Wpływ dokładności pomiaru poszczególnych elementów układów pomiaroworozliczeniowych energii elektrycznej na wartość róŝnicy bilansowe Autor: Arkadiusz Wakieć - Energa Operator SA oddział w Elblągu ( Energia Elektryczna kwiecień 2009) 1. Rys historyczny i omówienie aktów prawnych dotyczących układów pomiaroworozliczeniowych energii elektrycznej. W przeszłości w Przepisach Budowy Urządzeń Elektrycznych kwestię układów pomiaroworozliczeniowych regulował rozdział VIII Pomiar energii elektrycznej, który przestał obowiązywać po wejściu w Ŝycie zarządzenia Ministra Górnictwa i Energetyki oraz Ministra Gospodarki Terenowej i Ochrony Środowiska z dnia 30 grudnia 1973 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinien odpowiadać pomiar energii elektrycznej w urządzeniach elektroenergetycznych (Dz. Bud. z 1974 r. nr 1, poz.1). Tymczasem, jak wynika z art. 107 Ustawy Prawo Budowlane (Dz. U. Nr 89, poz. 414 z 1994 r.), wszystkie akty prawne wydane na mocy ustawy sprzed 1994 r. straciły waŝność z dniem 31.03.1995 roku [1]. Do 31 grudnia 2002 roku, pomiar energii elektrycznej regulowały przepisy metrologiczne dla przekładników prądowych i napięciowych [2] oraz liczników energii elektrycznej prądu przemiennego [3] wydawane przez Główny Urząd Miar z mocy ustawy z dnia 3 kwietnia 1993 r. Prawo o miarach (Dz. U. Nr 55, poz. 248 z 1993 r. z późniejszymi zmianami. Mimo duŝej szczegółowości przepisów metrologicznych [2 i 3], pewne kwestie nie były opisywane dlatego w tych miejscach powoływano się na Polskie Normy. Taka forma organizacji aktów przepisów metrologicznych powodowała Ŝe były one rzeczowe. Jednak dostęp do powyŝszych przepisów był utrudniony i oczywiście płatny. Sytuacja miała ulec poprawie po 1 stycznia 2003 roku, wraz z nowelizacją ustawy Prawo o miarach [4]. Stare przepisy metrologiczne dotyczące przekładników i liczników wydane przez GUM znacznie okrojono i w nowej ogólno dostępnej formie rozporządzeń począwszy od lutego 2004 roku publikowane są w Dzienniku Ustaw. Rozporządzenia dla przekładników pomiarowych [5, 6, 7] i dla liczników [8, 9] odpowiednio określały i nadal określają tylko wymagania metrologiczne. Stąd prawna kontrola metrologiczna liczników energii elektrycznej czynnej odbywa się przy idealnie sinusoidalnych przebiegach napięć i prądów w warunkach odniesienia określonych w załączniku nr 4 do [9]. Zalegalizowane liczniki są instalowane w sieci dystrybucyjnej i bardzo często mierzą energię przy odkształconych przebiegach napięcia i prądu. Parametry jakościowe energii elektrycznej są określone w rozdziale 10 rozporządzenia [10]. Taki stan przepisów sprawia, Ŝe w projektach instalacji elektroenergetycznych, wyposaŝanych w układy pomiarowo-rozliczeniowe (szczególnie półpośrednie i pośrednie) dokładność wskazań to nie tak rzadko, wynik przypadkowego zestawienia kart katalogowych przekładników i liczników. Tylko rzetelny dobór parametrów technicznych elementów składowych układu, determinuje dokładność wskazań i poprawia rzetelność rozliczeń za energię elektryczną. NaleŜy mieć na uwadze fakt, Ŝe źle dobrany układ pomiarowo-rozliczeniowy jest eksploatowany przez wiele lat, a zatem niedokładność pomiaru a w konsekwencji nierzetelność rozliczeń za energię elektryczną przynosi wiele
strat. Dlatego poniŝej przeprowadzono analizę porównawczą wymagań w zakresie dokładności dla liczników indukcyjnych i statycznych eksploatowanych w układach pomiarowo-rozliczeniowych. 2. Analiza wymagań w zakresie dokładności liczników i przekładników przy określaniu błędów układu pomiarowo-rozliczeniowego Określanie wartości błędów układu pomiarowo-rozliczeniowego, które decydują o rzetelności rozliczeń za energię elektryczną wymaga znajomości wymagań metrologicznych dotyczących liczników [9] i przekładników [11 i 12, lub 13]. Dla liczników wartości dopuszczalne błędów w danej klasie dokładności są uzaleŝnione od wartości prądu bazowego 1. Ma to szczególne znaczenie dla pomiaru przy niewielkim poborze energii. Na przykład dla licznika przekładnikowego do pomiaru mocy i energii czynnej o klasie dokładności A i prądzie bazowym 5 A zgodnie z załącznikiem nr 2 do [9] prąd rozruchu wynosi 25 ma, ale gdy prąd bazowy wynosił będzie 1 A to wymagany prąd powodujący rozruch licznika będzie równy 5 ma. Dodatkowo przy zmianie klasy licznika na C prądy rozruchu powinny się zmniejszyć odpowiednio do 20 ma i 4 ma. Zatem pomijając błędy i uwzględniając przekładnię przekładników prądowych np. 100/5 A/A i napięcie sieci np. 15 kv, wspomniane liczniki statyczne w układach pośrednich zaczną mierzyć energię, gdy pobór mocy w obwodzie głównym, przy cos φ = 1, przekroczy odpowiednio: dla kl. A przy I b = 5 A i 1 A odpowiednio 13 kw i 2,6 kw, dla kl. C przy I b = 5 A i 1 A odpowiednio 10,4 kw i 2,1 kw. Widoczna róŝnica jest dość znaczna a straty finansowe z tytułu niezmierzonej energii rosną wraz ze wzrostem przekładni przekładnika prądowego i napięcia sieci, w której taki licznik dokonuje pomiaru. Analogicznie moŝemy wyliczyć wartość progową mocy dla układu półpośredniego, gdzie przekładnia przekładników prądowych nie rzadko przekracza wartość 200. Dlatego mimo niskiej wartości napięcia sieci wartość mocy powodującej rozruch licznika odpowiednio musi przekroczyć odpowiednio: dla kl. A przy I b = 5 A i 1 A odpowiednio 3,46 kw i 0,69 kw, dla kl. C przy I b = 5 A i 1 A odpowiednio 2,77 kw i 0,55 kw, Opisane powyŝej przykładowe wyliczenia dla liczników o klasach dokładności A i C wskazują, Ŝe zastosowanie licznika o mniejszym prądzie bazowym i klasie dokładności C zamiast A powoduje znaczne zmniejszenie prądu rozruchu, przy którym licznik zaczyna zliczać przepływającą moc i energię elektryczną. NaleŜy zaznaczyć Ŝe klasa dokładności A czy C dla liczników statycznych przeznaczonych do pomiarów półpośrednich i pośrednich praktycznie nie wpływa na ich cenę. Wartości błędów granicznych dopuszczalnych podczas legalizacji liczników opisane w tablicach przedstawionych w załączniku nr 1 do [9] dla poszczególnych klas dokładności są uzaleŝnione procentowo właśnie od prądu bazowego licznika. Zatem aby mówić o wartości błędów licznika, naleŝy operować łącznie - klasą dokładności i wartością prądu bazowego. Na rysunku 1, przedstawiono granicę błędów liczników: indukcyjnego kl. A, prądzie bazowym I b = 5 A i prądzie maksymalnym 2 I max = 10 A; statycznego 3 kl. A, prądzie bazowym I b = 1 A i prądzie maksymalnym I max = 10 A; 1 Prąd bazowy Ib naleŝy przez to rozumieć wartość prądu, dla której są ustalone istotne cechy licznika, w szczególności rozruch. 2 Prąd maksymalny Imax naleŝy przez to rozumieć największą wartość prądu, przy której licznik powinien spełniać wymagania. 3 Licznik statyczny energii elektrycznej licznik, w którym napięcie i prąd oddziaływają na elementy statyczne (elektroniczne) w celu wytworzenia wielkości wyjściowej proporcjonalnej do energii elektrycznej.
statycznego kl. C, prądzie bazowym I b = 1 A i prądzie maksymalnym I max = 10 A; 0,200 0,150 0,100 wartość błędu 0,050 0,000-0,050-0,100-0,150-0,200 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 IND KL. A; Ib = 5 [A]; Imax = 10 [A] STAT KL. A; Ib = 1 [A]; Imax = 10 [A] wartość prądu płynącego przez licznik [A] STAT KL. C; Ib = 1 [A]; Imax = 10 [A] Rys. 1. Granice błędów liczników: indukcyjnego o klasie dokładności A prądzie bazowym 5 [A] i prądzie maksymalnym 10 [A]; statycznych o klasach dokładności: A i C; prądzie bazowym 1 [A] i prądzie maksymalnym 10 [A]. NaleŜy równieŝ pamiętać, Ŝe wartości błędów granicznych dopuszczalnych wskazań licznika podczas legalizacji mogą się zwiększyć w trakcie eksploatacji licznika o wartość zmian błędów powodowanych wielkościami wpływającymi określonymi w załączniku Nr 4 do rozporządzenia [9]. Właśnie, dlatego im większe napięcie sieci i przepływ energii tym wyŝsza powinna być klasa dokładności licznika a prąd bazowy jak najmniejszy (dla układów półpośrednich i pośrednich najlepiej aby wynosił 1 A natomiast prąd maksymalny 10 A). Na dokładność półpośredniego i/lub pośredniego układu pomiarowo-rozliczeniowego największy wpływ ma licznik [14], jednak nie moŝna pominąć wpływu wartości błędów wnoszonych przez zainstalowane w układzie przekładniki [15]. Dlatego przy ocenie dokładności wskazań układu pomiarowo-rozliczeniowego naleŝy skorelować błędy wnoszone przez przekładniki prądowe i napięciowe oraz przez liczniki. W rozdziale 3 publikacji [16] znajdziemy klarowne wyjaśnienie w jaki sposób naleŝy obliczyć wartość błędu całkowitego z jakim mierzymy moc i energię elektryczną układem pośrednim i/lub półpośrednim. NaleŜy w tym miejscu zwrócić uwagę na fakt iŝ tory prądowe i napięciowe liczników statycznych charakteryzują się bardzo małym poborem własnym w porównaniu do liczników indukcyjnych. Wielkości poboru jednego indukcyjnego licznika 1-faz. to rząd kilku volto-amperów a dla licznika 3-faz. wartość tą naleŝy pomnoŝyć przez 3 dla kaŝdego licznika wchodzącego w skład układu pomiarowo-rozliczeniowego. Wartości niby niewielkie ale przy liczbie ok. 180 tysięcy odbiorców na niskim napięciu w Oddziale Elbląskim stanowi znaczącą część (szacowaną na ok. 10 %) strat technicznych na niskim napięciu.
3. Prawo a praktyka czyli wpływ odkształconych przebiegów napięć i prądów na dokładność wskazań układów pomiarowo-rozliczeniowych. Doświadczenia eksploatacyjne ENERGA-OPERATOR SA Oddział w Elblągu. Warunki odniesienia oraz symetria napięć i prądów podczas legalizacji liczników opisane w załączniku 4 do [9] coraz częściej znacząco róŝnią się od warunków panujących w miejscu zainstalowania liczników. Stąd pomysł przeprowadzenia badań opisanych w [14], z których otrzymano wnioski Ŝe wraz z wzrostem odkształceń w przebiegach napięć i prądów wartości błędów pomiaru energii czynnej są dodatnie i nie przekraczają 5%, natomiast wartości błędów pomiaru energii biernej są ujemne i sięgają nawet 40% przy THD napięcia (od 3 do 8)% i THD prądu (od 30 do 40)%. Praktyczną weryfikacją powyŝszych wyników badań był jednodniowy pomiar jakości energii elektrycznej na jednej z podstacji trakcyjnych PKP zlokalizowanej na ternie działania Oddziału w Elblągu. W podstacji były zainstalowane układy pomiarowo-rozliczeniowe podstawowy i rezerwowy. Jako przyrząd wzorcowy zainstalowano analizator jakości energii elektrycznej MEMOBOX 300 w wersji pomiarowej A, którego częstotliwość próbkowania jest pięciokrotnie większa niŝ uŝytych liczników energii elektrycznej. Wyniki pomiarów przedstawiono w poniŝszej tablicy nr 1. MEMOBOX 300 Licznik 1 Licznik 2 S total mean MVA 12,728 suma z 99 pomiarów 15 minutowych P total mean MW 12,043 suma z 99 pomiarów 15 minutowych P h1 total MW 12,034 suma z 99 pomiarów 15 minutowych Q total mean MVar 2,902 suma z 99 pomiarów 15 minutowych Q h1 total MVar 2,901 suma z 99 pomiarów 15 minutowych D total mean MVA 2,517 suma z 99 pomiarów 15 minutowych Energy total MWh 3,011 suma z 99 pomiarów 15 minutowych PF total wartość średnia arytmetyczna z 99 pomiarów 15 0,9417 minutowych COS PHI total wartość średnia arytmetyczna z 99 pomiarów 15 0,9631 minutowych (P+) MW 12,041 suma z 99 pomiarów 15 minutowych (Q+) MVar 2,836 suma z 99 pomiarów 15 minutowych S kva (wyliczona) MVA 12,395 suma z 99 pomiarów 15 minutowych P+ MW 12,049 suma z 99 pomiarów 15 minutowych Q+ MVar 4,016 suma z 99 pomiarów 15 minutowych S kva (wyliczona) MVA 12,701 suma z 99 pomiarów 15 minutowych Tablica 1. Wyniki pomiaru jakości energii elektrycznej w podstacji trakcyjnej. Wnioski nasuwają się dwa: 1. wartość błędu pomiaru energii czynnej jest pomijalnie mała 2. wartość błędu energii biernej wskazuje na róŝne metody jej pomiaru. Licznik 2 wylicza energię bierną z trójkąta mocy natomiast licznik 1 przesuwa składową podstawową o 90 i w ten sposób dokonuje pomiaru energii biernej. Przedstawiony stan rzeczy wydaje się być niedopuszczalny choć paradoksalnie oba liczniki posiadają zatwierdzenie typu i zostały zalegalizowane ale tylko dla energii czynnej, poniewaŝ energia bierna nie podlega prawnej kontroli metrologicznej. Dlaczego tak się dzieje, skoro na nadal ponadoptymalny pobór energii biernej podlega opłacie wg obowiązujących taryf. Odpowiedź jest prosta
bo metrologią zajmuje się Główny Urząd Miar a regulacjami taryfowymi Urząd Regulacji Energetyki. Podobnie, na początku bieŝącego roku, zaprzestano prawnej kontroli metrologicznej przekładników pomiarowych, które są integralną częścią półpośrednich i pośrednich układów pomiaroworozliczeniowych. Czy w niedługim czasie GUM odstąpi od legalizacji liczników energii czynnej? 4. Dobór poszczególnych elementów pośredniego układu pomiarowo-rozliczeniowego w celu zapewnienia optymalnej dokładności w moŝliwie najszerszym zakresie zmian natęŝenia przepływu energii elektrycznej. Dobór poszczególnych elementów układów pomiarowo-rozliczeniowych energii elektrycznej polega na ustaleniu właściwości metrologicznych i funkcjonalnych, które wynikają z funkcji i celów, dla zapewnienia optymalnej dokładności pomiaru w moŝliwie najszerszym zakresie zmian natęŝenia przepływu energii elektrycznej. Analiza pracy przekładników prądowych w układach pomiarowo-rozliczeniowych jest przedmiotem pracy [15], w której szczegółowo omówiono czynniki eksploatacyjne wpływające na dokładność transformacji i podano kryteria doboru przekładników prądowych z uwzględnieniem następujących pozycji [17, 18, 19 i 20]. Natomiast zasady doboru przekładników napięciowych opisano [19, 21, 22]. Na szczególną uwagę zasługuje ksiąŝka profesora Nowicza [22], w której opisał drobiazgowo konstrukcje: klasyczną, specjalną i niekonwencjonalną, przekładników napięciowych. Analiza pracy liczników w układach pomiarowo-rozliczeniowych energii elektrycznej przy odkształconych przebiegach napięcia i prądu jest przedmiotem [14 i 23]. Kryteria doboru właściwości metrologicznych i funkcjonalnych liczników energii elektrycznej a takŝe dobór przewodów łączących tory prądowe i napięciowe liczników z uzwojeniami wtórnymi przekładników prądowych i napięciowych szczegółowo omówiono w rozdziale 7 [14]. LITERATURA: 1. Ługowski G. (pod red.): Przepisy budowy i urządzeń elektroenergetycznych. Warszawa, WEMA 1997 r. 2. Dziennik Urzędowy Miar i Probiernictwa Nr 11 z dnia 28 grudnia 1994 r. 3. Dziennik Urzędowy Miar i Probiernictwa Nr 5 z dnia 22 grudnia 2000 r. 4. Ustawa z dnia 11 maja 2001 roku Prawo o miarach (Dz. U. Nr 63, poz.636 z późniejszymi zmianami: z 2001 - Nr 154, poz. 1800; z 2002 - Nr 155, poz. 1286; Nr 166, poz. 1360; z 2003 - Nr 170, poz. 1652; z 2004 - Nr 49, poz. 465; Nr 93, poz. 896; Nr 141, poz. 1493; Nr 243, poz. 2441 tekst ujednolicony; z 2005 - Nr 163, poz. 1362; Nr 180, poz. 1494; z 2006 - Nr 170, poz. 1217; Nr 249, poz. 1834; z 2007 - Nr 176, poz. 1238. [4] 5. Dziennik Ustaw z 2004 r. Nr 34, poz. 299, Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej w sprawie wymagań metrologicznych, którym powinny odpowiadać przekładniki klasy dokładności 0,5 i dokładniejsze do współpracy z licznikami. 6. Dziennik Ustaw z 2007 r. Nr 92, poz. 618, Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać przekładniki klasy dokładności 0,5 i dokładniejsze
do współpracy z licznikami energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego, oraz szczegółowego zakresu badań i sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych 7. Dziennik Ustaw z 2008 r. Nr 8, poz. 48; Rozporządzenie Ministra Gospodarki uchylające rozporządzenie w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać przekładniki klasy dokładności 0,5 i dokładniejsze do współpracy z licznikami energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego, oraz szczegółowego zakresu badań i sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych. 8. Dziennik Ustaw z 2004 r. Nr 35, poz. 315, Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej w sprawie wymagań metrologicznych, którym powinny odpowiadać liczniki energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego, klasy dokładności 0,2; 0,5; 1 i 2. (Utraciło moc z dniem 1 stycznia 2008 r. na podstawie art. 12 pkt 3 ustawy z dnia 15 grudnia 2006 r. o zmianie ustawy o systemie zgodności oraz o zmianie niektórych innych ustaw (Dz. U. Nr 249, poz. 1834) 9. Dziennik Ustaw z 2008 r. Nr 11, poz. 63; Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać liczniki energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego, oraz szczegółowego zakresu sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych. 10. Dziennik Ustaw z 2007 r. Nr 93, poz. 623; Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (wraz z późniejszymi zmianami z 2008 r. Nr 30, poz. 178; Nr 162, poz. 1005). 11. PN-EN 60044-1:2000 Przekładniki Prądowe. 12. PN-EN 60044-2:2001 Przekładniki Napięciowe. 13. PN-EN 60044-6:2006 Przekładniki Kombinowane 14. Wakieć A.: Analiza pracy liczników w układach pomiarowo-rozliczeniowych energii elektrycznej przy odkształconych przebiegach napięcia i prądu. Praca magisterska, Gdańsk 2004 r. 15. Wakieć A.: Analiza pracy przekładników prądowych w układach pomiaroworozliczeniowych. Na podstawie badań i publikacji. Praca inŝynierska, Gdańsk 2002 r. 16. Kuśmierek Z.: Pomiary mocy i energii w układach elektroenergetycznych. Warszawa, WNT 1985 r. 17. Koszmider A., Olak J., Piotrowski Z.: Przekładniki Prądowe. Warszawa, WNT 1985. 18. Wiszniewski A.: Przekładniki w elektroenergetyce. Warszawa, WNT 1992. 19. Cichoń H.: Zasady dobru przekładników wnętrzowych niskich i średnich napięć do obwodów elektroenergetycznych. Warszawa, HAC 1999 r. 20. Musiał E.: Urządzenia Elektroenergetyczne Przekładniki Prądowe. Materiały niepublikowane. 21. Musiał E.: Urządzenia Elektroenergetyczne Przekładniki Napięciowe. Materiały niepublikowane. 22. Nowicz R.: Przekładniki napięciowe. Monografia Politechniki Łódzkiej 2003 r. 23. Pietrucha R.: Błędy pomiaru czynnej energii elektrycznej licznikami indukcyjnymi przy przebiegach odkształconych. Publikacja zamieszczona na łamach tomu 9-zeszyt 2-2003 czasopisma Jakość i uŝytkowanie energii elektrycznej