Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка (стр. 1 из 2)

Аркадий Гуртовцев, к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ», г. Минск, Республика Беларусь

Каждый электронный электросчетчик имеет свой класс точности, который производители указывают в паспортных данных. Но какая реальность стоит за этим?

Точность средства измерения (СИ) отражает возможную близость его погрешности к нулю при определенных условиях измерения. Уровень точности задается обобщенной характеристикой типа СИ – классом точности, определяющим пределы допускаемых основной (погрешности СИ в нормальных условиях) и дополнительных погрешностей (составляющих погрешности СИ, возникающих дополнительно к основной, вследствие отклонения какихлибо из влияющих величин от нормальных их значений), а также другие характеристики, влияющие на точность [1].

На практике часто забывают, что номинальный класс точности конкретного СИ, указываемый обычно в виде целого или дробного десятичного числа в его паспорте и на приборе, привязан не к любым, а именно к нормальным условиям (НУ) измерений, характеризуемым совокупностью значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Реально же СИ используют в рабочих (когда значения влияющих величин находятся в рабочих областях, в пределах которых нормируют дополнительные погрешности) или даже предельных (экстремальных значениях измеряемых и влияющих величин, которые СИ может выдержать без разрушений и ухудшений метрологических характеристик) условиях измерений. При эксплуатации в условиях, отличающихся от НУ, погрешность конкретного СИ необходимо оценивать не по номинальной величине его класса точности, а по сумме основной и возможных дополнительных погрешностей.

Представляет интерес проведение общего анализа суммарных предельных и реальных основных и дополнительных погрешностей СИ, используемых в коммерческом учете электрической энергии, – современных электронных счетчиков электроэнергии (далее – счетчики). В качестве базы возьмем, с одной стороны, новые стандарты РФ [2–4], а с другой стороны, данные испытаний электронных многотарифных счетчиков различных изготовителей из России, Беларуси и Украины, проведенных в 2004–2006 гг. в аккредитованном Госстандартом испытательном центре Белорусской энергосистемы. Было испытано в общей сложности 56 типов счетчиков различных классов точности в количестве 276 образцов от 14 изготовителей. Эти испытания проводились по утвержденной отраслевой программе и ГОСТ [5, 6], на смену которым пришли вышеупомянутые новые стандарты. Отдельные результаты испытаний 2004 года рассмотрены в [7], но в аспекте, отличном от подхода в настоящей работе.

Прежде чем перейти к анализу погрешностей счетчиков, уточним некоторые метрологические понятия и требования стандартов к основным и дополнительным погрешностям счетчиков.

Метрологические требования

Согласно [2], класс точности счетчика определяется как число, равное пределу основной допускаемой погрешности, выраженной в форме относительной погрешности оп в процентах, для определенных значений тока нагрузки Iн в диапазоне от 0,1 Iб (Iб – базовый ток, т.е. значение тока, являющееся исходным для установления требований к счетчику с непосредственным включением) до Iмакс (Iмакс – наибольшее значение тока, при котором счетчик удовлетворяет установленным требованиям точности) или от 0,05 Iном (Iном – значение тока, являющееся исходным для установления требований к счетчику, работающему от трансформатора) до Iмакс – установленном диапазоне измерений – при коэффициенте мощности, равном 1 (в том числе в случае многофазных счетчиков – при симметричных нагрузках), при испытании счетчика в нормальных условиях (с учетом допускаемых отклонений от номинальных значений), установленных в стандартах, определяющих частные требования.

Частные требования к электронным счетчикам активной энергии классов точности 1 и 2 установлены в [3], а классов точности 0,2S и 0,5S – в [4]. Литера S означает, что класс точности счетчика нормируется, начиная с нижней границы не 5% Iном (как для счетчиков без литеры, например, классов 0,2 и 0,5), а 1% Iном (ниже этой границы погрешность не нормируется, хотя счетчик и производит измерения электроэнергии, мощность которой превышает чувствительность счетчика).

Верхняя граница установленного диапазона измерения определяется величиной Iмакс, которая для счетчиков трансформаторного включения должна выбираться изготовителем, согласно [2], из множества значений (1,2; 1,5; 2,0 или 6,0) Iном. В свою очередь Iном для таких счетчиков должен иметь значение 1; 2 или 5 А (для счетчиков непосредственного включения выбор стандартных значений базовых токов производится из более широкого диапазона значений 5…100 А и, в частности, для однофазного счетчика должен быть не менее 30 А).

Стандартные НУ проверки точности счетчиков классов 0,2S, 0,5S, 1 и 2 приведены ниже, в табл. 1 [3, 4].

Дополнительно к указанным НУ для многофазных счетчиков напряжения и токи должны быть практически симметричными (отклонения от средних значений не должны превышать 1–2%).

Границы, или пределы Гоп основной погрешности счетчика оп, вызываемой изменениями тока Iн и видом нагрузки (активной при КМ = 1, реактивной – емкостной Е или индуктивной И с соответствующими значениями КМ) при НУ, не должны превышать пределов для соответствующего класса точности одно и многофазных счетчиков с симметричными нагрузками [3, 4] (табл. 2).

Из табл. 2 следует, что даже в НУ, но при изменении тока и вида нагрузки, предел Гоп основной допускаемой погрешности оп счетчика увеличивается относительно номинала класса точности в 2–2,5 раза. В частности, для счетчиков трансформаторного включения классов 0,2S и 0,5S это имеет место, вопервых, в диапазоне тока до 5% Iном при активной нагрузке, и, вовторых, в диапазоне тока до 10% Iном при реактивной нагрузке (в диапазоне до Iмакс предел погрешности увеличивается в 1,5 раза). На рис. 1 приведен график пределов основной погрешности счетчика класса 0,2S, соответствующий табл. 2.

Пределы Гдп дополнительной погрешности дп, вызываемой влияющими величинами (по отношению к НУ), для счетчиков классов точности 0,2S; 0,5S и 1; 2 приведены соответственно в табл. 3 и 4 [3, 4].

Рис. 1. График пределов основной погрешности счетчика класса 0,2S

Iч – ток чувствительности счетчика, при котором погрешность не определена, но велика.

Таблица 1. Нормальные условия проверки счетчика на точность

1) Под кондуктивной (от лат. сonductor – проводник) электромагнитной помехой понимается, согласно [8], электромагнитная помеха, распространяющаяся не из окружающего воздушного пространства, а по элементам электрической сети, т.е. по проводам.

Таблица 2. Пределы допускаемой основной погрешности счетчиков при НУ

1) Погрешности для многофазных счетчиков с однофазной нагрузкой, но при сохранении симметрии многофазных напряжений.

АНАЛИЗ СУММАРНЫХ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ СЧЕТЧИКОВ

Если бы каждый счетчик эксплуатировался в НУ (см. табл. 1), то он имел бы только основную погрешность оп, которая не превышала бы пределов, указанных в табл. 2:

оп < Гоп (Iн, КМ).

(1)

Значения предела Гоп (Iн, КМ) зависят от режима работы нагрузки (величины тока нагрузки Iн и КМ) и регламентированы в конкретном ее диапазоне. Вне этого диапазона (например, при КМ, отличном от 1; 0,5 И или 0,8 Е) предел не определен и о его значениях нечего сказать.

Зададимся вопросом, к каким видам погрешностей относится основная погрешность счетчика, является она систематической или случайной? Согласно [1], систематической погрешностью измерения является составляющая результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины (различают постоянные, прогрессивные, периодические и сложноизменяющиеся систематические погрешности). Ее противоположностью является случайная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины. Отметим еще два вида погрешностей: инструментальную составляющую погрешности измерения, обусловленную погрешностью применяемого средства измерения, и погрешность метода – составляющую систематической погрешности измерений, обусловленную несовершенством принятого метода измерения.

Очевидно, что основная погрешность электронного счетчика является систематической погрешностью, в основе которой лежат неустранимые погрешности метода измерения и инструментальной погрешности самого счетчика (погрешности изготовления и настройки его технологических элементов). Но при этом в паспорте от любого изготовителя на счетчик конкретного типа и класса точности указываются, в соответствии с требованиями стандартов [2–4], не конкретные систематические погрешности счетчика, а их пределы, причем со знаками плюсминус, что должно свидетельствовать о равновероятности их обоюдного появления в процессе измерений (см. табл. 2).

Такое задание предельной погрешности счетчика подразумевает возможность отклонения измеренной величины от ее действительного (истинного) значения как в сторону его переоценки (при положительной погрешности), так и, наоборот, в сторону недооценки (при отрицательной погрешности).

Априорно о знаках реальной основной погрешности и ее реальных пределах субъекту учета, как правило, ничего не известно. Имели место случаи, когда некоторые покупатели крупных партий счетчиков, пользуясь неопределенностью задания пределов допускаемых основных погрешностей счетчиков, заключали с изготовителем счетчиков недобросовестное соглашение по коррекции погрешностей партии счетчиков в рамках их класса точности в сторону одного знака (в процессе регулировки и настройки счетчиков это несложно выполнить). Если покупатель представлял интересы потребителя электроэнергии, то он просил изготовителя выставить погрешность счетчиков в минус, а если продавца электроэнергии, то, наоборот, в плюс (часто, как будет показано ниже, такой крен знака погрешности возникает в процессе заводского производства счетчиков непроизвольно). Таким образом, систематический характер основной погрешности счетчика получал в указанных сделках свое потребительское воплощение.