Misurazione elettrica ad alta precisione

La classe di precisione di un contatore di energia è un numero che indica, in percentuale, l’errore massimo che la sua prova di tipo ammette quando registra energia attiva (kWh). Un contatore di Classe 1 può leggere fino all’1% in più o in meno nell’intervallo di corrente principale a fattore di potenza unitario. La classe descrive il contatore in condizioni di riferimento, quindi trasformatori di corrente, temperatura, cablaggio e approvazione per la fatturazione si aggiungono a parte.

Un contatore di Classe 0.5S su un trasformatore di corrente (TA) di Classe 0.5S può indicare circa il 2% in più o in meno su una partenza con un fattore di potenza 0,5 ed entrambi i dispositivi rientrano ancora nei limiti della classe. Un rapporto TA sbagliato nella configurazione, o un TA sulla fase sbagliata, può raddoppiare la lettura o annullarla del tutto. Questa guida fornisce i limiti degli standard dei contatori e dei TA, mostra come si combinano e stabilisce come dimensionare i TA, mettere in servizio un’installazione e riconciliarla con un riferimento.

Classi di precisione dei contatori di energia

Il numero della classe è il limite nell’intervallo di corrente principale. Correnti e fattori di potenza più bassi hanno limiti più ampi, come mostra la tabella della Classe 0.5S più avanti. Non esiste una classe “ad alta precisione” definita: in pratica il termine indica la Classe 0.5S o 0.2S secondo la IEC 62053-22, su trasformatori di corrente della classe S corrispondente.

Per la fatturazione nell’UE, la Direttiva sugli strumenti di misura stabilisce classi proprie, A, B e C, e la EN 50470-3 è la norma secondo cui i contatori vengono di solito provati. I suoi errori massimi ammessi valgono in tutte le condizioni nominali di funzionamento, compreso un intervallo del fattore di potenza da almeno 0,5 induttivo a 0,8 capacitivo, quindi non sono direttamente confrontabili con i limiti IEC in condizioni di riferimento. Per un carico bilanciato:

Itr è la corrente di transizione oltre la quale si applica il limite di errore più piccolo della classe. Un contatore di Classe 2 è adatto ai trend operativi, dove conta più una lettura coerente che l’ultimo punto percentuale. Ripartizione dei costi, verifica dei risparmi e partenze con TA richiedono la Classe 1, 0.5S o superiore.

Definire prima lo scopo

Annotare l'utilizzo prima di scegliere il contatore. L'utilizzo stabilisce il perimetro di misura, l'incertezza che puoi accettare, l'intervallo di reporting e le approvazioni necessarie.

Il risparmio viene calcolato dai dati misurati. ISO 50015 e IPMVP dell'Efficiency Valuation Organization ricavano entrambi risparmi da un periodo di baseline, un periodo di rendicontazione e correzioni. La precisione del contatore delimita uno degli input di quel calcolo.

La qualità dell’energia è un altro scopo. Una classe di precisione non dice nulla su buchi di tensione, flicker o armoniche; la guida analizzatore di rete o contatore di energia spiega quale strumento li registra.

Cosa dice una classe di precisione: la Classe 0.5S nel dettaglio

IEC 62053-22:2020 si applica solo ai contatori statici di wattora alimentati da trasformatore delle classi 0.1S, 0.2S e 0.5S e alle relative prove di tipo. Per un carico bilanciato, i limiti della Classe 0.5S sono:

In è la corrente nominale del contatore, solitamente 1 A o 5 A per un contatore alimentato da TA. I limiti si applicano alle condizioni di riferimento: temperatura di riferimento, tensione e frequenza nominali e forme d'onda sinusoidali. La temperatura, le armoniche, lo squilibrio di tensione e i campi magnetici esterni hanno ciascuno la propria variazione consentita.

La classe copre solo l'energia attiva. I valori kW, tensione, corrente, fattore di potenza e THD su un contatore multifunzione non rientrano nella classe. La norma IEC 61557-12 copre tali funzioni nei dispositivi di misurazione e monitoraggio della potenza e l'energia reattiva ha le proprie classi nelle norme IEC 62053-23 e IEC 62053-24. L'edizione 2020 esclude anche i sistemi di misurazione costituiti da diversi dispositivi fisicamente remoti e i contatori per trasformatori di misura a bassa potenza quando vengono testati senza tali trasformatori.

Le classi S hanno limiti fino all'1% della In. Le classi 0,5, 1 e 2 sono previste dalla norma IEC 62053-21. Una nota nella norma IEC 62053-22 stabilisce l'abbinamento: i misuratori di classe S sono destinati ai TA di classe S, la cui portata inizia dall'1% della corrente nominale. Un TA standard su un contatore di classe S è una questione di accordo tra produttore e acquirente.

Risoluzione e precisione

Un registro che mostra 12.450,237 kWh non è più accurato di uno che mostra 12.450,2 kWh. Memorizza cifre sufficienti per il calcolo e riporta solo le cifre supportate dalla misurazione.

Errore e incertezza

L'errore è la differenza tra il valore misurato e il valore reale, e in servizio non lo sai. L'incertezza è la dispersione dei valori che puoi ragionevolmente attribuire al misurando, in base alle informazioni di cui disponi. Un limite di classe è una parte di tale informazione. Lo trasformi in un'incertezza con un modello, come nel budget elaborato di seguito.

La catena di misura completa

Sensori di corrente

IEC 61869-2:2012 stabilisce i limiti per la misurazione dei TA come percentuale della corrente primaria nominale:

Questi limiti valgono per qualsiasi carico secondario compreso tra il 25% e il 100% della prestazione nominale del TA. Un TA convenzionale da 1 A o 5 A ha quindi una finestra di carico secondario. L'ingresso del misuratore e l’intero circuito dei conduttori di collegamento devono rimanere al suo interno. Utilizza il calcolatore del rapporto e del carico secondario del TA per tale controllo. Si applica solo ai TA con uscita in corrente, non ai TA con uscita in tensione o alle bobine di Rogowski, e non controlla la saturazione, l'isolamento o l'idoneità fisica.

Errore di fase con fattore di potenza basso

Il misuratore moltiplica la tensione per la corrente. Un TA che sposta la corrente di un angolo δ modifica la potenza misurata da V × I × cos φ a V × I × cos(φ − δ). Per δ piccoli, l'errore relativo è circa δ × tan φ, con δ in radianti. Il segno dipende dal fatto che il TA sia in anticipo o in ritardo e dal fatto che il carico sia induttivo o capacitivo.

Al fattore di potenza unitario, lo sfasamento non ha quasi alcun effetto. Al fattore di potenza 0,5, i 30 minuti consentiti da un TA di classe 0.5S alla corrente nominale valgono tre volte il limite del rapporto. I motori con carico leggero, i compressori a vuoto e i trasformatori senza carico funzionano tutti a basso fattore di potenza.

Dimensionamento dei TA e bassa corrente

Dimensionare il TA per il carico normale, non per l'interruttore. Ad esempio, un TA da 1000/5 A Classe 0,5 su una partenza che normalmente assorbe 60 A funziona al 6% della corrente nominale. Al punto di prova del 5%, la Classe 0,5 consente un errore di rapporto di ±1,5% e uno sfasamento di ±90 minuti d’arco. Con un fattore di potenza di 0,8 il solo termine di fase vale fino al 2,0%. Quando la partenza scende a 20 A durante la notte, il TA funziona al 2% della corrente nominale, dove la Classe 0,5 non ha limiti.

Un TA da 150/5 A Classe 0.5S sulla stessa partenza funziona al 40% della corrente nominale, entro ±0,5% e ±30 minuti d’arco. Prima di scegliere il TA più piccolo, verificare che il carico massimo rimanga entro la corrente primaria estesa nominale e che la corrente di guasto rimanga entro la sua corrente termica nominale di breve durata.

Una regola pratica: mantenere il carico normale tra il 20% e il 120% del valore nominale del TA e mantenere il carico minimo al di sopra del 5% o al di sopra dell'1% con un TA di classe S.

Associazione tensione e fase

Per un carico trifase bilanciato, P = √3 × V × I × PF, dove V è la tensione RMS concatenata. Il misuratore calcola la potenza fase per fase, quindi ciascuna corrente deve essere accoppiata con la propria tensione di fase.

A 400 V, 100 A e fattore di potenza 0,9, ciascuna fase trasporta 20,78 kW. Due errori di cablaggio comuni producono queste letture:

• Un TA invertito: quella fase legge −20,78 kW e il totale legge 20,78 kW invece di 62,35 kW.
• I TA su L1 e L2 sono scambiati: ciascun canale scambiato accoppia la sua tensione con una corrente a 120° di distanza. Questi due canali leggono fattori di potenza di circa −0,83 e −0,07, L3 legge 0,90 e il totale si avvicina a 0 kW.

In entrambi i casi ogni canale legge 100 A. Un controllo della sola corrente non rileva nessuno dei due errori. Il calcolatore di kW, kVA, kvar e fattore di potenza fornisce i kW, i kvar e il fattore di potenza previsti per ciascuna fase. Controllare inoltre la rotazione delle fasi e verificare che l'importazione e l'esportazione seguano la convenzione dei segni del contatore.

Installazione

La direzione del sensore, la mappatura delle fasi, la chiusura del nucleo apribile, la posizione del conduttore, la posizione del riferimento di tensione e il rapporto configurato modificano tutti il risultato. Nessuna classe di misuratore compensa un sensore sulla fase sbagliata o un rapporto sbagliato nel software.

Completezza e ora dei dati

Una lettura persa non cambia l'energia, ma può cambiare il modo in cui l'energia viene allocata. Prendi un contatore che riporti il suo registro cumulativo ogni 15 minuti. La lettura delle 10:15 viene persa, la lettura delle 10:00 è 12.400,0 kWh e la lettura delle 10:30 è 12.450,0 kWh. La mezz'ora dalle 10:00 alle 10:30 ha utilizzato esattamente 50,0 kWh, ma non si conosce la suddivisione tra i due quarti d'ora. Se si perdono entrambe le letture delle 10:15 e delle 10:45, le due mezze ore non possono essere separate. Si conosce solo il loro totale.

Contrassegnare i valori interpolati in modo che nessuno li fatturi come dati misurati. Mantieni il timestamp di origine, lo stato dell'orologio e la regola di gestione degli intervalli con ciascun valore. Lo ZEM-65 mantiene un orologio in tempo reale sincronizzato da NTP attraverso il Gateway, mantiene l'orologio fino a 72 ore senza alimentazione e registra fino a 70.000 punti dati nella memoria non volatile.

Combinazione di classi di precisione

Sommare i limiti di classe solo quando ciascuno limita la stessa quantità alle stesse condizioni. Il budget elaborato di seguito utilizza un misuratore di Classe 0.5S su un TA di Classe 0.5S, con il carico al 20% del valore nominale del TA (quindi il misuratore è al 20% di In), fattore di potenza 0,5 induttivo e temperatura di riferimento.

La somma lineare è il caso peggiore ed è una cifra di screening sicura. Il valore ottenuto con la radice della somma dei quadrati considera ciascun limite come la metà della larghezza di una distribuzione rettangolare (JCGM 100:2008, 4.3.7) e presuppone che i contributi siano indipendenti. Il rapporto e gli errori di fase del TA derivano entrambi dalla corrente magnetizzante, quindi sono spesso correlati e il risultato della radice della somma dei quadrati può essere ottimistico.

Al fattore di potenza unitario la stessa coppia fornisce una somma lineare di 1,0% e ±0,8% a k = 2. Il termine di fase fa la differenza. Un certificato di prova del TA fornisce il rapporto misurato e gli errori di fase in ciascun punto di prova, che solitamente sono molto inferiori ai limiti della classe. Usa quei valori quando li hai.

Quando dal risultato dipende un pagamento, fai provare contatore e TA in coppia da un laboratorio accreditato ISO/IEC 17025 per l'energia elettrica.

Contatori di fatturazione e “grado di fatturazione”

Le espressioni “billing grade” e “revenue grade” non hanno limiti definiti. La fatturazione e il regolamento dipendono dalla giurisdizione, dallo strumento approvato, dal suo percorso di conformità e dalla sua installazione.

Nell'UE, la Direttiva 2014/32/UE Allegato V (MI-003) riguarda i contatori di energia elettrica attiva per uso residenziale, commerciale e dell'industria leggera, nelle classi A, B e C, con gli errori massimi consentiti riportati nella tabella MID più sopra. L'allegato rileva che un contatore può essere utilizzato con trasformatori di misura esterni, ma riguarda solo il contatore.

In Gran Bretagna, le guide governative stabiliscono che un contatore del gas o dell'elettricità utilizzato per la fatturazione da un fornitore o da un proprietario deve avere un progetto approvato.

Richiedi il certificato di approvazione per il modello esatto del contatore e le regole di installazione e sigillatura del fornitore o del gestore della rete. Un certificato di calibrazione per un'altra configurazione o un'etichetta nella dashboard non costituisce approvazione.

Come verificare sul posto la precisione del contatore

1. Annotare il confine di misurazione: l'ingresso, la partenza o l'apparecchiatura inclusa e qualsiasi alimentazione parallela, generazione, bypass o ausiliario non misurato.
2. Registrare la catena: modello del misuratore, numero di serie e firmware, marca e corrente nominale del sensore, canale, rapporto configurato e revisione della scheda tecnica.
3. Ispezionare la direzione e la chiusura del sensore, l'associazione di fase, la posizione del riferimento di tensione e la protezione con fusibile, l'adattamento al conduttore e il serraggio dei morsetti rispetto alle istruzioni di installazione.
4. Rileggere la configurazione effettiva dal dispositivo: rapporto TA, modalità di cablaggio (3 fili o 4 fili), frequenza nominale, convenzione di importazione ed esportazione e intervallo di reporting.
5. Controllare ciascuna fase rispetto al riferimento a carico normale. Su un carico che importa energia, ogni fase deve leggere una potenza attiva positiva. Su un carico equilibrato, i tre fattori di potenza devono essere vicini tra loro. Una fase che risulta negativa, o molto al di sotto delle altre, presenta un errore di cablaggio fino a prova contraria.
6. Confrontare l'energia accumulata durante il normale ciclo di carico del sito, ad esempio una settimana lavorativa. Utilizza gli stessi orari di inizio e fine, fuso orario, confine e direzione dell'energia.
7. Spiega la differenza prima di attribuirla alla precisione. Controllare innanzitutto i confini di misura, le perdite del trasformatore, i tempi, gli arrotondamenti, i dati mancanti e i carichi non misurati.
8. Conservare le letture, le marche temporali, lo strumento di riferimento e il relativo certificato di calibrazione, fotografie, impostazioni, eccezioni e il nome della persona che ha accettato l'installazione.

Scegli un riferimento la cui incertezza sia un quarto della tolleranza che stai controllando, o inferiore. Una pinza wattmetrica con una precisione di potenza attiva specificata di ±2% rileva gli errori di cablaggio, ma non può confermare una catena di Classe 0.5S. Un contatore di fatturazione sullo stesso confine è spesso il miglior riferimento per una settimana. La sua classe e la classe del TA stabiliscono la differenza più piccola che puoi rilevare.

Riporta la differenza con segno:

difference (%) = 100 × (meter energy − reference energy) ÷ reference energy

Ad esempio, nell'arco di sette giorni il riferimento registra 18.640 kWh e il sottocontatore registra 18.712 kWh. La differenza è 100 × 72 ÷ 18.640 = +0,39 %. Con un riferimento di Classe 0.2S su TA di Classe 0.2S e un carico per lo più superiore al 20% del valore nominale del TA con un fattore di potenza superiore a 0,9, tale risultato è coerente con una catena 0.5S correttamente installata. Una differenza vicina al −67% indica un TA invertito su un carico bilanciato. Una differenza vicina al +100 % indica un rapporto configurato di 200/5 su un TA 100/5. Il risultato è un confronto per quell'intervallo, non una calibrazione.

Precisione a livello di sistema con EpiSensor ZEM

Un contatore convenzionale azionato da trasformatore è sottoposto a prova di tipo a sé stante e i suoi TA sono specificati e testati separatamente secondo la norma IEC 61869-2. L'installatore è quindi responsabile dell'abbinamento, dell'impostazione del rapporto e del controllo del carico secondario.

Il monitor elettrico ZEM viene fornito con i suoi sensori di corrente. EpiSensor calibra ogni ZEM con tali sensori prima della spedizione, quindi la Classe 0.5S secondo IEC 62053-22 si applica alla misurazione completa: misuratore e sensori insieme. Lo ZEM-65 viene ordinato con un TA split-core da 120 A o con bobine Rogowski da 300 A, 1.000 A o 3.000 A. Nessuno di questi è un TA convenzionale da 1 A o 5 A, quindi non vi è alcun carico secondario da calcolare né un rapporto TA da impostare in loco.

I controlli in sito restano necessari. Utilizza la Selezione del trasformatore di corrente per registrare le correnti minima e massima di interesse, le dimensioni del conduttore e i limiti di installazione. Controllare la precisione in tale intervallo; la funzione opzionale di confronto con le opzioni EpiSensor dello strumento è un confronto del catalogo, non un'approvazione della precisione o dell'installazione. Montare ciascun sensore nella direzione contrassegnata sulla fase corretta, quindi eseguire i controlli di fase sopra indicati. La classe 0.5S non è un'approvazione legale. Se la legge o un contratto richiedono un contatore di fatturazione approvato, confermare l'approvazione con EpiSensor prima dell'installazione.