Экспертиза неправильного включения приборов учета электроэнергии

Для удобства анализа все векторные диаграммы и измеренные электрические параметры, полученные в результате проверок приборов учета в процессе эксплуатации, были сведены в таблицы (пример такой таблицы по одному из счетчиков приведен ниже).

Для оценки правильности схемы учета электрической энергии необходимо определить, соответствуют ли измеренные в ходе проверок электрические параметры характеру нагрузки потребителя.

Основными энергопринимающими устройствами потребителя являются светодиодные светильники, которые обеспечивают освещение участка скоростной автомобильной дороги. На их долю приходится более 90% (401 кВт) нагрузки всех энергопринимающих устройств потребителя (425,6 кВт), подключенных к БРТП №***, в том числе с учетом потерь в силовых трансформаторах. Согласно структурной схеме сети, на 2БРТП №*** и присоединенных к ней БКТП имеются 2 трансформатора ТМГ 11-630/10 (по 1 кВт каждый) и 22 трансформатора ТМГ 11-100/10 (по 0,29 кВт каждый), таким образом суммарная мощность холостого хода силовых трансформаторов составляет 8,4 кВт. То есть общая нагрузка потребителей с учетом потерь холостого хода составляет около 434 кВт.

Согласно исследованию [4] светодиодные светильники имеют активно-емкостной характер нагрузки (C), то есть на векторной диаграмме векторы фазных токов должны опережать векторы фазных напряжений.

Кроме того, важным фактором, определяющим вид векторной диаграммы, являются протяженные кабельные линии 10 кВ, по которым электроэнергия от 2БРТП №*** поступает к 11 БКТП вдоль участка автодороги.

Известно [5-9], что в кабельных линиях имеют место токи утечки на землю. Жилы кабеля и земля представляют собой своего рода обкладки протяженного конденсатора, при этом изоляция кабеля играет роль диэлектрика между обкладками данного конденсатора. Поскольку любая изоляция кабельных линий не является идеальной, через нее проходят микротоки, которые имеют емкостный характер, поэтому их также называют емкостными токами (см. рисунок).

Величина емкостных токов прямо пропорциональна питающему напряжению, его частоте, емкости и протяженности линии [5], А:

Тогда с учетом протяженности кабельных линий ~27,8 км, расчетное значение емкостного тока составляет около 15,6 А.

Исходя из совокупной активной мощности всех энергопринимающих устройств, подключенных к 2БРТП №***, можно определить активную составляющую тока фазы. Если принять нагрузку по фазам равномерной, то средний активный ток фазы при условии, что вся нагрузка передается по одному вводу (Луч А или Луч Б), составит:

Тогда, при допущении, что коэффициент мощности cosφ светодиодных светильников стремится к 1, и емкостная составляющая в их нагрузке отсутствует, то полный ток фазы определится как геометрическая сумма векторов активной составляющей тока нагрузки и емкостного тока в кабельных линиях 10 кВ

Тогда cosφ составит:

а угол между фазным током и напряжением:

В действительности же cosφ должен быть незначительно ниже, а угол φ несколько больше, за счет наличия емкостной составляющей в нагрузке светодиодных светильников.

Если же нагрузка, присоединенная к 2БРТП №***, равномерно распределена по двум вводам Луч А и Луч Б, то средний активный ток фазы по каждому вводу составит:

В этом случае полный ток фазы по каждому вводу составит:

Тогда коэффициент мощности cosφ по каждому вводу должен составлять:

а угол φ:

В режиме холостого хода, когда единственной нагрузкой являются потери мощности в магнитоэлектрической системе силовых трансформаторов, а прочая нагрузка отсутствует, емкостные токи в кабельных линиях будут оказывать максимальное влияние на вид векторной диаграммы. В этом случае активная составляющая токов фаз не будет превышать 0,5А, поэтому полные токи фаз будут близки к значению емкостного тока, а углы сдвига фазных токов относительно напряжений будут стремиться к 90° C, т.е. нагрузка будет практически полностью емкостная, а активная мощность будет определяться только совокупной мощностью холостого хода силовых трансформаторов.

Режим нагрузки потребителя связан с продолжительностью светового дня и изменяется в течение суток. В темное время суток включается освещение автодороги, и нагрузка стремится к максимальной. В светлое же время суток при выключенном освещении, нагрузка потребителя составляет не более 33 кВт (с учетом потерь холостого хода трансформаторов). Что соответствует активным токам 1,8 А. Тогда полный ток с учетом влияния емкостных токов в кабельных линиях 10 кВ составит 15,7 А. То есть максимально близко к значению емкостного тока. Коэффициент мощности составит не более 0,118, а угол φ – не менее 83° C.

С учетом проведенных расчетов составим таблицу электрических параметров и векторных диаграмм, соответствующих различным режимам нагрузки потребителя.

Сравним результаты расчетов в вышеприведенной таблице с результатами измерений электрических параметров, полученными инспектором в ходе проверок приборов учета на 2БРТП №*** до изменения схем учета 23.09.2020 г. Для удобства анализа и наглядности сведем данные в общую таблицу.

Из актов от 23.09.2020 известно, что до изменения схемы учета электрической энергии измерения проводились на холостом ходу. Как видно из таблицы, значения токов, углов, мощности и коэффициентов мощности для обоих вводов 2БРТП №*** при всех проверках, за исключением одной, очень близки друг другу и к измеренным параметрам 23.09.2020 г. в режиме холостого хода, за исключением одной. Данные, полученные в ходе проверки системы учета на вводе Луч Б 14.09.2019 г. отличаются от других, поскольку в данный период времени в работе находился только один ввод и вся нагрузка передавалась по нему (это следует из акта проверки ввода Луч А от 14.02.2019 г., для которого измерения не проводились, по причине отсутствия на нем нагрузки). Сопоставляя данные факты, можно сделать логический вывод, что в случаях всех проверок, предшествовавших изменению схемы учета, измерения проводились в режиме холостого хода или при минимальной (дневной) нагрузке. Это логично, поскольку, как правило, такие проверки проводятся в дневное (рабочее) время, когда уличное освещение выключено.

Сопоставляя данные двух таблиц можно с уверенностью заключить, что измеренные в ходе проверок параметры не соответствуют ни режиму холостого хода, ни нагрузке в светлое время суток. В данных режимах активная мощность должна стремиться к минимальной (не более 33 кВт в режиме дневной нагрузки и не более 8,4 кВт в режиме холостого хода), в то время как во всех случаях измеренная мощность превышает 200 кВт, а совокупная мощность по обоим вводам превышает совокупную мощность всех энергопринимающих устройств потребителя, присоединенных к 2БРТП №***, в некоторых случаях на 20-30%.

Кроме того, измеренные углы также не соответствуют режиму холостого хода и дневной нагрузки, поскольку в условиях значительной составляющей емкостных токов в кабельной линии, они должны стремиться к 90° C.

Измеренные параметры также не соответствуют и режиму максимальной нагрузки.

Таким образом, следует заключить, что векторные диаграммы и измеренные электрические параметры в актах от 23.10.2018, от 14.02.2019, от 22.05.2019, от 23.09.2020 (исходные на холостом ходу) не соответствуют параметрам нагрузки в момент измерения, что указывает на неправильную схему учета электрической энергии по вводам Луч А и Луч Б вплоть до 23.09.2020 г.

Рассмотрим векторные диаграммы, полученные 23.09.2020 г. после изменения схемы учета. Для удобства и наглядности сведем основные данные в таблицу.

Как видно из таблицы, при исправленной схеме учета на холостом ходу активная мощность равна или стремится к нулю, что соответствует режиму холостого хода. Углы фазовых сдвигов по всем фазам для обоих вводов близки к 90° и имеют полностью или практически полностью емкостный характер (превышение максимально допустимого угла в 90° по фазе «А» ввода Луч Б, с высокой долей вероятности связано с погрешностью измерения), что соответствует емкостным токам в кабельных линиях при отсутствии нагрузки. Токи фаз являются полностью реактивными и не выполняют полезной работы, а их значения близки к расчетному емкостному току, определенному выше.

Таким образом, измеренные электрические параметры при измененной схеме учета электроэнергии в режиме холостого хода соответствуют параметрам электрической сети потребителя и характеру нагрузки, что указывает на правильно собранную схему учета.

При этой же схеме под нагрузкой мощности по вводам Луч А и Луч Б составляют соответственно 186 и 193 кВт, что составляет в сумме 87% от совокупной мощности всех энергопринимающих устройств потребителя, подключенных к 2БРТП №176, то есть соответствуют режиму нагрузки. Коэффициенты мощности составляют соответственно 0,49 и 0,5, что несколько ниже расчетного значения для данного режима (0,612), а углы 60°C, напротив, несколько выше, чем расчетные (52° С). Это объясняется тем, что нагрузка в момент измерения отличается от расчетной 217 кВт.

По результатам анализа можно заключить, что измеренные электрические параметры при измененной схеме учета электроэнергии в режиме нагрузки также соответствуют параметрам электрической сети потребителя и характеру нагрузки, что подтверждает правильность собранной схемы учета.

Как видно из рисунка, график электропотребления имеет ярко выраженную пилообразную форму, что обусловлено спецификой режима электроснабжения системы освещения: использование в темное время суток и отключение в светлое. Как видно из графика, до момента изменения схемы учета электрической энергии 23.09.2020 г. суммарный объем потребляемой мощности как в темное, так и в светлое время суток существенно превышал совокупную мощность энергопринимающих устройств потребителя 434 кВт, в том числе с учетом потерь мощности в силовых трансформаторах.

После изменения схемы подключения приборов учета (момент изменения схемы учета обозначен красной пунктирной линией на рисунке) суммарная мощность по вводам Луч А и Луч Б в темное время суток соответствует совокупной мощности всех энергопринимающих устройств 2БРТП №***, а в светлое время суток составляет в среднем 37 кВт, что в целом соответствует прочей нагрузке (помимо освещения) 2БРТП №***, включая потери электроэнергии (мощности) в силовых трансформаторах и кабельных линиях.

Таким образом, график почасовых объемов потребления подтверждает вывод по вопросу №1 о том, что до 23.09.2020 г. схемы подключения приборов учета на 2БРТП №*** были собраны неверно и являлись причиной завышенных показаний счетчиков на вводах Луч А и Луч Б.

Из исследований по вопросам №1 и 2 следует, что схема, соответствующая паспортной, была смонтирована 22.09.2020 г. До изменения схема учета была собрана неверно. Как видно из последней строки таблицы, до изменения схемы учета электрической энергии вектор тока фазы «А» I_a соответствует развернутому на 180° току фазы «C» I_c при правильной схеме, а токи фаз I_b и I_с – соответственно развернутым на 180° токам фаз I_a и I_b.

Из данного анализа можно заключить, что при схеме учета, существовавшей до 22.09.2020 г., фазные проводники были перепутаны с нулевыми, а также было нарушено чередование фаз на клеммах. Схемы подключения счетчика до и после изменения 22.09.2020 г. приведены в таблице ниже.

Анализ векторных диаграмм в остальных актах также показывает, что во всех остальных случаях для вводов 2БРТП №*** Луч А и Луч Б и 2БРТП №*** Луч Б имеет место та же самая ошибка подключения.

Зная значения фазных напряжений, токов и углов сдвигов фаз при неправильной схеме подключения можно определить значение активной мощности при неправильной схеме, а скорректировав углы с учетом вышеприведенной таблицы, можно по той же формуле определить активную мощность при правильной схеме учета. Разница этих мощностей, умноженная на время, в течение которого она потреблялась, позволит определить разницу в объеме расхода электрической энергии.

Например, для схемы до ее изменения измеренные параметры с учетом коэффициентов трансформации по току K_тт = 40 и напряжению K_тн = 100 составляют:
I_а = 0,376А∙40 = 15,04А;
I_b = 0,365А∙40 = 14,6А;
I_c = 0,374А∙40 = 14,96А;
U_a0 = 60В∙100 = 6000 В;
U_b0 = 60В∙100 = 6000 В;
U_c0 = 60В∙100 = 6000 В.

Углы φ в таблице указаны между фазными токами и линейным опорным напряжением U_ab. Для расчета переведем данные значения в значения углов сдвигов между векторами фазных токов и соответствующих фазных напряжений:
φ_a = 1° L = -29°;
φ_b = 120° L = -28°;
φ_c = 120° С = -29°.

Тогда значение активной мощности составит:

Векторы токов при неправильной схеме включения из-за перепутанных фазных и нулевых проводов развернуты на 180°, а ввиду сдвинутого чередования фаз (I_c, I_a, I_b вместо I_a, I_b, I_c), векторы токов также сдвинуты на 120°. В итоге при неправильной схеме включения векторы фаз сдвинуты на 180 – 120 = 60° по часовой стрелке (в положительную сторону).

Таким образом, для определения правильных углов токов φ следует от углов, измеренных при неправильной схеме φ’, отнять 60°. То есть при правильном расположении векторов тока скорректированные углы φ будут опережать измеренные углы на 60° и составят:
φ_a = φ’_a - 180°+120° = -29 – 60 = -89°;
φ_b = φ’_b - 180°+120° = -28 – 60 = -88°;
φ_c = φ’_c - 180°+120° = -29 – 60 = -89°.

Тогда активная мощность при правильном подключении составит:

То есть разница составит 233 361 – 6 199 = 227 162 Вт.
При такой нагрузке в течение часа разница в объеме потребленной энергии составит 227,162 кВт∙ч.
Чем ниже нагрузка, тем сильнее влияние емкостного тока в кабельной линии, и тем выше будет расхождение показаний счетчика.

Для практического подтверждения выводов, полученных в рамках исследования по вопросам №1-3, в период с 13.06.2023 г. по 15.06.2023 г. с участием эксперта Ушакова С.Ю. проведен эксперимент по определению влияния схем подключения прибора учета на фиксируемый счетчиком объем потребления.

Эксперимент проводился на вводе Луч А 2БРТП №*** и заключался в подключении параллельно имеющемуся на вводе счетчику коммерческого учета Энергомера CE304 S32-JAAQ2HY счетчика технического учета идентичной модели по двум различным схемам учета. Подключение осуществлялось от тех же трансформаторов тока, к которым подключен прибор коммерческого учета, но от обмоток, предназначенных для питания устройств телемеханики, для чего цепи телемеханики были предварительно отсоединены. Провода вторичных цепей были промаркированы изоляционной лентой цветов, соответствующих общепринятому обозначению фаз (желтый – фаза «А», зеленый – фаза «B», красный – фаза «C», синий – нулевой проводник).

В первый день эксперимента счетчик технического учета был подключен по проектной (паспортной) схеме.

После монтажа счетчика технического учета с помощью оптического порта, ноутбука и программного обеспечения Admin Tools v. 3.12.8 со счетчиков коммерческого и технического учета были получены измеряемые счетчиками электрические параметры и векторные диаграммы. Для счетчика технического учета также осуществлялось дублирование измерений с помощью прибора «Энерготестер ПКЭ-А». Измерения проводились в светлое время суток при выключенной системе освещения, то есть в отсутствие основной нагрузки 2БРТП №***. Во время проведения эксперимента оба ввода 2БРТП №*** Луч А и Луч Б находились в работе. После окончания измерений электрических параметров счетчик технического учета, испытательная коробка и дверца ячейки с подключенными вторичными цепями были опломбированы. Счетчики были оставлены на сутки для измерения электроэнергии и фиксации получасовых профилей мощности.

Как видно из таблицы, измеренные счетчиками электрические параметры и векторные диаграммы практически полностью совпадают. Незначительные отличия обусловлены разным временем проведения измерений. Векторные диаграммы в таблице также совпадают с векторной диаграммой, снятой с помощью прибора Энерготестер ПКЭ-А. Таким образом, можно заключить, что 13.06.2023 г. счетчики коммерческого и технического учета были подключены по одной и той же проектной (паспортной) схеме.

Во второй день эксперимента (14.06.2023) счетчик технического учета был подключен по схеме, реализованной до 22.09.2020 г., определенной экспертом в процессе документального и аналитического исследования.

Измерения проводились в светлое время суток при выключенной системе освещения, то есть в отсутствие основной нагрузки 2БРТП №***. Во время проведения эксперимента оба ввода 2БРТП №*** Луч А и Луч Б находились в работе. После окончания измерений электрических параметров клеммная крышка счетчика технического учета и испытательная коробка были опломбированы. Счетчики были оставлены на сутки для измерения электроэнергии и фиксации получасовых профилей мощности.

Как видно из таблицы, после изменения схемы учета электрической энергии для счетчика технического учета, измеренные двумя счетчиками электрические параметры: углы сдвига фаз, активной и реактивной мощности существенно отличаются. Счетчик, подключенный по схеме, существовавшей до 22.09.2020 г., учитывает мощность 74,8 Вт, что в 8,4 раза превышает мощность, измеряемую счетчиком коммерческого учета. С учетом коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов K_ТТ=40 и K_ТН=100, измеряемая счетчиком технического учета мощность составляет 299,2 кВт, что не соответствует фактической нагрузке во время измерений, поскольку дорожное освещение отключено.
Векторные диаграммы, полученные при разных схемах подключения счетчика технического учета в ходе эксперимента в точности соответствуют, зафиксированным в акте от 22.09.2020 г.

Таким образом, экспериментально подтверждена схема, существовавшая до 22.09.2020 г., а также ее несоответствие проектной (паспортной).
В завершающий день эксперимента 15.06.2023 г. сверены ранее установленные пломбы на счетчике технического учета. Пломбы в течение вторых суток не срывались.

По завершении полных суток с момента монтажа неправильной схемы учета с приборов коммерческого и технического учета посредством оптического порта скачаны получасовые значения средней активной и реактивной мощности.

Как видно из графика, в первые сутки эксперимента при одинаковых схемах графики совпадают, а во вторые сутки, при измененной схеме технического учета, графики существенно расходятся. При этом разница в светлое время суток существенно больше (в среднем в 8 раз), чем в темное время (в среднем в 1,6 раза). Это объясняется тем, что в режиме малой нагрузки имеет место значительное влияние емкостных токов в кабельной линии, в то время как за счет появления значительной активной нагрузки в темное время (при включении освещения трассы) влияние емкостной составляющей емкостных токов несколько снижается. Однако поскольку мощность в темное время суток значительно выше, чем в светлое, различие между дневным и ночным режимами в абсолютном выражении (в кВт∙ч) будет не столь значительным. К примеру, за один час при нагрузке в светлое время суток разница электропотребления при правильной и неправильной схемах составит в среднем 257 кВт∙ч, а за один час при нагрузке в темное время суток – в среднем 165 кВт∙ч.
Таким образом, чем больше продолжительность светового дня, тем сильнее будет искажение показаний счетчика при неправильной схеме включения, и напротив, чем меньше продолжительность светового дня, тем меньше будет данное искажение. Другими словами, в летние месяцы суточное расхождение показаний будет более значительным, чем в зимние.

Как видно, график потребления имеет ярко выраженный сезонный характер, что, очевидно, связано с использованием элетроотопительного оборудования в осенне-зимний период времени. Таким образом, при определении средних значений мощности необходимо руководствоваться не только временем суток, но и временем года.

В материалах дела имеется информация о почасовой мощности за октябрь – апрель 2021 года, за небольшой период сентября 2021 года, а также за май 2023 года. Таким образом, остаются неохваченными три месяца: июнь, июль, август. Однако из графика очевидно, что в данные месяцы электрическое отопление уже не используется, поэтому в качестве средних значений мощности при расчете в эти месяцы будут использоваться средние значения, соответствующие маю.
При определении средних значений активной мощности в темное и светлое время суток также следует учитывать, что время включения и выключения системы освещения в большинстве случаев приходится не на начало часа, поэтому в часы перехода с дневного на вечернее потребление и обратно активная мощность является средней между режимом нагрузки в светлое и в темное время суток (см. рисунок ниже). Поэтому данные значения будут исключены из расчета средней активной мощности по времени суток.

Из вышеприведенной таблицы могут быть получены общая продолжительность работы системы освещения по месяцам спорного периода времени, а также продолжительность отключенного состояния. При этом необходимо учитывать периоды, когда по той или иной причине отсутствовала нагрузка по двум вводам подстанции. В таблице ниже приведено общее число часов работы системы освещения по месяцам спорного периода и число часов отсутствия нагрузки по 2БРТП №*** и/или 2БРТП №*** с разбивкой на темное и светлое время суток. Отсутствие нагрузки по БРТП определено на основании анализа электронных файлов о почасовых объемах потребления в материалах дела.

Как видно из таблицы, в первые месяцы эксплуатации нагрузка по 2БРТП №*** и №*** либо полностью отсутствовала (июнь 2018 по БРТП №***), либо отсутствовала периодически. Впоследствии отключения обоих вводов БРТП не были частыми и длительными, что, вероятно, связано с наличием аварийных ситуаций, которые оперативно устранялись.

На основании данных столбцов 8 – 11 вышеприведенной таблицы с учетом средних значений мощностей по 2БРТП №*** и №*** по месяцам путем их попарного перемножения получим расчетные значения объемов потребления электроэнергии помесячно. Результаты расчета приведены в таблице ниже.