Оценка и повышение эффективности работы осветительных установок промышленных предприятий

где Eн1 и Eн2– нормируемые уровни освещенности для осветительных установок с источниками света 1 и 2 в случае замены ламп накаливания газоразрядными лампами;

C1 и C2 – отношение минимальной расчетной освещенности к нормированной для источников света 1 и 2 (0,9 ≤ С≤1,2);

Kз1 и Kз2 – коэффициенты запаса в осветительных установках с источниками света 1 и 2;

H1 и H2– световая отдача источников света 1 и 2.

Положительное значение W % соответствует экономии, отрицательное – перерасходу электроэнергии.

При одинаковых значениях расчетных коэффициентов и уровня освещенности выражение (6.2) приобретает вид

Абсолютная экономия электроэнергии при использовании более эффективных источников света определяется по следующей формуле:

W %

По формулам (6.2) и (6.3) с использованием средней световой отдачи ламп произведен расчет возможной относительной экономии электроэнергии при переходе на освещение более эффективными источниками света. Результаты расчета показаны в табли-

це 6.1.

Приведенные в таблице 6.1 данные характеризуют источники света только по затратам электроэнергии, подтверждая высокую энергетическую эффективность разрядных люминесцентных ламп низкого давления и высокого давления типов ДРИ, ДРЛ, ДНаТ, а также источников света на основе светодиодов. В тоже время отметим, что выбор источников света представляет собой многокритериальную задачу, решение которой требует учета разнообразных

171

факторов: стоимости светотехнических изделий, их срока службы, требуемой цветопередачи, надежности работы ПРА, устройств управления и т.д.

При выборе светильников типа РСП, ГСП и ЖСП с газоразрядными лампами высокого давления следует отдавать предпочтение световым приборам с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, обеспечивающим коэффициент мощности нагрузки cos φ≥0,85. Применение для люминесцентных ламп низкого давления электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) оказывается экономически выгодным за счет получаемой экономии электроэнергии.

Таблица 6.1 Относительная экономия электроэнергии при использовании более

эффективных источников света

Если потери мощности в электромагнитных ПРА составляют не менее 15 % от мощности ламп, то потери в ЭПРА – не более 10 %. ЭПРА обеспечивают получение переменного напряжения частотой свыше 30 кГц, что приводит к увеличению на 20 – 30 % световой

173

отдачи люминесцентных ламп. Поэтому при одном и том же световом потоке светильники с ЭПРА потребляют меньшую мощность, что и определяет их экономичность.

Еще одним ресурсом энергосбережения в осветительных установках является максимальное использование естественного освещения, что достигается применением автоматического управления осветительными установками в функции освещенности помещения или по заданной программе. В частности, в производственных, служебно-бытовых, торговых и учебных помещениях возможна установка светильников с лампами Т5, имеющих датчики уровня освещенности и автоматическое регулирование величины необходимого светового потока. Это снижает расход электроэнергии осветительными установками на 5–15 %.

Для сокращения продолжительности включения ламп могут применяться системы управления осветительными установками, обеспечивающие отключение рядов светильников, расположенных параллельно окнам, в зависимости от уровня естественной освещенности.

Использование интегрального (совмещенного) освещения помещений, в которые естественный свет проникает в недостаточном количестве или не проникает вообще (например, в подземных сооружениях), с помощью полых световодов и традиционных световых приборов позволяет более рационально расходовать электроэнергию на освещение. Такие осветительные установки целесообразно применять в высоких одноэтажных зданиях с высокой плотностью расположения оборудования, а также в помещениях, заглубленных в землю.

Благоприятно влияет на использование осветительных установок своевременная и надлежащая окраска колонн, ферм, стен, потолков зданий и производственного оборудования в светлые тона. Снизить время использования установок искусственного освещения в помещениях зданий, имеющих большую площадь остекления, можно путем регулярного (не менее двух раз в год) мытья стекол, что приводит к экономии электроэнергии до 3 %.

Одной из причин высокого расхода электроэнергии на освещение является эксплуатация на промышленных предприятиях, в общественных и жилых зданиях морально устаревших и физически изношенных световых приборов с мало эффективными источника-

174

ми света и светораспределением, не всегда соответствующем требованиям освещения конкретного объекта. С целью снижения затрат электроэнергии на освещение такие приборы должны быть заменены на более эффективные устройства освещения.

Также до 3 % экономии электроэнергии можно получить за счет выполнения регламентированных [13] периодических очисток светильников от пыли и грязи на месте установки или в мастерской (не менее 18 очисток в год в наиболее пыльных помещениях, 6 – в помещениях со средним выделением пыли, 4 – в помещениях с невысоким уровнем запыленности и на территории пыльных производств, 2 – на территории городов и непыльных производств), а также поддержанием в чистоте световых проемов окон, фонарей и т. п.

Одним из условий рационального расходования электроэнергии является поддержание уровней напряжения в осветительной сети в допустимых пределах: от 95 до 105 % номинального напряжения

Uном .

Относительное изменение расхода электроэнергии на освещение в зависимости от напряжения, подведенного к световым приборам, численно равно изменению потребляемой ими мощности. С учетом формул (3.5), (3.8) и (3.11), процентное изменение потребления активной электроэнергии световыми приборами в функции от вели-

чины установившегося отклонения напряжения U ó , выраженного в процентах от Uном , определяется по следующим выражениям:

а) для световых приборов с лампами накаливания:

б) для световых приборов с люминесцентными лампами низкого давления (в комплекте с пускорегулирующими аппаратами):

в) световых приборов с металлогалогенными лампами типа ДРИ (в комплекте с пускорегулирующими аппаратами):

175

г) для световых приборов с лампами типа ДРЛ (в комплекте с пускорегулирующими аппаратами):

В таблице 6.2 приведены результаты расчетов, выполненные по выражениям (6.4) – (6.7), показывающие, на сколько увеличивается потребление активной электроэнергии световыми приборами с различными лампами при повышении напряжения на величину от одного до десяти процентов по отношению к Uном.

Данные, приведенные в таблице 6.2 показывают, что для экономии электроэнергии необходимо по возможности понижать эксплуатационное напряжение, поддерживая его величину в допустимых пределах (не ниже 0,95 Uном). Для снижения уровней напряжения в осветительных сетях применяются специальные тиристорные ограничители напряжения. Отметим, что повышение напряжения существенно снижает срок службы источников света.

С целью экономии энергоресурсов необходимо заинтересовать потребителей в применении эффективных источников света. Для стимулирования бытовых потребителей электроэнергии за использование энергосберегающих ламп целесообразно предоставлять определенные льготы по оплате за электроэнергию лицам, приобретающим такие лампы. Для повышения экологической безопасности должна быть создана система централизованного сбора у населения отказавших источников света, содержащих ртуть, и их последующей утилизации на специализированных предприятиях.

Важнейшее значение в энергосбережении имеет повышение энергетической культуры (уровня понимания проблем энергетики и рационального использования энергоресурсов) всего населения, воспитание у людей с детских лет бережного отношения к электроэнергии и другим видам энергоресурсов.

176

Таблица 6.2 Увеличение расхода электроэнергии световыми приборами

при повышении напряжения

6.3. Способы снижения уровня высших гармоник тока и напряжения в электрических осветительных сетях

Снижения уровня высших гармоник можно достигнуть путем устранения их в генерирующих устройствах (источниках света и световых приборах) и в электрических сетях осветительных установок. Следовательно, к решению данной проблемы должны быть привлечены специалисты разного профиля: конструирующие и создающие световые приборы, проектирующие и эксплуатирующие осветительные установки.

Как отмечалось выше, применение компенсированных электромагнитных ПРА газоразрядных ламп увеличивает относительное

177

значение токов третьей и пятой гармоник. Поэтому более эффективным является использование электронных ПРА (ЭПРА), повышающих коэффициент мощности до более высоких значений по сравнению с электромагнитными компенсированными ПРА. В связи с тем, что компенсированные ПРА имеют коэффициент мощности (cosφ) не менее 0,85, а ЭПРА - не менее 0,95, то и гармонический состав потребляемого тока у ЭПРА значительно лучше.

Для снижения тока высших гармоник и повышения коэффициента мощности газоразрядных ламп применяется его активная коррекция с помощью корректора коэффициента мощности (ККМ). Английская аббревиатура данного устройства– PFC (power phase correctоr). Корректор представляет собой преобразователь напряжения, который входит в состав ЭПРА. Он является так называемым бустерным конвертером (BC - boost converter), снабженным специальной схемой управления.

Целесообразно отметить, что с целью повышения конкурентоспособности продукции производители светотехнических изделий, стремясь снизить себестоимость компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), во многих случаях не используют ККМ в ЭПРА. Применение в ЭПРА с целью снижения стоимости КЛЛ наиболее дешевых электронных элементов, не обладающих достаточным запасом прочности по напряжению, приводит к отказам КЛЛ при появлении в электрической осветительной сети импульсов перенапряжения.

Отметим, что в Республике Беларусь ЭПРА широко используются в световых приборах с люминесцентными лампами низкого давления. Светильники с газоразрядными лампами высокого давления, как правило, комплектуются некомпенсированными электромагнитными ПРА. В то же время ведущими производителями светотехнической продукции для ламп типа ДНаТ, ДРИ выпускаются два вида ЭПРА, различающиеся по частоте тока лампы. В высокочастотных ЭПРА частота тока лампы достигает величины порядка 130 кГц. При этом регулирование мощности лампы осуществляется за счет изменения частоты тока лампы. В низкочастотных ЭПРА частота тока лампы неизменна и имеет значение 100 Гц (возможны некоторые отклонения от этой величины), регулирование мощности лампы осуществляется за счет изменения амплитуды тока лампы. Применение в ЭПРА активного ККМ решает проблемы электро-

178

магнитной совместимости ЭПРА с питающей сетью и повышения коэффициента мощности.

При использовании в осветительных установках электронных ЭПРА с активным корректором реактивной мощности гармонический состав потребляемого тока почти на порядок лучше, чем при применении световых приборов с электромагнитными ПРА. Следует учитывать, что гармонический состав потребляемого тока не постоянен и зависит как от величины подведенного напряжения, так и от потребляемой мощности. Для ЭПРА общий коэффициент высших гармоник находится в диапазоне от 3 до 10%. При этом наихудшее (максимальное) значение коэффициента достигается при максимально допустимом питающем напряжении. Следовательно, повышение напряжения в осветительной сети не только увеличивает ток нагрузки в соответствии со статическими характеристиками световых приборов, но и усиливает действие высших гармоник.

Отметим, что отказ ПРА во всех случаях приводит к отказу в работе светового прибора. Поэтому важно обеспечить надежную работу комплекта «ПРА – газоразрядная лампа». При этом срок службы ПРА должен быть сопоставимым со средней продолжительностью горения ламп. Если данный срок окажется меньше числа часов работы источников света, то это неизбежно приведет к снижению надежности систем электрического освещения и повышению затрат на их эксплуатацию. Надежность функционирования ПРА зависит от надежности работы и долговечности входящих в его состав элементов, в том числе и статических конденсаторов. Применение в ЭПРА комплектующих элементов невысокого качества снижает эффективность осветительных устройств. На работу компонентов ПРА оказывают влияние условия окружающей среды, в первую очередь температура воздуха в пространстве, в котором находятся световые приборы.

Рассмотрим другие способы снижения уровня высших гармоник, которые могут применяться в осветительных установках с целью повышения надежности и эффективности электрических сетей. В частности, значения высших гармонических составляющих тока в электрических сетях могут быть уменьшены последовательным включением линейных дросселей. Это простейший способ снижения уровня высших гармоник тока, генерируемых нелинейными нагрузками во внешнюю сеть. Такой дроссель обладает малым зна-

179

чением индуктивного сопротивления на основной частоте (50 Гц) и повышенными сопротивлениями для высших гармоник тока, что приводит к их ослаблению. Дроссели, установленные на питающих и распределительных линиях, уменьшают генерирование высших гармоник во внешнюю сеть по отношению к точке их подключения.

Внекоторых сетях применение последовательно включенных линейных дросселей не позволяет уменьшить гармонические искажения кривой тока до желаемого результата. В этом случае целесообразно использовать пассивные индуктивно-емкостные LC- фильтры, настроенные на определенный порядок гармоник. В осветительных сетях с газоразрядными источниками света в первую очередь следует подавлять высшие гармоники тока 3, 5 и 7-го порядка.

Восветительных установках могут использоваться активные кондиционеры гармоник (АКГ). Их принцип действия основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в электрическую сеть высших гармоник тока определенного порядка, но с противоположной фазой. В результате высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Следовательно, они не распространяются от нелинейной нагрузки в питающую сеть и не искажают напряжение источника питания.

Необходимо иметь ввиду, что использование линейных дросселей, пассивных фильтров и АКГ не устраняет воздействие высших гармоник на групповую осветительную сеть. Поэтому более эффективным средством снижения уровня высших гармоник является применение в осветительных установках с газоразрядными лампами световых приборов, оснащенных ЭПРА.

Взаключение отметим, что проблема высших гармоник в электрических сетях осветительных установок станет менее актуальной при внедрении световых приборов с принципиально новыми источниками света – светодиодами. Однако в этом направлении необходимо выполнить соответствующие исследования.

6.4. Особенности выбора устройств защиты от сверхтоков в осветительных установках

При проектировании осветительного электрооборудования для обеспечения надежности электрических сетей в первую очередь не-

180