Измерение мощности

Согласно ПУЭ, измерение мощности должно производиться в цепях:

1) генераторов - активной и реактивной мощности. При установке на генераторах мощностью 100 МВт и более щитовых показывающих приборов их класс точности должен быть не хуже 1,0. На электростанциях мощностью 200 МВт и более должна также измеряться суммарная активная мощность.

2) конденсаторных батарей мощностью 25 МВАр и более и синхронных компенсаторов - реактивной мощности;

3) трансформаторов и линий, питающих СН напряжением 6 кВ и выше тепловых электростанций, - активной мощности;

4) повышающих двухобмоточных трансформаторов электростанций - активной и реактивной мощности. В цепях повышающих трехобмоточных трансформаторов (или автотрансформаторов с использованием обмотки низшего напряжения) измерение активной и реактивной мощности должно производиться со стороны среднего и низшего напряжений.

5) понижающих трансформаторов 220 кВ и выше - активной и реактивной, напряжением 110-150 кВ - активной мощности.

6) линий напряжением 110 кВ и выше с двусторонним питанием, а также обходных выключателей - активной и реактивной мощности;

7) на других элементах подстанций, где для периодического контроля режимов сети необходимы измерения перетоков активной и реактивной мощности, должна предусматриваться возможность присоединения контрольных переносных приборов.

При установке щитовых показывающих приборов в цепях, в которых направление мощности может изменяться, эти приборы должны иметь двустороннюю шкалу.

Должна производиться регистрация:

1) активной мощности турбогенераторов (мощностью 60 МВт и более);

2) суммарной мощности электростанций (мощностью 200 МВт и более).

Мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Единица мощности – ватт (Вт) - равна работе в один джоуль за одну секунду.

На переменном токе обычно применяются ваттметры электродинамической системы.

Нагрузка электрической системы наряду с активной всегда содержит реактивную составляющую. Под нагрузкой здесь понимается мощность, необходимая потребляющей части системы в некоторый рассматриваемый момент времени. Таким образом, нагрузка - это активная и реактивная мощности.

Активная мощность представляет собой энергию, которая потребляется цепью переменного тока за единицу времени. Она выражается произведением действующих значений напряжения U, тока I и фазового сдвига между этими величинами на угол φ, т.е. P=UI cos φ

Активная мощность получается в результате преобразования первичных видов энергии (например, сжигания топлива на электростанциях). Потоки активной мощности направлены от генераторов электростанций в сеть.

Умножение активной мощности на время дает электрическую энергию.

W= Pt=(UIcosφ)t

Реактивная мощность Q=UI sin φ необходима потребителям электрической энергии, которые по принципу своего действия используют энергию магнитного поля. Потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, индукционные печи, люминесцентное освещение, трансформаторы для дуговой сварки, а также трансформаторы, реакторы, линии и др.

Физический смысл реактивной мощности сводится лишь к скорости изменения энергии магнитного поля, что необходимо, например, и при передаче энергии из одной обмотки трансформатора в другую, и при работе электродвигателя с механической нагрузкой на валу, где энергия статора электродвигателя передается ротору также с помощью переменного магнитного поля.

Для получения реактивной мощности не требуется непосредственных затрат первичной энергии (топливо на электростанциях не расходуется). Однако при обмене энергией между генератором и потребителем и обратно в обмотках генератора и в сети возникают дополнительные потери активной мощности, требующие затрат первичной энергии. Потери в линии при передаче реактивной мощности в простейшей цепи однофазного синусоидального тока составляет

ΔΡ_a = (I sin φ)²R,

где R – активное сопротивление линии.

Полная мощность

_S=

Активная мощность является результатом перемножения периодических синусоидальных величин U и I_а =I cos φ, совпадающих по фазе, а реактивная мощность — результатом такого же перемножения величин и U и I_L, сдвинутых по фазе на угол 90°.

Для измерения мощностей на главных понизительных подстанциях (ГПП) применяют трехфазные ваттметры с переключателем фаз напряжения, чтобы обеспечить измерение как активной, так и реактивной мощностей одним ваттметром. Ваттметры для измерения активной и реактивной мощностей устанавливают также на подстанциях, где требуется повседневный контроль за перетоком мощности более 4000 кВ • А по отдельным линиям, на синхронных двигателях, если необходим контроль за их работой, на подстанционных трансформаторах напряжением 110 кВ и выше. На трансформаторах напряжением до 35 кВ мощностью 6300 кВ А и более устанавливают только ваттметры для измерения активной мощности. Подключают ваттметры через трансформаторы тока и напряжения.

Типовая схема включения ваттметра в трехфазную цепь:

Здесь звездочками обозначены начала токовой катушки и катушки напряжения. Для измерения реактивной мощности токовая обмотка ваттметра включается встречно.

Мощность в цепи трехфазного тока может быть измерена с помощью одного, двух и трех ваттметров. Метод одного прибора применяют в трехфазной симметричной системе. Активная мощность всей системы равна утроенной мощности потребления по одной из фаз.

Схемы измерения мощности трехфазного переменного тока при соединении нагрузок а - по схеме звезды с доступной нулевой точкой; б - по схеме треугольника с помощью одного ваттметра:

Если нагрузка соединена звездой с недоступной нулевой точкой или треугольником, то можно применить схему с искусственной нулевой точкой. В этом случае сопротивления должны быть равны Rвт+ Rа = Rb =Rc:

Для измерения реактивной мощности токовые концы ваттметра включают в рассечку любой фазы, а концы обмотки напряжения - на две другие фазы. Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на корень из трех. (Даже при незначительной асимметрии фаз применение данного метода дает значительную погрешность).

Методом двух приборов можно пользоваться при симметричной и несимметричной нагрузке фаз. Активная мощность определяется как сумма показаний ваттметров.

При измерении реактивной мощности можно применять схему с искусственной нулевой точкой:

Для создания нулевой точки необходимо выполнить условие равенства сопротивлений обмоток напряжений ваттметров и резистора R. Реактивная мощность вычисляется по формуле

где Р1 и Р2 - показания ваттметров.

Метод трех приборов применяется при любой нагрузке фаз. Мощность всей цепи определяется суммированием показаний всех ваттметров.

Реактивная мощность для трех- и четырехпроводной сети измеряется по схеме рис. 7 и вычисляется по формуле

где РA, РB, РC - показания ваттметров, включенных в фазы А, В, С.

На практике обычно применяют одно-, двух- и трехэлементные трехфазные ваттметры соответственно методу измерения.

Чтобы расширить предел измерения, можно применить все указанные схемы при подключении ваттметров через измерительные трансформаторы тока и напряжения. В качестве примера показана схема измерения мощности по методу двух приборов при включении их через измерительные трансформаторы тока и напряжения:

В цепях постоянного тока мощность определяется произведением тока в нагрузке и падения напряжения на ней:

Р = UI = I² R.

В цепях переменного тока мгновенное значение мощности потребления

p(t) = u(t)i(t)

Если и(t) и i(t) - периодические функции времени с периодом Т, то среднее значение мощности потребления за период называют мощностью, или активной мощностью Р. Мощность Р с мгновенным значением мощности р(t) связана выражением

P = 1/T∫ p(t)dt = 1/T∫uidt

В цепях однофазного синусоидального тока u(t) = U√2sinωt, i(t) = I√2sin(ωt±φ) измеряют активную Р, реактивную Q и полную S мощности:

Р = UI cos φ = I² R; 

Q = UI sin φ = I² X; 

S = UI = I²Z

где U, I - среднеквадратические значения напряжения и тока в цепи; φ - сдвиг по фазе между напряжением и током в нагрузке; R, X, Z,- активное, реактивное, полное сопротивления нагрузки.

Чаще всего ограничиваются измерением активной мощности.

В цепях несинусоидального периодического тока при условии, что функции U(() и I() можно разложить в ряд Фурье, формулы для определения активной и реактивной мощностей будут иметь вид

р = U₀I₀ + ∑ U_kI_k cos φ_k;

Q = ∑ U_kI_k sin φ_k,

где U₀,I₀ - постоянные составляющие напряжения и тока; U_k,I_k - соответственно среднеквадратические значения напряжения и тока k-й гармоники; φ_k - сдвиг по фазе k-й гармоники.

Мощность измеряется в абсолютных единицах – Вт, вар, ВА.

Пример. Ваттметры и варметры СР3020

Изготовитель -ЗИП-Научприбор.

Зарегистрированы в Госреестре средств измерений за №23893.

- номинальное значение фазных напряжений UФН=57,7В, линейных напряжений. UЛН=100В;

- номинальное значение фазных токов IФН=1А или IФН=5А (в зависимости от исполнения);

- номинальное значение измеряемой активной (реактивной) мощности 173Вт (173вар) или 865Вт (865вар);

- диапазон изменения фазных и линейных напряжений от 0,8UН до 1,2UН;

- диапазон изменения фазных токов от 0.01 IН до 1,2 IН;

- диапазон изменения частоты от 48 до 52Гц;

- диапазон изменения коэффициентов мощности: 

cosj = 0,5 (емк.) - 1-0,5 (инд.) для ваттметров;

sinj = 0,5 (емк.) - 1-0,5 (инд.) для варметров;

- диапазон установки КН от 1 до 20000, КТ от 1 до 6000;

- диапазон установки уставки допускаемого максимального значения измеряемой активной мощности (для ваттметров СР3020) от 10Вт до 9900МВт;

- интерфейс RS485 (гальванически развязан)

- пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерений ваттметров равны +0,5% к номинальному значению измеряемой активной мощности;

- пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерений варметров +1,0% к номинальному значению измеряемой реактивной мощности; - напряжение питания - сеть переменного тока напряжением (120...250)В и частотой 47-65Гц или постоянное напряжение (120:250)В; - потребляемая мощность не более 5ВА, габариты 144x72x220мм, масса не более 0,7кг;

- мощность, потребляемая  измерительными цепями ваттметров и варметров СР3020 не превышает:

- для токовых цепей –   0,07 В^.А на фазу,

- для цепей напряжения – 0,1 В^.А на фазу.

 

Ваттметры и варметры СР3020, ТУ 4221-014-16851585-2002, сертифицированы на соответствие требованиям ГОСТ Р 51350, ГОСТ 14014 п.1.30, ГОСТ Р 51121-97 п.4.6.