его полупериодах, выход компаратора подключен к дифференцирующей цепи, связанной с последовательно соединенными первым одновибратором и первым согласующим усилителем, а также с последовательно включенными инвертором, вторым одновибратором и вторым согласующим усилителем, длительности импульсов первого и второго одновибраторов регулируются, выход первого согласующего усилителя подключен к управляющему переходу второго тиристора, а выход второго согласующего усилителя - к управляющему переходу первого тиристора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проверке индукционных приборов учета электроэнергии, чрезвычайно распространенных особенно в сельской местности, допускающих неконтролируемое хищение электроэнергии с помощью специальных электронных схем, подключаемых в обычную розетку в помещении абонента.

Среди способов хищения электроэнергии наиболее используемым населением является так называемый переброс фазного и нулевого проводников ввода у изоляторов, к которым подключено ответвление от ВЛ-0,4 кВ, установленных на фронтоне дома или его трубостойке, при использовании искусственного заземления. Для борьбы с этим распространенным способом хищения электроэнергии рекомендуется применять опломбирование одного из проводников ввода, связанного с одноименным проводником ответвления от ВЛ-0,4 кВ у изоляторов [1-2].

При проверке работниками Энергосбыта при таком способе хищения легко установить факт хищения, когда фазный проводник подключен к прибору учета не на его первой клемме, а на 3-ей или 4-ой клеммах (последние между собой закорочены внутри прибора учета). Указанное опломбирование при правильном соединении ввода с клеммами прибора учета исключает возможность хищения электроэнергии при сохранности пломб.

Однако существуют изощренные способы хищения на основе электронных схем, подключаемых в обычную розетку внутри дома абонента и позволяющих осуществить реверс счетного механизма (в электросчетчиках без стопора обратного хода вращающегося диска), то есть отмотку показаний в электросчетчике [3-6]. Эти схемы основаны на том, что счетчик существенно медленнее работает (медленнее вращается диск), если электроэнергия поступает к потребителю промодулированной по амплитуде высокочастотным колебанием в форме импульсов со скважностью, равной двум. Выбор частоты модулирующего сигнала является фактором, определяющим качество данного вида электросчетчика, его устойчивость к указанной амплитудно-импульсной модуляции потребляемой энергии.

В случае применения модуляции электросчетчик просто не учитывает часть расходуемой электроэнергии, но не имеет место отмотка показаний расходуемой электроэнергии. При этом важно при проверке работы таких счетчиков установить, при каких частотах модуляции тока нагрузки происходит неконтролируемый расход энергии, не оплачиваемой абонентом.

Для получения режима отмотки показаний электросчетчика индукционного типа (СО-2М, СО-И646М и другие) применяют накопители электроэнергии на конденсаторах, заряжаемых в первую и третью четверти периода сетевого напряжения с прерыванием зарядного тока импульсной модуляцией и разряжаемых обратно в сеть без прерываний тока разряда накопительного конденсатора соответственно во второй и четвертой четвертях периода. При прерывании счетный механизм вращается медленнее, чем когда возвращаемый в сеть ток не испытывает прерываний. При этом происходит отмотка показаний в электросчетчике, притом тем интенсивнее, чем больше емкость накопительного конденсатора.

Указанная электронная схема рассматривается в данной заявке и может быть использована при проверке работы индукционных электросчетчиков в целях изменения их схем, противостоящих такому роду хищения электроэнергии, в частности, доказывающая необходимость устранения из оборота индукционных приборов учета электроэнергии (со стопором или без стопора обратного хода диска).

Аналогов заявляемого устройства заявителем не обнаружено.

Целью изобретения является возможность выбраковки приборов учета электроэнергии, допускающих обратный отсчет электроэнергии при подключении заявляемого устройства к сети после расчетного счетчика, а также установления частоты модулирующих колебаний, при которой отмотка показаний максимальна при заданной емкости накопительного конденсатора.

Поставленные цели изобретения достигаются прерыванием тока заряда накопительного конденсатора с достаточно высокой частотой, например, с частотой до 20 кГц, и непрерывным во времени разрядом этого конденсатора обратно в электрическую сеть.

Заявляемое устройство для проверки индукционных электросчетчиков состоит из параллельно подключенных между собой первой и второй групп из тиристора, диода и транзистора, проводники со стороны катода тиристора, анода диода и коллектора транзистора n-р-n-типа в каждой группе подключены к выводам вилки, подключаемой к розетке потребителя электроэнергии, а накопительный конденсатор соединен между эмиттерными цепями транзисторов первой и второй групп, при этом управляющие переходы последних трансформаторно связаны с высокочастотным импульсным генератором с регулируемой частотой, а тиристоры открываются поочередно в начале второй и четвертой четвертей периода сетевого напряжения соответственно для тиристоров второй и первой групп с помощью блока управления, синхронизируемого сетевым напряжением.

Блок управления тиристорами содержит цепь временной задержки на четверть периода пониженного по амплитуде сетевого напряжения (на время 5 мс при частоте сетевого напряжения 50 Гц), подключенную к компаратору импульсов, привязанных во времени с экстремумами сетевого напряжения в соответствующих его полупериодах, выход компаратора подключен к дифференцирующей цепи, связанной с последовательно соединенными первым одновибратором и первым согласующим усилителем, а также с последовательно включенными инвертором, вторым одновибратором и вторым согласующим усилителем, длительности импульсов первого и второго одновибраторов регулируются, выход первого согласующего усилителя подключен к управляющему переходу второго тиристора, а выход второго согласующего усилителя - к управляющему переходу первого тиристора.

Достижение поставленных целей объясняется осуществлением замедленного подсчета энергии заряда накопительного конденсатора электросчетчиком в первой и третьей четвертях периода сетевого напряжения при прямом направлении вращения его диска и ускоренной отмоткой учитываемой энергии разряда накопительного конденсатора во второй и четвертой четвертях указанного периода при обратном направлении вращения диска индукционного электросчетчика, а различие в прямом и обратном подсчетах электроэнергии определяется выбором частоты прерываний тока заряда накопительного конденсатора, осуществляемого транзисторами, управление которыми производится с помощью их трансформаторной, с раздельными обмотками, связи с высокочастотным импульсным генератором с регулируемой частотой следования импульсов типа меандра.

Схема устройства приведена на рис.1, временные диаграммы ее работы - на рис.2 и 3, состав блока управления представлен на рис.4, а временные диаграммы работы последнего - на рис.5.

В верхней части рис.1 показаны проводники ВЛ-0,4 кВ (фазный и нулевой), индукционный однофазный прибор учета электроэнергии с его токовой обмоткой между первой и второй клеммами и обмоткой напряжения, соединяющей первую и третью клеммы электросчетчика, а также прибор защиты и розетка потребителя.

В нижней части рис.1 представлена заявляемая схема устройства из следующих элементов и блоков:

1 - вилки (подключаемой к розетке),

2 - первого тиристора,

3 - первого диода,

4 - первого транзистора,

5 - второго тиристора,

6 - второго диода,

7 - второго транзистора,

8 - накопительного конденсатора,

9 - блока управления тиристорами,

10 - высокочастотного трансформатора (ферритового) с раздельными входной и двумя выходными обмотками,

11 - высокочастотного импульсного генератора с регулируемой частотой следования импульсов типа меандра (со скважностью, равной двум).

На рис.2 представлены временные диаграммы:

на рис.2а - один период сетевого напряжения с амплитудой U_О и периодом Т,

на рис.2б - импульсные последовательности, непрерывно действующие на переходах база-эмиттер транзисторов 4 и 7 двух групп, формируемые высокочастотным импульсным генератором 11,

на рис.2в - импульсы управления тиристорами, формируемые в блоке управления 9,

на рис.2г - напряжение на накопительном конденсаторе 8 в разные четверти периода сетевого напряжения.

На рис.3 показан учет во времени электроэнергии (режим отмотки).

На рис.4 представлена блок-схема блока управления 9 тиристорами 4 и 7, которая содержит следующие элементы:

12 - цепь задержки на 5 мс (при частоте сетевого напряжения 50 Гц), например, RC-цепь с регулируемым резистором для подстройки времени задержки,

13 - компаратор,

14 - дифференцирующую цепь,

15 и 17 - первый и второй одновибраторы с регулируемой длительностью импульсов (например, в пределах 0,5 1,0 мс),

16 - инвертор,

18 и 19 - первый и второй согласующие усилители.

На рис.5 даны временные диаграммы:

на рис.5а - входного синусоидального напряжения сети с малой амплитудой,

на рис.5б - задержанного на четверть периода цепью задержки 12 напряжения,

на рис.5в - напряжения на выходе компаратора 13,

на рис.5г - напряжения на выходе дифференцирующей цепи 14,

на рис.5д - напряжения на выходе первого одновибратора 15 с регулируемой длительностью импульса, везде стрелками показан возможный временной сдвиг,

на рис.5е - напряжения на выходе второго одновибратора 17 с регулируемой длительностью импульса (запускающий импульс инвертирован элементом 16).

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

В первую четверть периода Т сетевого напряжения амплитудой U_O заряд накопительного конденсатора 8 происходит по цепи «транзистор 4 - накопительный конденсатор 8 - диод 6», и при этом заряд осуществляется прерывисто с частотой импульсной (меандровой) последовательности f от высокочастотного импульсного генератора 11 с регулируемой частотой следования импульсов прямоугольной формы (транзистор работает в ключевом режиме с малой мощностью рассеяния на его коллекторе). При этом оба тиристора 2 и 5 закрыты.

В начале второй четверти периода Т открывается тиристор 5 второй группы управляющих элементов, и накопительный конденсатор 8 разряжается непрерывно во времени обратно в электрическую сеть по цепи «тиристор 5 - накопительный конденсатор 8 - диод 3», и к концу второй четверти периода тиристор 5 закрывается самостоятельно.

В третьей четверти периода Т накопительный конденсатор перезаряжается прерывисто по цепи «транзистор 7 - накопительный конденсатор 8 - диод З» до амплитудного напряжения сети U_O, изменяя на противоположные знаки потенциалов на обкладках накопительного конденсатора 8. Последний должен допускать работу на переменном напряжении (в биполярном режиме).

В начале четвертой четверти периода Т открывается тиристор 2 первой группы управляющих элементов, и накопительный конденсатор 8 разряжается непрерывно во времени обратно в электрическую сеть по цепи «тиристор 2 - накопительный конденсатор 8 - диод 6», и к концу четвертой четверти периода тиристор 2 закрывается самостоятельно.

В следующих периодах весь указанный процесс повторяется.

Таким образом, заряд накопительного конденсатора 8 всегда является прерывистым с частотой прерывания f, значение которой выбирают из диапазона 10 20 кГц, а разряд обратно в электрическую сеть всегда является непрерывным во времени с двойной частотой 2F<<f сетевого напряжения (F=50 Гц), то есть когда электросчетчик считает расход энергии в обратную сторону в его нормальном режиме отсчета. При прерывистом заряде накопительного конденсатора счетчик недостаточно учитывает в прямом направлении потребляемую энергию в силу особенностей конструкции индукционных приборов учета (из-за высокочастотности прерываний тока заряда). Следовательно, хотя втекающий в накопительный конденсатор 8 электрический заряд равен вытекающему из него заряду, вращение диска в прямом (правильном) направлении в индукционном приборе учета происходит существенно медленнее, чем вращение диска в периоды непрерывного во времени разряда накопительного конденсатора 8. В целом диск такого счетчика вращается в обратную сторону от правильного направления (режим отмотки показаний), создавая впечатление, что абонент имеет генератор, поставляющий электрическую энергию в сеть. При этом абонент может не оплачивать ту часть энергии, которую фактически потребил в своей активной нагрузке, которая соответствует энергии «отмотки» за заданный интервал времени, пока данное устройство подключено к розетке абонента.

В случае, если индукционный прибор учета электроэнергии снабжен стопором обратного хода диска, и диск не может реверсировать, то для заданной величине емкости накопительного конденсатора 8 можно подключать безучетно активную нагрузку мощностью потребления, равной той, которая была бы показана счетчиком в режиме отмотки, если бы не было стопора обратного хода.

Экспериментально показано, что учет в прямом направлении при использовании заявляемого устройства приблизительно вчетверо меньше учета в обратном направлении, как это видно на рис.3, при правильном выборе частоты f прерываний заряда накопительного конденсатора 8. Для задания оптимальной частоты прерываний заряда f* в высокочастотном импульсном генераторе 11 предусмотрена регулировка частоты следования импульсов, непрерывно воздействующих на управляющие переходы транзисторов 4 и 7 через раздельные обмотки высокочастотного (ферритового) трансформатора 10.

Заряд накопительного конденсатора 8 емкостью С до амплитудного напряжения сети U _O с частотой 2F определяет потребляемую мощность при заряде и разряде Р=CU_O ²F (в электрической сети одна и та же энергия циркулирует туда и обратно с двойной частотой как при подключении к сети одного конденсатора, если пренебречь потерями на активных элементах управления). Однако, правильно учитываемая энергия с мощностью Р₁, вчетверо ниже учитываемой счетчиком энергии в режиме отмотки с мощностью Р₂ 4 Р₁, и мощность отмотки P_O оказывается равной P_O=P₂-P₁ 0,75 CU_O ²F при правильном подборе частоты f в высокочастотном импульсном генераторе 11.

Рассмотрим пример реализации устройства.

Пусть емкость накопительного конденсатора 8 равна С=1000 мкФ, амплитуда напряжения сети U_O=300 В при частоте сетевого напряжения F=50 Гц. Тогда имеем мощность режима отмотки P_O=0,75·10^-3·9·10 ⁴·50=3375 Вт при оптимальном выборе частоты прерываний f из диапазона 10 20 кГц. Следовательно, при подключении абонентом активной нагрузки указанной величины (приблизительно в 3 кВт) учет расходуемой электроэнергии производиться индукционным электросчетчиком не будет. В сутки это составит количество безучетно расходованной электроэнергии в 72 кВт.час, а за месяц - приблизительно 2200 кВт.час. Применение таких устройств в масштабах страны способно разорить энергосистему. Поэтому важно отказаться от использования индукционных приборов учета электроэнергии, и данный расчет это доказывает. Действительно, если в стране имеется около 50 миллионов абонентов (семей), из которых только одна десятая часть от всех абонентов использует данное устройство непрерывно во времени в течении полусуток, потребляя при этом каждый по 36 кВт.час за сутки, то годовая убыль потребленной безучетно электроэнергии составит по стране в целом гигантскую величину W =365·36·0,1·50·10⁶ =65,7 ГВт.час, что составляет весьма заметную часть от общей вырабатываемой в стране электроэнергии. При неконтролируемом массовом выпуске подобных заявляемому устройств энергосистема страны потерпит колоссальные убытки (до 150 млрд.руб. в год). При этом хищение электроэнергии оказывается практически недоказуемым, особенно при использовании у абонентов индукционных приборов учета со стопором обратного хода диска, когда невозможно определить представителями контролирующих органов, включена у абонента активная нагрузка или нет, поскольку диск не вращается в противоположном направлении в режиме отмотки при подключенной активной нагрузке.

С учетом величины емкости накопительного конденсатора 8 следует выбирать тиристоры 2 и 5, диоды 3 и 6 и транзисторы 4 и 7 с соответствующими характеристиками по максимальному пропускаемому току и обратному напряжению. Последнее выбирают с запасом, для стандартной сети - не ниже 400 В. В устройстве должны быть предусмотрены радиаторы охлаждения указанных управляющих элементов. В качестве накопительных конденсаторов должны использоваться импульсные, допускающие работу в частотном режиме (до 20 кГц) без ухудшения характеристик (в частности, по тангенсу угла потерь) с рабочим напряжением не ниже 500 В при электрической сети с действующим напряжением 220 В.

Выбраковка из обращения индукционных приборов учета электроэнергии в результате проводимой проверки на режим отмотки подбором оптимального значения частоты f прерываний при зарядах накопительного конденсатора 8 должна стать первостепенной задачей энергоснабжающих организаций страны.

Литература

1. Меньших О.Ф., Способ борьбы с хищениями электроэнергии, Патент РФ № 2208795, опубл. в № 20 от 20.07.2003;

2. Меньших О.Ф., Способ борьбы с хищениями электроэнергии (Способ Меньших), Патент РФ № 2308726, опубл. в № 29 от 20.10.2007;

3. Меньших О.Ф., Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, Патент РФ № 2338217, опубл. № 31 от 10.11.2008;

4. Меньших О.Ф., Способ проверки работоспособности электронного счетчика электроэнергии с двумя токовыми измерительными цепями и схема его осуществления, Патент РФ № 2344428, опубл. № 02 от 20.01.2009;

5. Меньших О.Ф., Устройство конвертирования активной нагрузки, Патент РФ № 2446538, опубл. № 9 от 27.03.2012;

6. Меньших О.Ф., Бестрансформаторный источник постоянного тока, Патент РФ № 2451384, опубл. № 14 от 20.05.2012.