Single Phase Meter Components - uploads.westernenergy.org · 8/3/2018 3...

39
8/3/2018 1 EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 NWEMS Single Phase Meter Components August 21, 2017| Track A | Scott Sutton, Snohomish County PUD EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 PURPOSE of this class: » What is an electro‐mechanical Watt‐hour meter » The basic parts of the meter The function of these parts » Adjustments for calibrations » Compensations » Electronic vs Electromechanical meters » Meter types – Examples – Q & A

Transcript of Single Phase Meter Components - uploads.westernenergy.org · 8/3/2018 3...

8/3/2018

1

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

NWEMS

Single Phase Meter ComponentsAugust 21, 2017|  Track  A |  Scott Sutton, Snohomish County PUD

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

PURPOSE of this class:

» What is an electro‐mechanical Watt‐hour meter 

» The basic parts of the meter

– The function of these parts

» Adjustments for calibrations

» Compensations

» Electronic vs Electromechanical meters

» Meter types – Examples – Q & A

8/3/2018

2

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

The Watt‐hour meter

» Measures energy used ‐

» Power is a rate at which energy flows  

– Power X Time = Energy

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Relate the Watt‐hour meter to the speedometer and odometer of an automobile

–Miles per hour = Watts being used ‐

Disk speed

–Miles driven = Kilowatt hours –

Register Read

» 30 MPH for 2 hours = 60 miles driven

» 30 kW for 2 hours = 60 kWh 

8/3/2018

3

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Today’s Electromechanical kWh meter’s are basically the same design as the ones manufactured 105 years ago. 

» Much less expensive

» Light weight

» Highly accurate

» Maintenance free device

» Provide many years of reliable service

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Today's meters are vastly improved:

» They are highly accurate and have a very flat 

accuracy curve over extreme loads and 

environmental conditions. Single phase self 

contained meter’s are so well calibrated from the 

manufacture that many utilities do not test new 

meters . They may perform a BAR‐X,(sigma) or 

Sample Test

8/3/2018

4

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts:

» Name Plate 

» Base

» Cover

» Frame & magnets

» Stator ‐ potential coil and current coil

» Rotor(disk) and bearings

» Register

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Nameplate

» The most important part of meter

» Form Number ‐ Indicates the internal connections of 

the meter. ANSI Stds.

» Voltage ‐ Design or test voltage of potential coil

» CL or Class ‐ Maximum current capacity.

– CL10, CL20, CL100, CL200, CL320‐

8/3/2018

5

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Nameplate  (continued)

» T.A. ‐ Test Amps, (100% Full Load – 10% Light Load)  

» Wire ‐ (2w, 3w, 4w, 5w)  

» Kh ‐ Watt‐hour Constant

» Multiplier (CT’s, VT’s, internal meter multi)

» Number of stators or potential coils

» Company ID number and MFR. Type

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 10

Meter Nameplates

Service Application  Manufacture

Frequency HZ

Voltage

# of Stators Class

Company Name and Number

Manufacturer’s Serial #

Register Ratio 

Manufacturer Type

Form

Wires

Test Amps

Disk Constant or Kh

8/3/2018

6

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Base      

» Earlier meter bases were made of cast iron, metal alloys and cast aluminum

» Today’s bases are made of high impact strength plastic

» Base configurations ‐ Socket type, A base type & Bolt In type (K base)

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Base (continued)        

» Test Link ‐ used to disconnect or isolate one side of the potential circuit from the current circuit when testing

» Screened vents ‐ To prevent insects and dust from getting into meter and allows ventilation to minimize condensation

8/3/2018

7

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts:Base (continued)

» Lightening Arrestor ‐ To protect meter from High 

Surge Currents

– an air gap between the current coil and ground that will “Flash Over” between 5000 & 6500 volts

» Gasket ‐ Provides a seal between the base & cover

» Hanger ‐ Storage

» Sealing Provision ‐ Security

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Cover

» Purpose ‐ To protect the meter components from weather and dust while providing a means to read the register and inspect meter

» Security ‐ Makes it difficult to tamper with or to conceal tampering

8/3/2018

8

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Cover (continued)

» Glass ‐ Special stress relieved glass

» Rim ‐ Aluminum or stainless steel

» Plastic ‐ Lexan® (Poly‐Carbonate)

» Special metal Covers protection from vandals

» Demand Resets, Optical ports

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Frame 

» Composition ‐ Iron for older meters,    Die cast aluminum for new

» Purpose ‐ Mounting & supporting of meter 

components in an accurate and stable 

relationship. All meter components are 

machined to a tolerance of +/‐ 0.002 inch for 

precise fit & positioning.

8/3/2018

9

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Magnets

» Composition ‐ ALNICO alloy: Aluminum, nickel, 

cobalt & iron

» Purpose ‐ to control the speed of the disk 

» The magnet can withstand a surge of 20,000 amps 

with only 1/2 of 1% change in meter accuracy. Older 

meters with chrome steel magnets can only 

withstand 10,000 amps resulting in a change in 

meter accuracy of 4% or greater.   

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Stator  

» Electromagnetic element

» The potential coil is connected across the line 

terminals

– 2400 turns of #29AWG for 120v

– 5700 turns of #32AWG for 240v

– 9600 turns of #35AWG for 480v

» Fine wire wound on a silicone laminated plate steel 

core

8/3/2018

10

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Stator 

» The potential coil is compensated so that the meter 

is accurate from 50% to 120% of the rated or 

nominal voltage (name plate)

» The potential coil is highly reactive (inductive) in 

relation to the current coils & use only about 2 

watts of power

» Purpose: to convert applied voltage into a magnetic 

field or flux which is proportional to the line voltage

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Stator 

» The stator also facilitates or provides

– Light load adjustment

– Power factor adjustment

– Compensations

• Overload

8/3/2018

11

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Current coil

» The current coils of a meter are always connected in series with the load

» Purpose: Converts the load current into a magnetic field or flux which is proportional to the load current

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Current coil (continued)

» Self contained 200A meter coils are 2 or 4 turns of 30,000 Circular Mils wire (#6AWG) 

» Insulated with epoxy resin

» In a form 2S meter two current coils are located beneath the disk and one of the current coils is wound in reverse of the other

8/3/2018

12

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Rotor or Disk

» Two parts ‐ Disk and the shaft

» Composition ‐ Pure aluminum

– Good conductivity

– Light weight

» Disk is stippled for mechanical strength or stiffness

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Rotor or Disk (continued)

» Graduations painted on the disk for testing

» Edge is serrated for testing at the factory

» Two holes in disk are called Anti‐Creep holes

– these prevent disk rotation when only potential is applied ‐ no load current

» On the shaft a worm gear is cut

8/3/2018

13

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Bearings

» Two types of bearings ‐ Mechanical and 

Magnetic

» Mechanical Bearings – no longer used

– Pivot type: Hardened tip which rides on a sapphire cup

– Ball type: Ball bearing rides between two sapphire cups

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Bearings (continued)

» Magnetic Bearings

–Mutual attraction at top of disk shaft or

– Repulsion at bottom of disk shaft

– Vertical alignment by stainless steel guide pins in the magnets to the top and bottom of the disk shaft

» Mechanical bearing required much more maintenance than magnetic bearings

8/3/2018

14

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Break Time

» 10 minutes 

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register

» A system of gears, dials and pointers designed to count or accumulate the number revolutions of the disk

» The disk rotates at a design speed proportional to the load watts

» Each revolution represents a definite number of watts delivered to the load during the time required for that revolution

8/3/2018

15

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register (continued)

» Revolutions made by the disk are communicated to 

the register by a set of gears

– Worm gear on the disk shaft

– First gear ‐ gear at the back of the register

» The register reads in kWh so there must be a 

relationship between the disk revolutions and the 

register ratio and watt‐hours used

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Kh or Watt‐Hour Constant

» The number of watt‐hours represented by one 

revolution of the disk

– Symbol Kh

– also known as the Disk Constant

8/3/2018

16

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

How do we determine Kh?

» The design speed Kh of the meter is determined by 

engineers based on different factors

– Minimum Light load speed

– Damping magnet cost

– performance characteristics

– Bearing wear

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» Nominal values are 7.2, 1.8, 0.6, 21.6 

» For example, a single phase 2S house meter is designed to turn 1000 revolutions per hour with 240 volts and 30 amps applied.

– 240 x 30 = 7200 watts

– 7200/1000 revs p/hour = 7.2 watthours p/rev

32

Kh continued

8/3/2018

17

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

For Modern 1 ø meters the Design Speed is 16 2/3 RPM

» With this we can figure the Kh & Register 

ratio of a meter designed for 240V & 30A

» Rated Voltage X Test Amps = Test Watts       

240V X 30A = 7200 watts

» 7200 watts for 1 hour =                              

7200w X 1 Hr = 7200 watt‐hours

» At design speed, test amps & rated voltage 

the disk rotational speed is 16 2/3 RPM

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» At 16 2/3 RPM = 50/3 RPM X 60 min

= 1000 Revolutions

» Therefore the number of watt‐hours per disk revolution is: 

– 7200 watt‐hours/ 1000 Rev =                   7.2 watt‐hours/rev

8/3/2018

18

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register:      Shaft Reduction

» Definition ‐ The number of revolutions of the disk for one revolution of the first gear on the register which meshes with the worm gear of the disk shaft 

» Typical shaft reductions are 50 or 100 teeth on the First Gear

» Symbol ‐ Rs

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register:     Register Ratio

» Definition ‐ The number of revolutions of the first gear for one revolution of the first or right dial pointer 

» Symbol – RR

» Basic Register Ratio Formula ‐

10,000 = Kh X RR X RS

8/3/2018

19

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 37

Register Ratio

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register:     Register Ratio (continued)

» We know that one disk revolution = 7.2 watt‐hours ‐ Rs ‐ Shaft reduction = 100 

» With 100 revolutions of the disk we have                             100 rev X 7.2 watt‐hours/rev =   720 watt‐hours

» We want 10,000 watt‐hours on our register: 10,000 watt‐hours/720watt‐hours =  125/9 =13 8/9 = RR

8/3/2018

20

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register:       Gear Ratio

» Definition ‐ The number of revolutions of the disk needed to cause the first pointer to make one complete revolution

» Symbol ‐ RG 

» Gear Ratio Formula ‐ RR X RS = RG

13 8/9 X 100Revs = 1388 8/9 Revs

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Basic Parts: Register:      Register Constant

» Definition ‐ The factor by which the register reading is multiplied to obtain total registration or KWH used

» Also know as ‐ Dial constant,    Dial Multiplier or Reading Multiplier

8/3/2018

21

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 41

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» When considering register constant we have to consider instrument constants:

– CTR Current Transformer Ratio

• Most metering current transformers (CT’s) are labeled :5, reflecting the amount of current in the primary that will produce 5 amps in the secondary.  Examples: 400:5 or 80:1

– VTR Voltage Transformer Ratio

• Most metering voltage transformers are labeled as to the primary and secondary 

42

Basic Parts: Register:      Register Constant (continued)

8/3/2018

22

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

• cont‐ voltages reflecting the turns ratio of the transformer.  Examples would be 7200:60 or 60:1    or   480:120 or 4:1

» By definition, one revolution of the right hand dial on the register is equal to 10 kilowatt hours or  10,000 watt hours

Therefore,

Kr = Kh x Rr x Rs x CTR x VTR

10,000

43

Basic Parts: Register:      Register Constant (continued)

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Find the Kr

– A single phase meter, form 1S, 120v, Class 100 has a Kh of 1.8, Rr of 55 5/9, Rs of 100.  No instrument transformers are used.

» Kr = Kh x Rr x Rs x CTR x VTR / 10,000

» Kr = 1.8 x 55 5/9 x 100 x 1 x 1 / 10,000

44

Basic Parts: Register:      Register Constant (continued)

8/3/2018

23

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Find the Rr

– You want the Kr to be 1, Kh = 1.8, Rs = 50, 

Kr = Kh x Rr x Rs x CTR x VTR / 10,000

1= 1.8 x Rr x 50 x 1 x 1 / 10,000

Rr = 10,000

1.8 x 50

Rr = 111.1111111111 or 111 1/9

45

Basic Parts: Register:      Register Constant (continued)

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Last one – Find the Kr

– Kh = 1.8, Rr = 166 2/3, Rs = 50, CTR = 50:5, VTR = 7200:120

Kr = Kh x Rr x Rs x CTR x VTR / 10,000

Kr = 1.8 x 166 2/3 x 50 x 10 x 60 / 10,000

Kr = ?????

46

Basic Parts: Register:      Register Constant (continued)

8/3/2018

24

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Calibration and Adjustments

» Disk Adjustment

» Register Mesh

» Full Load Adjustment

» Light Load Adjustment

» Lag Adjustment

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Calibration ‐Disk Adjustment and Register Mesh

» Disk Adjustment

– Using upper and lower bearings center disk in air gap

» Register Mesh

– If equipped adjust gear/shaft mesh for a    30% to 50% mesh between first gear of the register and worm gear of disk shaft

8/3/2018

25

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 49

TOPPED GEARS

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Calibration ‐Full Load Adjustment

» Purpose ‐ Adjusts speed of the disk @ rated voltage and Test Amps

» Description ‐ An adjusting screw moves a shunt across the permanent magnet which lets more or less rotation flux to cut across the disk and the disk slows down or speeds up

8/3/2018

26

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Calibration ‐Light Load Adjustment

» Purpose ‐ Adjusts speed of the disk @ rated 

voltage and at 10 % of Test Amps

» Description ‐A rectangular plate (brass or copper) 

is mounted so that its adjusting motion is at a 

right angle to the disk radius. The main air gap 

potential flux passes through the plate and 

adjusts for shading and to overcome low load 

friction.

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Calibration ‐Lag or Power Factor Adjustment

» Purpose ‐ Adjusts the phase angle of the potential coil flux to lag the applied voltage by 90 degrees 

» Description ‐ The Lag adjustment is a metal plate attached to the potential coil core. The resistance of the plate adjusts the power factor. This adjustment is set at the factory and normally does not need any further adjustment

8/3/2018

27

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Break Time

» 10 minutes 

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Compensations

» Voltage

» Overload

» Temperature Class I 

» Temperature Class II 

» Frequency

8/3/2018

28

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Compensations‐ Voltage

» Modern electromechanical watt‐hour meters will 

operate accurately between 50% & 120% of 

rated voltage

» A section of the potential coil core cross 

sectional area is reduced and shunted. At rated 

voltage the iron is operating at saturation, as the 

applied voltage increases the increased flux is 

shunted across the air‐gap and does not affect 

the meters accuracy.

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Compensations‐Overload

» Modern watt‐hour meters will operate accurately between .33% & 667% of Test Amperes or (once starting watts are overcome; about 24 watts)

» A current shunt is across the current poles, when there is a overload the shunt saturates and allows more flux on the disk

8/3/2018

29

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Compensations‐Temperature Class I 

» Class I compensations effect all loads and power factor 

equally, it is considered equivalent to changes in the 

strength of the retarding magnet affected by ambient 

temperatures.

» A shunt across the permanent magnet carries a large 

amount of flux at low temperature and very little flux at 

high temperatures. This characteristic is opposite of the 

permanent magnet which gets stronger as the 

temperature decreases and weaker as the temperature 

increases thus compensating for changes in temperature

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Compensations‐Temperature Class II

» This compensation corrects changes in the 

resistance of the potential coil and lag plate as 

the temperature varies. Class II compensation 

consists of a reactor attached to the lag plate . 

As the temperature varies the resistance of the 

reactor changes opposite to the resistance of 

the lag plate

8/3/2018

30

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Meter Compensations‐Frequency

» Because of frequency stability of modern 

electrical systems, variations in meter accuracy 

due to frequency variations are negligible

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» Benefits

– Weight

– Cost

– Accuracy

– Programmability and additional functions

» Drawbacks

– Customer concerns

– Half life

– Adjustability

60

Solid State VS Electromechanical

8/3/2018

31

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» Current Sensing (CT)

– GE ‐ KV2C and I‐210

– Landis and Gyr ‐ Alf 

– ABB ‐ A1D

» Hall Effect

– Itron ‐ C1S

– Icon Sensus ‐ iSO1

61

Types of Solid State Meters

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» Perhaps the easiest to understand in terms of 

an electronic meter.  Current sensing meters 

work on the same principle as a transformer 

rated service.  Current passed through the 

current coil or primary side is reduced based on 

the multiplier relationship established by the 

manufacturer to the output or secondary side 

of the CT.

62

Current Sensing (CT) Meters

8/3/2018

32

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» This measured (secondary) current is then sent 

to the microprocessor to be calculated with 

the voltage and service type.  The 

corresponding load, KW, KWh, and any other 

requested measurements are produced and 

sent to the readout for display.

63

Current Sensing (CT) Meters (continued)

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 64

Current Sensing (CT) Meter Internal Example

8/3/2018

33

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» A Hall‐effect meter is an electronic device that provides a digital readout of the magnetic field strength in gauss or tesla units. The meters use a very small conductor or semiconductor element at the tip of the probe. Electric current is passed through the conductor. In a magnetic field, a force is exerted on the moving electrons which tends to push them to one side of the conductor. 

65

Hall Effect

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» A buildup of charge at the sides of the conductors will balance this magnetic influence, producing a measurable voltage between the two sides of the conductor. The presence of this measurable transverse voltage is called the Hall‐effect after Edwin H. Hall, who discovered it in 1879

66

Hall Effect (continued)

8/3/2018

34

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 67

Hall Effect

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

» Vh = I B Rh / b

» Where:Vh is the voltage generated.I is the applied direct current.B is the component of the magnetic field that is at a right angle to the direct current in the Hall element.Rh is the Hall Coefficient of the Hall element.b is the thickness of the Hall element.

68

Hall Effect (continued)

8/3/2018

35

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 69

Hall Effect (continued)

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 70

Hall Effect Meter Internal Example

8/3/2018

36

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 71

Hall Effect Meter Internal Example

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 72

Solid State VS Electromechanical Types

8/3/2018

37

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 73

Solid State Examples

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 74

Electromechanical Types

8/3/2018

38

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 75

Solid State Examples

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 76

Solid State Examples

8/3/2018

39

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 77

Solid State Examples

EXCHANGING EXPERTISE SINCE 1893 

Questions & Answers

» Hands on

» Thank You for your time!