Монтаж электрооборудования
и средств автоматизации

Работа 7

Монтаж квартирного щитка и счётчика электрической энергии

Цель работы

Задание к работе

Общие сведения

Порядок выполнения работы

Содержание отчета

Контрольные вопросы

Библиографический список

Цель работы

Изучить порядок и правила монтажа квартирного щитка осветительной сети, а также установки, проверки и включения счетчика электрической энергии.

Задание к работе

1. Изучить устройство квартирного щитка.

2. Изучить устройство, принцип действия однофазных и трехфазных счетчиков электрической энергии.

3. Усвоить правила установки и проверки счетчика.

4. Собрать электрическую цепь, состоящую из однофазного счетчика и ламп накаливания, включенных через однофазные автоматические выключатели.

5. Определить постоянную счетчика.

Общие сведения

В соответствии с ПУЭ [1] принята следующая классификация устройств для распределения и учета электрической энергии в жилых, общественных, административных и бытовых зданиях:

- вводное устройство (ВУ) – совокупность конструкций, аппаратов и приборов, устанавливаемых на вводе питающей линии в здание или в его обособленную часть;

- вводное устройство, включающее в себя также аппараты и приборы отходящих линий, называется вводно-распредели-тельным (ВРУ);

- главный распределительный щит (ГРЩ) – распределительный щит, через который снабжается электроэнергией все здание или его обособленная часть. Роль ГРЩ может выполнять ВРУ или щит низкого напряжения подстанции;

- распределительный пункт (РП) – устройство, в котором установлены аппараты защиты и коммутационные аппараты (или только аппараты защиты) для отдельных электроприемников или их групп (электродвигателей, групповых щитков);

- групповой щиток – устройство, в котором установлены аппараты защиты и коммутационные аппараты (или только аппараты защиты) для отдельных групп светильников, штепсельных розеток и стационарных электроприемников;

- квартирный щиток – групповой щиток, установленный в квартире и предназначенный для присоединения сети, питающей светильники, штепсельные розетки и стационарные электроприемники квартиры;

- этажный распределительный щиток – щиток, установленный на этажах жилых домов и предназначенный для питания квартир или квартирных щитков;

- электрощитовое помещение – помещение, доступное только для обслуживающего квалифицированного персонала, в котором устанавливаются ВУ, ВРУ, ГРЩ и другие распределительные устройства;

- питающая сеть – сеть от распределительного устройства подстанции или ответвления от воздушных линий электропередачи до ВУ, ВРУ, ГРЩ;

- распределительная сеть – сеть от ВУ, ВРУ, ГРЩ до распределительных пунктов и щитков;

- групповая сеть – сеть от щитков и распределительных пунктов до светильников, штепсельных розеток и других электроприемников.

Питание осветительных сетей осуществляется от квартирного щитка. Щиток обычно представляет собой штампованный каркас (иногда встречается – пластмассовый), закрепленный на кронштейнах. Щиток устанавливают в местах, удобных для обслуживания: на панелях, на стенах, в нишах или на щитах на высоте 1,4-1,7 м от пола. В верхней части квартирного щитка располагают пробочные предохранители, а в последних разработках только автоматические выключатели, в средней части – счетчик электрической энергии, в нижней – пакетный выключатель.

Для отключения счетчика и осветительной проводки при ревизиях, демонтаже и монтаже, питание от сети отключается через пакетный выключатель, а для защиты проводки и счетчика при перегрузках и коротких замыканиях предназначены предохранители и автоматические выключатели.

ОАО "Дивногорский завод низковольтной аппаратуры" (ДЗНВА) [2] разработало шкаф серии ПР 8804 (рис. 7.1) для индивидуальных жилых зданий (коттеджей), небольших общественных зданий, малых производственных предприятий и встроенных объектов (офисов, магазинов и т.п.), в котором предусмотрен ввод однофазной или трехфазной сети и защита от токов утечки на землю с уставкой срабатывания 30, 100, 300 мА. Позднее этим заводом (1998 г.) разработана новая модификация продукции: щитки осветительные групповые ЩО 8505, 8806, щитки этажные защитные ЩЭ 8505, щитки квартирные ЩК 8805, 8806 и ЩКП 8805, 8806 (рис. 7.2), щитки учётно-распределительные этажные ЩУР 8805, 8806 (рис. 7.3).

Рис. 7.1 ПР 8804

Рис. 7.2 ЩК 8805, ЩКП 8805

Рис. 7.3 ЩУР 8805

Щитки осветительные квартирные типа ЩКН (табл. 7.1), устанавливаемые в жилых домах, предназначены для приема, распределения и учета электрической энергии напряжением 220 В, а также для защиты линий при перегрузках и коротких замыканиях напряжением 220 В частотой до 60 Гц, выпускаются Красноярским заводом электромонтажных изделий [3]. Компоновка щитка ЩКН2-40А/Сч/3 приведена на рис. 7.4.

Учёт израсходованной электрической энергии потребителями осуществляется счётчиками (однофазными или трёхфазными) [4, 5].

Таблица 7.1

Технические характеристики щитков ЩКН

Рис. 7.4. Общий вид ЩКН2-40А/Сч/3

Устройство и схема подключения однофазного индукционного счётчика показаны на рис. 7.5. В зазоре между магнитопроводами обмотки напряжения 1 и токовой обмотки 10 размещён подвижный алюминиевый диск 8, насаженный на ось 6, установленную в пружинящем подпятнике 9 и верхней опоре 3. Через червячный редуктор 4 вращение диска передаётся счётному механизму 5. Магнитопровод катушек счётчика набирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35…0,5 мм, которые изолированы один от другого, что уменьшает потери от вихревых токов в магнитопроводе.

Рис. 7.5. Устройство и схема включения однофазного счетчика электрической энергии:
1 - магнитопровод обмотки напряжения;
2 - обмотка напряжения; 3 - верхняя опора;
4 - червячный редуктор; 5 - счетный механизм; 6 - ось;
7 - постоянный магнит; 8 - алюминиевый диск; 9 - подпятник;
10 - магнитопровод токовой обмотки;
11 - токовая обмотка

Две обмотки счётчика, выполненные из медной изолированной проволоки, расположены на стальных магнитопроводах. Одна из обмоток (токовая 11) имеет небольшое число витков (14-15) большого сечения и включена последовательно с нагрузкой, а вторая выполнена из тонкой проволоки диаметром (0,08-0,12) мм и числом витков 8000-12000 и включена параллельно нагрузке (обмотка напряжения 2). Когда к обмотке 2 приложено напряжение сети, а по обмотке 11 протекает ток нагрузки, в магнитопроводах появляются переменные магнитные потоки Ф_u и Ф_I (Ф_+I и Ф_-I), замыкающиеся через алюминиевый диск и индуцирующие в нем вихревые токи. Эти токи, взаимодействуя с соответствующими потоками, образуют вращающий момент, под действием которого диск вращается со скоростью, пропорциональной мощности потребителя.

Край диска при вращении пересекает силовые линии постоянного магнита 7 и создается тормозной момент. Этот момент останавливает диск счетчика при отсутствии нагрузки.

Каждый счетчик характеризуется передаточным числом, показывающим число оборотов диска при протекании через него 1 кВт·ч электроэнергии. Это число указывают на шкале счетчика, что соответствует 2500 оборотам диска. На шкале счетчика также указывают номинальное напряжение, класс точности, номинальный ток и частоту. Счетчики выпускают в прямоугольных и круглых пластмассовых корпусах.

Для увеличения пределов измерения счетчика применяют трансформатор тока (ТА) (рис. 7.6), который состоит из замкнутого стального магнитопровода и двух обмоток: вторичной и первичной.

Рис. 7.6. Устройство трансформатора тока

Магнитопровод ТА набирается также как и магнитопровод катушек. Первичную обмотку трансформатора тока выполняют из провода с большим сечением, соответствующим току нагрузки, вторичную – из провода с площадью сечения, рассчитанной на ток 5 А.

Первичную обмотку (зажимы Л₁ и Л₂) включают последовательно току нагрузки. Вторичную обмотку (зажимы И₁ и И₂) подключают к измерительным приборам: амперметрам, ваттметрам, счетчикам.

На рис. 7.7 показана схема однофазного счетчика с трансформатором тока.

Если энергия, потребляемая приемником без ТА, определяется как произведение мощности Р на время t (W=P·t=U·I·t), то при включении счетчика (Wh) с трансформатором тока (рис. 7.7)

где W₁, W₂ – показания счётчика в начале и в конце измерений;

К – коэффициент трансформации (указывается на корпусе ТА).

(7.2)

где ω₂ и ω₁ – соответственно количество витков вторичной и первичной обмоток.

Рис. 7.7. Схема включения однофазного счетчика в сеть через трансформатор тока

Схема включения счётчика активной энергии в сеть через трансформаторы тока для измерения электроэнергии в цепях трёхфазного тока при четырёхпроводной системе представлена на рис. 7.8.

Однофазные и трехфазные счётчики индукционной системы широко применяются для учёта электрической энергии в цепях переменного тока. Такие счетчики, например однофазные счетчики СО-505, СО-505Т, трехфазные СА4У-510, СА4-514, СА-518 выпускает Московский завод электроизмерительных приборов (МЗЭП) [6]. Они просты по конструкции, надёжны и дёшевы.

Технические характеристики счетчика СО-505, предназначенного для учета активной энергии в быту, общественных и производственных помещениях:

Рис. 7.8. Схема включения счётчика активной энергии в сеть через трансформаторы тока в четырёхпроводной системе

Номинальной постоянной счётчика С_н называется количество электрической энергии (число ватт·секунд), учитываемое счётным механизмом за один оборот диска счётчика. Например, по данным счётчика

Действительной постоянной счётчика (С_д) называется количество электрической энергии в Вт·с, которое прошло через счетчик за время, соответствующее одному обороту диска счётчика. С_д не является неизменной величиной, поэтому желательно её определять при различных нагрузках

(7.3)

где U – напряжение, В;

I – ток нагрузки, А;

n – число оборотов диска;

t – время, сек.

Зная номинальную постоянную счётчика С_н, и, определив действительную постоянную С_д, можно определить относительную погрешность счётчика по формуле

(7.4)

Проверка самохода. Нагрузить счётчик I = 1,1·I_н, в момент прохождения отметки на диске счётчика, включить всю нагрузку и проследить за вращением диска. Самоход должен быть не более одного оборота.

Цифровые счетчики электрической энергии (ЦСЭ), в связи с переходом на микроконтроллерное управление, имеют очевидные преимущества [7]:

- в ЦСЭ достижим практически любой класс точности. Отсутствие трущихся механических частей значительно повышает надежность устройства;

- обработка аналоговой информации в цифровом виде принципиально позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учете распределения энергии в трехфазных сетях;

- появляется возможность создания многотарифных счетчиков. При работе такого ЦСЭ значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически. Например, "льготный" тариф может быть установлен на ночное время и на праздничные дни, "пиковый" тариф на время от 13:00 до 15:00 в будние дни, а в остальное время действует "основной" тариф;

- в ЦСЭ несложно реализовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счетчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счетчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все ЦСЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого ЦСЭ в доме;

- применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учета, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определенное количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счетчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается ЦСЭ с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счетчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

В простейшем случае ЦСЭ, когда требуется лишь измерение числа импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях напряжения питания (то есть, фактически, цифрового функционального аналога существующих механических счетчиков), система может быть построена, например, на базе простейшего микроконтроллера фирмы Motorola МС68HC05KJ1.

Блок-схема ЦСЭ представлена на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Блок-схема простейшего ЦСЭ

Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через соответствующие датчики на входы микросхемы-преобразователя КР1095ПП1. С ее выхода снимается частотный сигнал, поступающий на вход микроконтроллера MC68HC05KJ1. Микроконтроллер накапливает количество пришедших импульсов, преобразовывая его для получения значения энергии в Вт·ч. По мере накопления каждого Вт·ч, значение накопленной энергии выводится на дисплей и записывается во FLASH-память. Если происходит сбой, временное исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется во FLASH-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор, и счет продолжается с этой величины. Реализация такого алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти микроконтроллера. Примененный в данной схеме микроконтроллер MC68HC05KJ1 выпускается в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC), имеет 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях питания служит флэш-ПЗУ малого объема 24C01 (128 байт памяти). В качестве дисплея используется простейший 6...8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый контроллером К1820ВГ2.

Электронные счетчики выпускаются МЗЭП [6], АООТ «Энергоавтоматика» [8, 10] государственным Рязанским приборным заводом (ГРПЗ) [9] и другими предприятиями.

Серия электронных счетчиков СОЭ-5 МЗЭП [6] предназначена для одно-, двух- и многотарифного учета электрической энергии в однофазных сетях напряжением 220 В. Номинальный ток 5 А, максимальный – 60 А. Аналогичны им по характеристикам счетчики СЭТ1-1, СЭТ1-2, СЭТ1-4А ГРПЗ [9] соответственно для одно-, двух- и четырехтарифного коммерческого учета активной электрической энергии.

АООТ «Энергоавтоматика» выпускает большую номенклатуру электронных счетчиков серии ЦЭ [8, 10]. Например, электронные многотарифные счетчики электрической энергии ЦЭ 6822 [8, 10] (рис. 7.10) предназначены для измерения и учета активной электрической энергии в трехфазных четырехпроводных цепях переменного тока, автономно или в составе информационно-измерительных систем, в качестве датчика приращения энергии, телеизмерения мощности и концентратора информации об энергопотреблении, а также для организации расчетного учета электроэнергии по 3-м тарифам в 8-ми временных зонах суток и числом сезонов до 4-х. Учет электроэнергии такими счетчиками может производиться на предприятиях жилищно-коммунального хозяйства, на производственных предприятиях малого и среднего бизнеса, в жилых и общественных зданиях, мобильных сооружениях, коттеджах, дачах, гаражах, торговых киосках. Технические характеристики счетчика ЦЭ 6822 приведены в табл. 7.2.

Рис. 7.10. Общий вид счетчика ЦЭ 6822

Рис. 7.11. Схема подключения счетчика ЦЭ 6822

Таблица 7.2

Технические характеристики счетчика ЦЭ 6822

Порядок выполнения работы

1. Изучите конструкцию однофазного счётчика размещённого на лабораторном стенде и трехфазного – на стенде наглядных пособий, расположенном над лабораторным стендом.

2. На лабораторном стенде изучите монтажную схему группового щитка с однофазным счётчиком в совокупности с нагрузкой, защитной аппаратурой и измерительными приборами.

3. Определите с помощью мегомметра или мультиметра номера клемм блока зажимов, к которым подсоединены лампы накаливания EL1…EL3, однофазный индукционный счётчик PI и автоматические выключатели QF2…QF4.

Прежде чем начать собирать электрическую схему согласно рис. 7.12, убедитесь в том, что отключен автоматический выключатель QF1, расположенный в левом верхнем углу стенда.

Убедитесь в целостности лабораторного оборудования и соединительных проводов.

4. На лабораторном стенде монтажными проводами соберите схему, изображённую на рис. 7.12.

После проверки преподавателем схемы осуществите её включение автоматическим выключателем QF1.

Во избежание поражения электрическим током касаться руками клемм, других токоведущих деталей категорически запрещается.

Во избежание попадания осколков лампы накаливания в случае взрыва колбы по какой-либо причине, лампы необходимо закрыть защитным колпаком.

При возникновении аварийных ситуаций: зашкаливании приборов, появлении запаха дыма и возникновении прочих аварийных режимов – немедленно отключите автоматический выключатель QF1 и сообщите о неисправности лаборанту или преподавателю.

5.  С помощью QF2, QF3 и QF4 установите номинальный ток и в течение 3 - 5 минут «прогрейте» счётчик.

6. Установите нагрузку 0,5I_н, 0,75I_н, I_н и определите время по секундомеру для каждого значения нагрузки соответствующее 50 оборотам диска счётчика.

7. По данным п. 6 произведите расчёты (табл. 7.3) и постройте зависимость g=f (I_н).

8. Покажите результаты измерений и вычислений преподавателю. В случае положительных результатов опытов – обесточьте стенд и отсоедините провода от блоков зажимов стенда. Провода сдайте лаборанту.

Рис. 7.12. Схема подключения однофазного индукционного счётчика

Таблица 7.3

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткое описание группового щитка и принципа работы однофазного счетчика.

3. Представьте схемы (рис. 7.5, 7.8 и 7.12).

4. Таблица 7.3.

5. Расчеты по определению g (%).

6. Выводы о пригодности счетчика к работе.

Контрольные вопросы

1. Почему в электрической цепи предохранители или автоматы включаются после счетчика?

2. Как устроен однофазный индукционный счетчик?

3. Каков принцип действия индукционного счетчика электроэнергии?

4. Что такое постоянная счетчика и как её определяют?

5. Каким образом определить самоход счетчика?

6. Почему при наличии самохода счетчик не пригоден для работы?

7. Как можно изменить пределы измерения счетчика?

8. Как устроен электронный счетчик?

9. Какие преимущества имеет электронный счетчик электроэнергии перед индукционным?

10. Что понимается под многотарифным учетом электроэнергии?

Библиографический список

1. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 6. Электрическое освещение. Главы 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6. Раздел 7. Электрооборудование специальных установок. Главы 7.1, 7.2, 7.5, 7.6, 7.10. – 7-е изд. – М.: ООО «ТПК Старатель», 2002. – 228 с.

2. www.dznva.ru

3. www.zemi.ru

4. Прищеп Л.Г. Учебник сельского электрика. – М.: Агропромиздат, 1986. - 509 с.

5. Практикум по механизации и электрификации животноводства. / Под ред. В.А. Воробьева. - М.: Агропромиздат, 1989. - 256 с.

6. www.mzep.ru

7. www.chipinfo.ru

8. www.signalrp.ru

9. www.grpz.ru/products

10. http://enavt.elektra.ru