Оценка и повышение эффективности работы осветительных установок промышленных предприятий

Электрические сети осветительных установок промышленных предприятий, как правило, являются трехфазными. Рассмотрим высшие гармоники в трехфазных сетях и их классификацию.

Пусть для фазы А k-я гармоника напряжения определяется по формуле

uAk Ukm sin(k t k ) ,

где Ukm - максимальное значение (амплитуда) напряжения k-й гармоники;

k - угол начальной фазы k-й гармоники.

Тогда с учетом того, что t 2 , для k-х гармонических напряжений фаз В и С соответственно можно записать

uВk U km sin(k t k 23 k) ; uСk U km sin(k t k 23 k) .

Всю совокупность гармоник от 0 до в зависимости от их порядковых номеров можно распределить по трем группам. В первую группу входят гармоники, имеющие порядковые номера

k 3n 1 ,

где n – последовательный ряд чисел (n=0,1,2,3,…).

Гармоники данной группы образуют симметричные системы напряжений, последовательность которых соответствует последовательности фаз первой (основной) гармоники, т.е. они образуют симметричные системы напряжений прямой последовательности.

Ко второй группе относятся высшие гармоники с порядковыми номерами, определяемыми по выражению

k 3n 2 .

Гармоники этой группы образуют симметричные системы напряжений обратной последовательности.

121

Третью группу составляют гармоники, у которых порядковый номер

k 3n .

Векторы напряжений данной группы во всех фазах в любой момент времени имеют одинаковые модули и направления, т.е. гармоники третьей группы образуют системы нулевой последовательности.

Большинство высших гармоник, в основном, самокомпенсируются в нейтрали и их воздействие на электрические сети практически не проявляется. Это не относится к нечетным гармоникам, кратным трем (3-й, 9-й, 15-й, 21-й, …, 39-й), порядок которых вычисляется по формуле

k = 3 (2 n + 1) .

Гармонические составляющие тока, нечетные кратные трем, определяющие высокое значение амплитуды тока и генерируемые однофазными нелинейными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В трехфазных цепях они совпадают по фазе и образуют систему нулевой последовательности. В этом случае нечетные гармоники, кратные трем, суммируются в нулевом рабочем проводнике и определяются по формуле [36].

IN 3 I32 I92 I152 ...,

где I3, I9, I15,… – действующие значения соответствующих гармоник тока.

На рисунке 4.3 приведена графическая иллюстрация формирования тока в нулевом рабочем проводнике N из-за наличия нечетных гармоник, кратных трем. Они имеют меньшую амплитуду по отношению к току первой гармоники (основной частоты) и совпадают по фазе.

122

Рис. 4.3 Формирование тока в нулевом рабочем проводнике при нелинейной нагрузке:

iA ,iB ,iC – токи фаз А, В и С; iN – ток в нулевом рабочем проводнике; z A , zB , zC – нелинейные полные сопротивления нагрузок фаз А, В и С.

Из-за наличия высших гармоник ток в нулевом проводнике может превышать ток в фазном проводнике более чем в 1,5 раза. Этот ток вызывает дополнительный нагрев проводников и тепловой износ их изоляции, что приводит к снижению надежности осветительных электрических сетей.

Газоразрядные лампы из-за нелинейности вольтамперной характеристики дугового разряда и наличия в комплекте светового прибора ПРА являются источниками высших гармоник тока и напряжения 3, 5 и 7-го порядка. Для люминесцентных ламп низкого давления с индуктивным балластным сопротивлением относительное значение токов третьей и пятой гармоник соответственно составля-

123

ет 4 и 0,6% от тока первой (основной) гармоники, а с индуктивноемкостным балластным сопротивлением – 16…21 и 0,9 … 3%.

Для ламп типа ДРЛ без компенсации реактивной мощности этот показатель составляет 6,2…9% для третьей гармоники и 0,9…3% - для пятой. Компенсация реактивной мощности увеличивает токи высших гармоник ламп типа ДРЛ: третьей гармоники до 18% , а

пятой – до 5,8 …7,2% [37].

Величина тока k-й высшей гармоники газоразрядной лампы приближенно определяется по следующей формуле [34]:

где S л - полная мощность газоразрядной лампы, В·А; U л - номинальное напряжение лампы, В.

Действующее значение тока в электрической цепи с учетом высших гармонических составляющих приближенно можно определить по выражению

I1 - действующее значение основной (первой гармоники тока), А;- суммарный коэффициент гармонического искажения тока, о.е.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой тока представляет собой отношение суммарного действующего значения всех высших гармоник к действующему значению тока основной гармоники:

124

где Ik - действующее значение тока k-й гармоники. ГОСТ13109-97 ограничивает диапазон учитываемых гармоник 40-й (2кГц), так как амплитуды гармоник более высокого порядка незначительны.

Уточнение действующего значения тока с учетом высших гармонических составляющих по формуле (4.3) способствует повышению эффективности осветительных установок с газоразрядными лампами.

На напряжение в электрических сетях существенное влияние оказывают высшие гармонические составляющие тока и напряжения. Вопросы влияния высших гармоник в осветительных сетях с газоразрядными лампами достаточно сложны и подлежат дальнейшему более глубокому исследованию с целью разработки инженерных методик расчета высших гармоник, которые могли бы применяться при проектировании осветительных установок. Отметим, что в [20] приводятся математические выражения, позволяющие определить потери напряжения в электрической сети с учетом высших гармоник. Однако они сложны для практического применения.

В процессе проектирования осветительных установок важно знать, в каких случаях расчеты можно вести по общепринятым методикам, не прибегая к более точным формулам для определения потерь напряжения. В связи с этим в таблице 4.10 приведены предельные длины кабельных и воздушных линий напряжением до 1 кВ, при которых ошибка при расчете потерь напряжения по обычным формулам без учета высших гармоник не превышает 10 % [20].

125

Таблица 4.10 Предельные длины линий напряжением до 1 кВ, для которых

расчеты потерь напряжения могут производиться без учета высших гармоник тока

При токах нагрузки линии Iр, отличающихся от максимально допустимых Iдоп, приведенные в таблице 4.2 предельные длины должны быть пересчитаны в отношении I доп / Iр .

4.6. Влияние высших гармонических составляющих тока и напряжения на эффективность работы электрических сетей

Высшие гармоники тока и напряжения оказывают влияние на качество напряжения, режимные показатели, а также надежность работы электрических сетей осветительных установок.

В электроустановках напряжением 0,4 кВ нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения равно 8%, а предельно допустимое – 12 %.

126

Допустимые уровни высших гармоник ограничиваются действующими стандартами. Требования стандарта IEC -1000-2-2 Международной электротехнической комиссии (МЭК) приведены в таблице 4.11. В ней указаны предельно допустимые значения уровней высших гармонических составляющих напряжения в точках подключения электроприемников к сети. В случае их превышения электроснабжающая организация вправе потребовать у потребителей электроэнергии снизить уровни высших гармоник путем применения сглаживающих фильтров или других средств.

Высшие нечетные гармоники тока, кратные трем, вызывают падение напряжения, как в нейтральном, так и в фазных проводниках. Это приводит к искажению формы напряжения в электрической сети, а значит и напряжения на зажимах всех электроприемников, подключенных к этой сети.

В результате необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием электромагнитных полей высших гармоник, а также повышенного нагрева токоведущих частей токами высших гармоник, в электроустановках наблюдаются негативные эффекты, которые оказывают мгновенное и длительное воздействия на питающие, распределительные и групповые сети, электрооборудование и другие технические устройства, находящиеся в зоне возникновения электромагнитных помех.

Мгновенное воздействие высших гармоник тока и напряжения в осветительных установках проявляется в следующем [20,34,36,37]:

искажение синусоиды питающего напряжения;

дополнительные потери напряжения в электрических сетях;

Таблица 4.11 Допустимые уровни высших гармоник напряжения

согласно стандарту IEC-1000-2-2

появление в трехфазных сетях нечетных гармоник кратных трем, которые обуславливают протекание по нулевому рабочему проводнику тока даже в случае симметричной нагрузки фаз;

появление резонансных режимов тока и напряжения на частотах высших гармоник, которые сопровождаются резким возрастанием тока и напряжения на отдельных участках сети, что может повлечь за собой перегорание ламп и отказы в работе осветительных установок;

наведение электромагнитным путем напряжения в телекоммуникационных и управляющих цепях;

сбои в работе и выход из строя цифровых технических систем (микропроцессоров, компьютеров, систем автоматического управления и коммуникаций и др.), применяемых в осветительных установках;

срабатывание аппаратов защиты в электроустановках напряжением до 1 кВ (предохранителей и автоматических выключателей) вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств.

Длительное воздействие высших гармонических составляющих вызывает такие негативные последствия [20,34,36,37]:

дополнительный нагрев токами высших гармоник трансформаторов, проводов, кабелей, осветительных шинопроводов, ПРА, конденсаторов и других элементов систем электрического освещения;

128

превышение длительно допустимой температуры нагрева нулевых рабочих проводников электрических сетей напряжением до 1 кВ, которое может вызвать их повреждение;

ускоренный тепловой износ изоляции проводов и кабелей;

увеличение диэлектрических потерь в изоляции кабелей и статических конденсаторах;

сокращение срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции;

дополнительные потери активной и реактивной мощности, а также электроэнергии в электрических сетях напряжением до 1 кВ и питающих трансформаторах;

увеличение погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии, которое приводит к неполному учету электроэнергии;

снижение коэффициента мощности нагрузки осветительных установок.

Как следует из выше изложенного, высшие гармоники тока и напряжения могут создать серьезные проблемы в электрических сетях напряжением до 1 кВ. Они отрицательно влияют на работу электрических сетей систем электрического освещения, снижая их надежность и эффективность. Поэтому в случае нелинейной нагрузки, подключенной на фазное напряжение, которой, например, является комплект «электромагнитный ПРА - газоразрядная лампа», необходимо учитывать влияние каждой гармоники. Специалисты, занимающиеся созданием световых приборов, проектированием и эксплуатацией осветительных установок, должны глубоко понимать процессы возникновения высших гармонических составляющих тока и напряжения, знать способы их подавления или снижения.

129

5. ОЦЕНКА ЭФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ СВЕТОВЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ СВЕТОДИОДОВ

5.1. Схемы подключения светодиодов

Для стабильной работы светодиода как светового прибора необходима соответствующая электрическая схема, обеспечивающая требуемые значения подаваемого напряжения и силы протекающего через него тока. Например, для работы красного светодиода необходимо напряжение всего 2 В, а синего и зеленого – 3-4 В [38]. Сила тока, протекающего через светодиод, должна находиться в диапазоне от 20 до 150 мА. При больших значениях тока светодиод перегорает. Следует отметить такую особенность действия р-n – перехода: повышение напряжения всего на 0,1 В увеличивает силу тока в несколько раз. Поэтому для нормального функционирования светодиодов необходим стабилизатор тока. В простейшем случае применяется токоограничивающий резистор R , сопротивление которого определяется исходя из значений напряжения и тока.

Принципиальная схема питания светодиода от источника постоянного тока приведена на рисунке 5.1 [5].

Рис. 5.1 Принципиальная схема питания светодиода от источника постоянного тока

Светодиоды можно питать и от источника переменного тока, как это показано на схеме, приведенной на рисунке 5.2 [5].

130