Ewolucja kontrolnych liczników energii elektrycznej
W liczniku zastosowano specjalne liczydło, umieszczone na wierzchu licznika, w którym zastosowano przekładnię zębatą o minimalnej liczbie kół zębatych, co zapewnia stały opór mechaniczny podczas obrotów tarczy.
P. Moszyński
Wiek XIX przyniósł rewolucję przemysłową, a wraz z nią elektryczność, której zastosowanie stawało się coraz bardziej powszechne. Początkowo przemysł produkował energię elektryczną na własne potrzeby, stosując małe, własne generatory, najczęściej napędzane lokomobilą parową. Nie było to jednak rozwiązanie zadowalające, gdyż nie zapewniało ciągłej dostawy energii powszechnemu odbiorcy. Chciano też wykorzystać nowy rodzaj energii do oświetlenia oraz w gospodarstwach domowych. Powstawały elektrownie, a z nimi rynek energii, której sprzedaż wymagała pomiaru.
Zobacz także
mgr inż. Grzegorz Loska Zmiany wartości pomiarowej impedancji pętli zwarcia w rzeczywistych niskonapięciowych sieciach IT
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia...
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia są często znacząco różne od wartości otrzymanych na podstawie obliczeń. Mają na to wpływ czynniki związane z zastosowaną metodą pomiarową (sposób uziemienia na czas pomiarów punktu neutralnego transformatora zasilającego), a także konfiguracja samej sieci IT, w której wykonujemy pomiary, oraz...
Relpol S.A. RELPOL na targach ENERGETAB 2025
Podczas Targów ENERGETAB 2025, które odbywały się w dniach 16-18 września 2025 r. w Bielsku-Białej, firma Relpol zaprezentowała całą gamę nowości produktowych.
Podczas Targów ENERGETAB 2025, które odbywały się w dniach 16-18 września 2025 r. w Bielsku-Białej, firma Relpol zaprezentowała całą gamę nowości produktowych.
mgr inż. Roman Domański Metody pomiaru rezystancji uziemienia (część 2.)
Opisane w pierwszej części artykułu („elektro.info” 11/2025) założenia teoretyczne znajdują swoje odzwierciedlenie w szeregu praktycznych metod pomiarowych, zaimplementowanych w nowoczesnych przyrządach....
Opisane w pierwszej części artykułu („elektro.info” 11/2025) założenia teoretyczne znajdują swoje odzwierciedlenie w szeregu praktycznych metod pomiarowych, zaimplementowanych w nowoczesnych przyrządach. Wybór odpowiedniej metody zależy od rodzaju i rozległości badanego systemu uziemiającego oraz warunków terenowych.
W początkowym okresie nie zdecydowano jeszcze, czy stosować prąd stały, czy przemienny, nie było również ustaleń dotyczących napięcia. Zostały one wymuszone później przez dużych dostawców, w których interesie była unifikacja pozwalająca na produkcję jednolitego oprzyrządowania sieci energetycznych.
Pod koniec XIX wieku sytuacja ustabilizowała się na tyle, że można już było mówić o dużej liczbie liczników energii elektrycznej służących do rozliczeń odbiorcy z dostawcą. Choć trzeba pamiętać o tym, że pierwszy znany licznik energii elektrycznej skonstruowany przez T. A. Edisona powstał dopiero w 1882 r. [1] i konstrukcje z tego okresu były jeszcze bardzo niedoskonałe. Jednak już wtedy konieczne było weryfikowanie poprawności pomiaru, gdyż często spotykano się z chęcią jego zafałszowania, co miało przynieść korzyść jednej ze stron transakcji. W tym zakresie sytuacja nie uległa istotnym zmianom i w dzisiejszych czasach. Inaczej mówiąc, w interesie wszystkich była realizacja „dobrego pomiaru”.
O takim pomiarze można mówić, gdy zachowana jest spójność pomiarowa, a w szczególności odniesienie do wzorca podstawowych jednostek miar w stosowanym układzie miar. Nie bez znaczenia jest także wymaganie, aby licznik wzorcowy mierzył z większą dokładnością niż licznik sprawdzany. Konieczne stało się skonstruowanie narzędzi umożliwiających weryfikację poprawności pracy liczników stosowanych do rozliczeń i wynalezienie efektywnych metod pozwalających na jej szybkie i masowe wykonywanie. Zaczęto więc konstruować kontrolne liczniki energii elektrycznej oraz urządzenia do sprawdzania liczników, wykorzystywane podczas ich masowego sprawdzenia oraz legalizacji.
Metody sprawdzania liczników energii elektrycznej
Stosowano trzy metody sprawdzania liczników energii elektrycznej:
- metodę synchroniczną – stosowaną niekiedy jedynie w przemyśledo sprawdzania liczników indukcyjnych, polegającą na jednoczesnej obserwacji wielu liczników zasilanych prądem o znanym napięciu, natężeniu i przesunięciu fazowym. Kryterium oceny poprawności działania jest różnica kąta, o jaki obróciła się tarcza licznika sprawdzanego w stosunku do tarczy licznika kontrolnego. Ta mało dokładna metoda służyła głównie do zgrubnej regulacji oraz legalizacji liczników, w których istotne jest jedynie, aby błąd był zawarty w określonych granicach,
- metodę mocy i czasu – polegającą na pomiarze czasu obrotu tarczy licznika indukcyjnego lub impulsów licznika statycznego i mocy, jaką zasilany jest licznik oraz ich porównaniu ze znanymi wartościami poprawnymi, co pozwala na wyliczenie błędu. O dokładności pomiaru w zasadniczy sposób decyduje stabilność źródeł napięcia i prądu zasilających licznik, co stanowi jej główną niedogodność,
- metodę licznika wzorcowego – stosowaną powszechnie, a polegającą na porównaniu liczby obrotów lub impulsów liczników sprawdzanego i kontrolnego, co pozwala na określenie błędu licznika. Dwie pierwsze metody mają dzisiaj znaczenie raczej historyczne i zostały prawie całkowicie wyparte przez metodę licznika wzorcowego. Przyczyną tego jest rozwój elektroniki, który pozwolił na budowę urządzeń do sprawdzania liczników energii elektrycznej pozbawionych mechanicznego przesuwnika fazowego oraz przekładników.
Metoda licznika wzorcowego
Powszechność stosowania metody licznika wzorcowego spowodowała mniejsze wymagania stabilności źródeł zasilania w porównaniu z wymaganiami metody mocy i czasu, gdyż ich wahania w jednakowy sposób wpływają na oba liczniki. Podczas stosowania metody licznika wzorcowego do wyznaczenia błędu stosowane są następujące zależności [2]:
gdzie:
Nk – zmierzona liczba impulsów (obrotów tarczy) licznika kontrolnego,
Nkn – liczba impulsów (obrotów tarczy) licznika kontrolnego, obliczona według wzoru:
gdzie:
N – wybrana liczba impulsów (obrotów tarczy) licznika badanego,
Ck – wartość stałej licznika kontrolnego wyrażona w obrotach na kilowatogodzinę lub w impulsach na kilowatogodzinę,
Uwk – wartość napięcia na wejściu licznika kontrolnego, w [V],
Iwk – wartość natężenia prądu na wejściu licznika kontrolnego, w [A],
Cb – wartość stałej licznika badanego wyrażona w obrotach na kilowatogodzinę lub w impulsach na kilowatogodzinę,
Ub – wartość napięcia na wejściu licznika badanego, w [V],
Ib – wartość natężenia prądu na wejściu licznika badanego, w [A].
Osiągnięcie właściwej rozdzielczości metody pomiarowej, decydującej o jej dokładności, wymaga też, aby stała licznika wzorcowego była w znaczący sposób większa od stałej licznika sprawdzanego. Pożądana jest również stabilność wskazań i jeśli to konstrukcyjnie możliwe, szeroki zakres napięciowy i prądowy.
W dalszej części artykułu warto zwrócić uwagę, jak z biegiem czasu konstruktorzy radzili sobie z tymi problemami i jak pozbywano się innych niedogodności występujących we wczesnych konstrukcjach liczników.
Przykładowe liczniki kontrolne – liczniki indukcyjne
Kontrolne liczniki indukcyjne charakteryzowały się małą uniwersalnością ze względu na wąski zakres napięciowy, wynoszący na ogół nie więcej niż ±5% napięcia znamionowego oraz miały co najwyżej dwa zakresy prądowe. Rozszerzenie zakresu pomiarowego było możliwe jedynie przez zastosowanie przekładników prądowych i napięciowych.
Liczniki mierzyły tylko jeden rodzaj energii – czynną albo bierną. Wysoką rozdzielczość uzyskiwano dzięki specjalnym liczydłom, pozwalającym na pomiar nawet 0,01 obrotu tarczy albo 0,01 kWh oraz dużym stałym licznika. Liczniki umieszczane były w obudowach drewnianych, aby uniknąć wpływu pola elektromagnetycznego na dokładność pomiarów. Kontrolne liczniki indukcyjne stosowano głównie w celu sprawdzenia poprawności pracy liczników w terenie, w miejscu ich zainstalowania. Nie były zaś stosowane w urządzeniach do ich sprawdzania. Do masowej weryfikacji liczników stosowano urządzenia wykorzystujące metodę mocy i czasu. Kontrolne liczniki indukcyjne były produkowane jeszcze w początkach osiemdziesiątych lat ubiegłego wieku. Klasa dokładności wskazań na ogół wynosiła 0,5 – co w większości przypadków wyklucza ich współczesne stosowanie.
Siemens-Schuckert Mod. W5
W zbiorach muzealnych Głównego Urzędu Miar znajduje się niemiecki licznik kontrolny Siemens-Schuckert Mod. W5 No 10’037’836 z lat dwudziestych ubiegłego wieku. Licznik jest w dobrym stanie technicznym i mimo upływu czasu zachował swoje parametry techniczne, co ze zdziwieniem zostało stwierdzone przez autora artykułu. Jest to jednofazowy licznik energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego 50 Hz, o zakresie napięciowym 210÷230 V i dwóch zakresach prądowych 2,5 A ze stałą 4800 obr./kWh i 5 A ze stałą 2400 obr./kWh (fot. 1.).
Konstrukcja licznika nie odbiega od typowych rozwiązań jednofazowych liczników firmy Siemens-Schuckert, produkowanych w tym czasie. Zasadnicze różnice w stosunku do liczników użytkowych polegały na zastosowaniu drewnianej obudowy, specjalnego liczydła i ułożyskowania umożliwiającego aretowanie tarczy podczas transportu. Zmiana zakresu prądowego była realizowana przez odpowiednią konfigurację zwor na zaciskach przyłączeniowych. W liczydle, umieszczonym na wierzchu licznika, zastosowano przekładnię zębatą o minimalnej liczbie kół zębatych, co zapewnia stały opór mechaniczny podczas obrotów tarczy. Warto zwrócić uwagę na sposób jego odczytu, gdyż wskazówki w takim liczydle obracają się kolejno na przemian, raz zgodnie, raz przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara (fot. 2.).
Liczydło wskazuje liczbę obrotów tarczy. W dodatkowym okienku bezpośrednio na tarczy licznika, można odczytać częściowy obrót tarczy z dokładnością do 0,05 obrotu. Podczas sprawdzania liczników należało uwzględnić poprawkę wskazania licznika kontrolnego. Tablica poprawek była dołączona do licznika. Wartości błędów podane przez producenta w tablicy w zależności od obciążenia w 10÷100% prądu znamionowego wahały się w zakresie od -0,2 do +0,6. Przy obciążeniu 5% prądem błąd wynosił jednak aż +1,8%. Wartości te, mimo upływu czasu, nie zmieniły się w sposób znaczący, co dobrze świadczy o stabilności licznika.
Przyjmując współczesne kryteria klasę dokładności wskazań tego licznika z pewnym przybliżeniem można przyjąć jako 0,5. W czasie, gdy go wyprodukowano, w powszechnym użyciu były liczniki klasy 2. lub gorsze. Licznik mógł więc z powodzeniem pełnić funkcję, do jakiej był przeznaczony.
Landis&Gyr typ FMF P 73E1
Szwajcarski licznik Landis&Gyr typu FMF P 73E1 Nr 48 256 445 wyprodukowano w 1979 roku. Jest to trójfazowy licznik energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego 50 Hz, o zakresach napięciowych 3×220 V, 3×380 V i 3×220/380 V i dwóch zakresach prądowych 2,5 A ze stałymi C=1 i 720 obr./kWh oraz 5 A ze stałymi C=2 i 360 obr./kWh. Stałe licznika są zależne od rodzaju sprawdzanego licznika i zakresu prądowego (fot. 3.).
Licznik został skonstruowany na ramie, na której znajdują się trzy niezależne systemy prądowo-napięciowe, przeznaczone do kolejnych faz, umieszczone wzdłuż osi pionowej licznika jeden nad drugim. Każdy system ma tarczę, która umieszczona jest na wspólnej osi. Zamknięcie pokrywy aretuje system pomiarowy. Licznik ma dwa liczydła. Pierwsze – zliczające obroty tarczy umieszczone na wierzchu licznika i napędzane bezpośrednio z osi, na której umocowane są tarcze (fot. 4.). Pojemność liczydła wynosi 100 obrotów, zaś jego rozdzielczość to 0,01 obrotu, odczytywane na centralnie umieszczonej tarczy. Liczydło ma urządzenie startu i kasowania, które może być uruchamiane zdalnie. Drugie – zliczające zużycie energii, podobnie jak w poprzednim liczniku jest wykonane z zastosowaniem przekładni zębatej (fot. 5.). Wskazania drugiego liczydła, aby otrzymać prawidłowy odczyt w kWh, należy przemnożyć przez stałą, zależną od zakresu prądowego. Każdy przewód prądowy i napięciowy podłącza się do licznika niezależnie. Pozwala to na sprawdzanie liczników trójfazowych do sieci cztero- i trójprzewodowych. Sposób podłączenia licznika sprawdzanego oraz wyliczenia błędu pomiaru są pokazane w trwale przymocowanej do licznika książeczce. Wyposażenie licznika w dwa liczydła pozwalało na dwa sposoby jego wykorzystania. Korzystając z liczydła obrotów można było szybko sprawdzić licznik. Jednak, aby zrobić to w kilku punktach pomiarowych, wymagane było zastosowanie zewnętrznego źródła zasilania układu pomiarowego.
Drugim sposobem było porównanie wskazań obu liczników. Wymagało to ich podłączenia szeregowo-równoległego oraz obserwacji różnicy wskazań w dostatecznie długim czasie. Ułatwieniem pozwalającym na skrócenie tego czasu była duża rozdzielczość liczydła licznika wzorcowego wynosząca 00,1 kWh×C. W celu dopasowania zakresów licznika kontrolnego i sprawdzanego, konieczne było dodatkowe zastosowanie przekładników.
Liczniki elektroniczne
Szybki rozwój elektroniki i opanowanie nowych technologii spowodowały wyparcie liczników indukcyjnych przez liczniki elektroniczne. Zastosowanie mikroprocesorów pozwoliło na skonstruowanie liczników o znacznie większej dokładności pomiaru, wyposażonych w wiele funkcji dodatkowych i mogących pracować w szerokim zakresie napięć i prądów. Liczniki prócz pomiaru energii mogą mierzyć napięcie, natężenie prądu, kąt przesunięcia fazowego, współczynnik mocy, zawartość harmonicznych, moc chwilową, a także błąd sprawdzanego licznika. Aby pokazać zakres tych zmian, w artykule zostaną omówione dwa przykładowe rozwiązania liczników elektronicznych.
Schlumberger SM 3050
Wyprodukowany we Francji licznik Schlumberger typu SM 3050 jest przeznaczony do pracy samodzielnej albo do współpracy z urządzeniem do sprawdzania liczników. Pozwala na sprawdzenie liczników jedno- i trójfazowych energii elektrycznej czynnej, biernej i pozornej. Zakres napięciowy licznika wynosi 45÷320 V dla sieci czteroprzewodowych i 76÷555 V dla sieci trójprzewodowych (fot. 6.).
Licznik ma dwa zakresy prądowe 12 i 120 A. Może pracować przy częstotliwości sieci 45÷66 Hz, może być zasilany napięciem 55÷270 V, albo napięciem pochodzącym z sieci, w którą włączony jest licznik sprawdzany. Deklarowany przez producenta błąd maksymalny wynosi 0,05%. Można nim zmierzyć dla każdej fazy błąd sprawdzanego licznika, napięcie i natężenie prądu, kąt przesunięcia fazowego, współczynnik mocy, moc chwilową. Licznik może być sterowany komputerem i wykonywać sprawdzenie w trybie automatycznym. Może też współpracować z przeznaczonym do niego dodatkowym zasilaczem typu Schlumberger GP 3050/3, który zapewnia napięcie w zakresie 3×320/555 V i prąd do 100 A w każdej fazie (fot. 7.). Taka konfiguracja, po połączeniu licznika ze sterowanym przez niego zasilaczem, zamienia go w samodzielne urządzenie do sprawdzania liczników w terenie.
Radian RD 22
Wyprodukowany w Stanach Zjednoczonych licznik Radian Dytronic typ RD 22-231 jest jednym z najnowocześniejszych współcześnie produkowanych kontrolnych liczników energii elektrycznej. Przeznaczony jest do wykorzystania w systemie sprawdzania liczników energii elektrycznej, jako wzorzec zachowujący bezpośrednio spójność pomiarową z podstawowymi jednostkami miar w dziedzinie prądu stałego (fot. 8.).
Gwarantowany przez producenta najgorszy błąd maksymalny, w którym mieszczą się błędy stabilności, niepewności spójności pomiarowej, współczynnika mocy i układu pomiarowego, wynosi ±0,01%, zaś błąd transferu AC DC nie przekracza ±0,005%. Kompletne urządzenie składa się z licznika, kompensowanego przekładnika prądowego, zasilacza. W omawianym wykonaniu jest to licznik jednofazowy czterokwadrantowy mierzący równocześnie energię i moc. Wejścia napięciowe i prądowe automatycznie dobierają właściwy zakres pomiarowy, w sposób uniemożliwiający uszkodzenie urządzenia. Zakres napięciowy wynosi 60÷600 V, prądowy 0,2÷125 A.
Zewnętrzny układ przekładnika prądowego (transfer) zamienia sygnał prądowy na proporcjonalne do płynącego prądu napięcie prądu stałego, zasilające wejście toru prądowego licznika, co minimalizuje interferencję pochodzącą od linii zasilającej układ pomiarowy (fot. 9.). Mierzone są: moc czynna, bierna i pozorna, napięcie, natężenie prądu, współczynnik mocy, częstotliwość, zawartość harmonicznych (do 50.). Licznik ma wbudowany komparator pozwalający na bezpośrednie powiązanie licznika z pierwotnymi wzorcami napięcia, prądu i czasu.
Omówiony model mieści się w środku możliwości oferowanych przez producenta. Są opcje prostsze i bardziej skomplikowane. Jednak już tutaj widać, jaka przepaść pod względem możliwości pomiarowych dzieli liczniki z pierwszej połowy ubiegłego wieku i współczesne.
Podsumowanie
Przedstawione liczniki kontrolne energii elektrycznej pokazują, jak wielki postęp towarzyszył rozwojowi elektroniki. Zastosowanie nowoczesnych podzespołów i techniki cyfrowej doprowadziło do wyparcia liczników indukcyjnych, które wystarczająco spełniały swoją funkcję w początkowym okresie rozwoju energetyki. Miarą tego postępu może być deklarowany przez producentów błąd maksymalny liczników wynoszący 0,5% w przypadku liczników indukcyjnych i 0,01% dla licznika RD 22.
Nowe konstrukcje, w których pomiar energii elektrycznej stał się jedną z wielu funkcji, przyniosły nie tylko uniwersalność zastosowań, ale również znacznie większą dokładność pomiaru. Pozwoliły one na łatwe powiązanie wskazań liczników odniesionych do podstawowych jednostek układu miar.
Można przypuszczać, że w dającej się przewidzieć przyszłości podobny będzie los użytkowych liczników indukcyjnych energii elektrycznej, które zostaną zastąpione licznikami elektronicznymi, mającymi wiele funkcji dodatkowych, umożliwiających stosowanie nowoczesnych taryf i dynamiczne nimi sterowanie, zdalny odczyt i w przyszłości wiele innych, trudnych do przewidzenia możliwości.
Literatura
- F. Wallmüller, Der Elektrizitätszähler in Teorie und Praxis, Berlin 1935.
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 7 stycznia 2008 r. w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać liczniki energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego oraz szczegółowego zakresu badań i sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych (DzU nr 11, poz. 63).
