III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Материальной основой современного общества, безусловно, являются энергоэффективные, энергосберегающие и информационные технологии, содержащие различные нелинейные электроприемники. За последние 20 лет они изменили образ жизни и работы миллиардов людей, но и в свою очередь формируют новые требования к технической инфраструктуре.

Особенно заметно увеличение доли нелинейных электроприемников (ЭП) в сети 0,4 кВ промышленных предприятий. Ток, потребляемый этими ЭП, имеет ярко выраженный импульсный характер и представляет собой несинусоидальный периодический сигнал, имеющий в своем составе высшие гармонические составляющие (ВГ). Проблема не уникальна. Все страны на определенном этапе концентрации нелинейных ЭП сталкиваются с ней и вынуждены кардинально менять технические регламенты эксплуатации, нормы проектирования, разрабатывать соответствующую базу стандартов.

В случаях, когда мощность нелинейных электроприемников не превышает 10-15%, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу[1].

Аналогичные процессы наблюдаются и в системах электроснабжения военных объектов. Новые комплексы вооружения и военной техники (ВВТ), автоматизация и компьютеризация процессов обработки информации и управления войсками сопровождаются увеличением числа нелинейных ЭП и эта тенденция сохранится на ближайшую перспективу. Наиболее распространенным электрооборудованием военных объектов, генерирующим ВГ тока в сеть, являются:

• - статические преобразователи тока и частоты технологического оборудования и комплексов ВВТ (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные преобразователи частоты и пр.);
• - автоматизированные системы управления и обработки информации, компьютерные сети;
• - электродвигатели переменного и постоянного тока с регулируемой скоростью вращения в системе жизнеобеспечения объектов (вентиляция, кондиционирование, водоснабжение, водоотведение);
• - станции и устройства зарядки аккумуляторов;
• - газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;
• - сварочные аппараты;
• - устройства с насыщающимися электромагнитными элементами и т.д.

В высших военных учебных заведениях, штабах и др. учреждениях МО РФ, как и в подобных гражданских заведениях, основными видами нелинейной нагрузки являются осветительные установки с газоразрядными лампами (25-48%) и возрастающие год от года компьютерные нагрузки (5-10% от общей нагрузки [3]). Эти нагрузки являются однофазными. Они создают несимметрию напряжений в трехфазной сети и генерируют весь ряд нечетных ВГ в электрическую сеть.

Экспериментальные исследования токов и спектров ВГ, создаваемых люминесцентными лампами и компьютерной нагрузкой в учебном корпусе №3 НВИИВ, представлены на рисунках 1, 2 и 3.   

Из осветительных установок экспериментально исследовались светильники с индуктивным балластом в составе двух и четырех люминесцентных ламп (ЛЛ) фирмы Philips (по две лампы на один дроссель). Мощность каждой ЛЛ составляла 18 Вт. Частичная компенсация реактивной мощности (исходный коэффициент мощности равен 0,5) осуществлялась параллельным подключением к светильнику конденсатора ёмкостью 9 мкФ (заводская установка в светильнике). 

Анализ осциллограммы формы тока и его спектра, потребляемого пятнадцатью светильниками этого типа (см. рисунок 1), показывает, что в токе присутствуют ВГ с третьей по пятнадцатую с доминированием третьей, пятой и седьмой гармоник.

Рисунок 1 - Осциллограммы  тока и напряжения и спектр тока осветительных установок с люминесцентными лампами с индуктивным балластом и емкостной компенсацией  реактивной мощности учебного класса (15 четырёхламповых светильников (4х18) Вт)

Осциллограммы тока и напряжения персонального компьютера (ПК) представлена на рисунке 2 (слева). Ток ПК имеет характерную импульсную форму, соответствующую форме тока и спектру однофазного импульсного источника питания, рассмотренного в [2].

Форму тока ПК можно приблизить к синусоидальной, если в их блоках питания имеется корректор коэффициента мощности (ККМ). В зависимости от типа ККМ коэффициент мощности может достигать 0,95 [4], однако стоимость такого блока питания существенно выше. В качестве примера на рисунке 2 (справа) представлена осциллограмма тока ноутбука модели Acer Aspire 5920G, блок питания которого имеет ККМ.

Наличие высших гармоник  в токах нелинейных электроприемников создает технически опасные условия работы сети электроснабжения [2]:

• - ускоряется износ, происходит вздувание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности;
• - снижается коэффициент мощности системы электроснабжения здания в целом;

Рисунок 2 - Осциллограммы тока и напряжения персонального компьютера и современного ноутбука

• - ускоряется старение изоляции проводов и кабелей;
• - возникают сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования, вызванные колебаниями и импульсами питающего напряжения;
• - возрастает вероятность резонансных явлений и коммутационных перенапряжений, приводящих к преждевременному выходу из строя электронного оборудования.

ВГ тока кратные трем (то есть 3, 9, 15, 21 и т.д.), определяющие высокое значение  коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник, кроме кратных трем.  Последние совпадают по фазе в фазных проводниках и образуют токи нулевой последовательности. В результате общий ток в нейтрали  I_N

может превышать фазные токи в пределе в 1,73 раза.

Это наглядно иллюстрируется результатами экспериментальных исследований распределения по фазам токов ВГ, активных, реактивных, полных мощностей и значениями коэффициента мощности pf нагрузки компьютерного класса. Особо следует подчеркнуть, что при действующих значениях токов фаз А, В и С соответственно 5.3, 3.6, 5.8 А, действующее значение тока в нейтральном проводе составляет 7.2 А  (см. рисунок 3) при доминировании тока третьей гармоники (ток 6.7 А, частота 150 Гц). При этом коэффициент мощности pf (с учетом ВГ) лежит в пределах 0.64 ÷ 0.7, а реактивная мощность превышает активную мощность, что обуславливает дополнительные потери мощности в электрической сети.

Рисунок 3 - Спектр компьютерной нагрузки фазы С и нулевого провода компьютерного класса учебного корпуса №3 НВИИВ

Однако повысить коэффициент мощности обычными компенсаторами реактивной мощности в условиях высокого уровня гармоник проблемно. Здесь целесообразно применение фильтро-компенсирующих устройств [4].

Таким образом, на военных объектах с долей установленной мощности нелинейных электропотребителей 15% и выше в целях предупреждения развития пожароопасных и аварийных ситуаций целесообразно провести диагностику состояния и прогнозирование работы сети электропитания в плане оценки доли высших гармоник, качества электроэнергии, токовых нагрузок фазных и нулевых рабочих проводников с учетом несинусоидальности токов и напряжений.

ЛИТЕРАТУРА

• 1. Григорьев, О.А. О влиянии работы электронного оборудования на силовые электрические сети / О.А. Григорьев, В.С. Петухов, В.А. Соколов, И.А. Красилов // КомпьютерПресс№1, 2003. Veb: http://www.compress.ru/article.%20aspx?id=9553&iid=404.
• 2. Климов, В.П. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания / В.П. Климов, А.Д. Москалев. Web: http://www/.tensy.ru/ article01.html.
• 3. Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) бюджетных учреждений [Текст]: РД.34.01-00 / Г.Я. Вагин и др. Под ред. С.К. Сергеева. - Н. Новгород: НИЦЭ НГТУ, 2000. - 196 с.
• 4. Чаплыгин, Е.Е. Теория мощности в силовой электронике [Текст]: Учебное пособие / Е.Е. Чаплыгин, Н.Г. Калугин - М.: МЭИ, 2006. - 57 с.
• 5. Буре, А.Б. Компенсация реактивной мощности и выбор фильтрующих устройств в сетях промышленных предприятий [Текст]: Учебное пособие / А.Б. Буре, И.А. Мосичева - М.: МЭИ, 2004. - 28 с.