Электромагнитная безопасность электрических цепей при использовании нового поколения светотехническихприборов

Гужов С.В.

НИУ МЭИ

2

1 – накопитель электромагнитной энергии, фильтр;2 – выпрямитель;3 - корректор формы потребляемого от электрической сети тока;4 - блок управления;5 - усилитель мощности;6 - выходной каскад ;

7 – реле времени;8 – датчик звука;9 – датчик присутствия;10 – датчик освещённости;11 – элемент принятия сигналов извне по различным каналам (сухой контакт)

Светодиодный светильник как источник электромагнитных помех сети ~220/380В

Функция ВАХ – i(u) и огибающая ВАХ (f_BAX) для

светодиодного светильника LZ-70

Вид огибающей ВАХ достигается наличием активного корректора мощности, способного при значительных колебаниях сетевого напряжения изменять внутреннее сопротивление, поддерживая постоянное значение тока во вторичных цепях. Значения гармонических составляющих тока, отдаваемого в питающую сеть, также остаются неизменными на всём протяжении линии.

Функция ВАХ – i(u) и огибающая ВАХ (f_BAX) для

ДНаТ-100

ПРА разрядных ламп не способно поддерживать значение потребляемого тока постоянным на всём отрезке напряжений. В таком случае, значения токов первой гармоники с увеличением порядкового номера источнике света в групповой сети будет убывать. Значения токов высших гармонических составляющих тока убывают пропорционально току первой гармоники.

Анализ пускорегулирующей аппаратуры разрядных и светодиодных ИС

Основные ПКЭ, подверженные воздействию светодиодных светильников

Наименование ПКЭ Наиболее вероятная причина

Отклонение напряжения  

δUy установившееся отклонение напряжения график нагрузки потребителя

Колебания напряжения  

δUt размах изменения напряжения потребитель с резкопеременной нагрузкойPt доза фликера

Несимметрия напряжений в трёхфазной системе  

K2U

коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности потребитель с

несимметричной нагрузкойK0U

коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности

Несинусоидальность формы кривой напряжения  

KU коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения потребитель с нелинейной нагрузкойKU(n) коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

Прочие  

Δf отклонение частотыособенности работы сети,

климатические условия или природные явления

ΔtП длительность провала напряжения

Uимп импульсное напряжение

KперU коэффициент временного перенапряжения

«Совместимость технических средств электромагнитная» ГОСТ 13109-97.

Снижение эффективности процессов генерации, передачи электроэнергии

Доп. потери мощности в ЛЭП

2

2*3

rЛЭП rKIР

где Кru - коэффициент, учитывающий влияние поверхностного эффекта (Кru = 0,47*u0,5).

∆РЛЭП= 2÷6%

В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь электроэнергии на гистерезис, потерь на вихревые токи и в стали, и потерь в обмотках: 2

2

2

2

2 5.01607.0

U

U

PUPP

K

KХТР

где ∆РХ, ∆РКЗ, UК - расчётные данные трансформатора.∆РТР= 3÷5%

Важная составляющая воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединённых в треугольник, что часто приводит к их перегрузке и последующему межвитковому КЗ.

Ускоренное старение изоляции электрооборудования

В кабельных линиях гармоники напряжения (δUt) увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимальной амплитуды напряжения, что ускоряет его старение и формируют потери на нагрев (∆Рнагрев). В линиях сверхвысокого напряжении гармоники напряжения по той же причине (увеличение амплитуды) могут ещё вызвать увеличение потерь электроэнергии на корону.

∆Рнагрев= 1÷3%

Входное сопротивление питающей энергосистемы при пренебрежении активными сопротивлениями:

где ZC – волновое сопротивление линии; ХНu - сопротивление нагрузки линии току гармоник; β – коэффициент фазы; коэффициент k1(2) для сетей некоторых конфигураций определяется по справочным данным.

])[(* )2(1C

нCВХ Z

XkarctgltgZX

Снижение ёмкости батарей конденсаторных установок

Наличие в сетях конденсаторов, используемых для компенсации реактивной мощности, может привести к местным резонансам, которые, в свою очередь, могут вызвать чрезмерное увеличение тока в конденсаторах и их выход из строя.

Дополнительные активные потери, приводящие к дополнительному нагреву БК:

где w - номинальная угловая частота; U(u) – напряжение u-й гармоники; С – ёмкость батареи; tgdu - коэффициент диэлектрических потерь на u-й гармонике.

∆Рдиэл= 5÷15% при допустимом переносимом отклонении тока от нормы до 30%

2

2)( ***

tgCnUP

ДИЭЛ

Замедление частоты вращающихся электрических машин

Потери, обусловленные наличием высших гармоник тока в статорной обмотке во вращающихся машинах, определяются по формуле:

 где ∆РНОМ – потери в меди обмотки при синусоидальном токе; КI(u) – коэффициент u-й гармоники тока; Кr(1) и Кr(u) –коэффициенты увеличения потерь (коэффициенты вытеснения) для 1-й и u-й гармоник тока, определяемые в зависимости от конструкции машины.

∆Рстат= 1÷4%

В фазах обмоток статора гармониками создаётся пульсирующая магнитодвижущая сила, приводящая к появлению в зазоре несинхронных магнитных полей, создающих дополнительные потери. Наличие гармоник также могут привести к значительной вибрации вала.

])*[1

1( )(2

2)(

1)(

rI

rНОМСТАТ KK

КРP

Дополнительные увеличивающие погрешности в приборах учёта

Мгновенные значения напряжения:

∆Ручёт= 2÷3,5%

m

mm

n

nn atmUatnUu11

)sin(*2)sin(*2

Фон гармонических составляющих в сети ~220/380В

Уровень дополнительных потерь в питающих сетях промышленных предприятий составляет 4-8% номинальных потерь.

В сетях электрифицированного транспорта доп. потери от несинусоидальности достигают 10-15%.

В целом по стране из-за повышенного гармонического состава при передаче и распределении электроэнергии дополнительно теряется 2.5-3% всей генерируемой мощности.

Номер гармонической составляющей

Газоразрядный ИС типа

ДРЛ-150 с компенсацией

Газоразрядный ИС типа

ДНаТ-100 с компенсацией

Светодиодный аналог

Результирующие формы кривых тока уличных СДС (паспортные данные)

Форма кривой токадля номинального режима.

Форма кривой ВАХдля номинального режима.

Номер гармоники

Значение тока

1 100,0

3 18,0

5 5,0

7 5,0

9 0,5

11 0,1

13 0,7

15 0,1

17 0

19 6,0

21 0

23 3,0

25 9,0

27 5,0

29 10,0

31 0

33 0

35 0

37 0

39 0

Данные по замерам гармоник тока для светодиодного аналога ДНаТ-70

Сеть ограниченной мощности, f=50 Гц, UФ НОМ =220B. Максимальный номер гармоники в исследуемом спектре: N=40.

В качестве исходных данных принят ИС типа «ДНаТ-100 с компенсацией».

Расстояние между первым светильником и уличной РП, как и последующие расстояния между светильниками составляют 30 м.

Прибор учёта – счётчик полной мощности типа Матрица Smart IMS, серия NP5, класс точности - 1.

Используемый проводник СИП-5х25 производства ООО «Сарансккабель».

Сеть с равномерно распределённым электропотреблением по всем трём фазам.

Описание моделируемой групповой линии осветительной сети

Программа расчёта электромагнитной обстановки в осветительных сетях

Результаты расчёта

Спектр гармонических составляющих тока на каждом ИС типа LZ-70 для каждой исследуемой гармоники

Расчётные результирующие токи в ЩНО (ось абсцисс – время, с; левая ось ординат – значение тока, А; правая ось

ординат – значения мощности, Вт)

Функция ВАХ – i(u) - и огибающая ВАХ (f_BAX) для LZ-70

Амплитудное значение тока: - без учёта нелинейности нагрузки – 12,7 А; - с учётом нелинейности нагрузки тока – 25,0 А.Действующее значение тока: - без учёта нелинейности нагрузки– 9,0 А; - с учётом нелинейности нагрузки тока – 10,6 А.Значение потребляемой мощности: - без учёта нелинейности нагрузки – 2,8 кВт; - с учётом нелинейности нагрузки тока – 3,228 кВт.Дополнительные затраты на несинусоидальность тока – 0,428 кВт или 13,3 %.

Результаты моделирования сети городской уличной осветительной сети