Электромагнитная безопасность электрических цепей при использовании нового поколения светотехнических приборов 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 ПКЭНаиболее вероятная причина Отклонение напряжения δU y установившееся отклонение напряженияграфик нагрузки потребителя Колебания напряжения δU t размах изменения напряжения потребитель с резкопеременной нагрузкой PtPt доза фликера Несимметрия напряжений в трёхфазной системе K 2U коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности потребитель с несимметричной нагрузкой K 0U коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности Несинусоидальность формы кривой напряжения KUKU коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения потребитель с нелинейной нагрузкой K U(n) коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения Прочие Δfотклонение частоты особенности работы сети, климатические условия или природные явления Δt П длительность провала напряжения U имп импульсное напряжение K перU коэффициент временного перенапряжения «Совместимость технических средств электромагнитная» ГОСТ

Снижение эффективности процессов генерации, передачи электроэнергии Доп. потери мощности в ЛЭП где К ru - коэффициент, учитывающий влияние поверхностного эффекта (К ru = 0,47*u 0,5 ). Р ЛЭП = 2÷6% В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь электроэнергии на гистерезис, потерь на вихревые токи и в стали, и потерь в обмотках: где Р Х, Р КЗ, U К - расчётные данные трансформатора. Р ТР = 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 (δU t ) 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. Р нагрев = 1÷3% Входное сопротивление питающей энергосистемы при пренебрежении активными сопротивлениями: где Z C – волновое сопротивление линии; Х Нu - сопротивление нагрузки линии току гармоник; β – коэффициент фазы; коэффициент k 1(2) для сетей некоторых конфигураций определяется по справочным данным.

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; tgd u - коэффициент диэлектрических потерь на u-й гармонике. Р диэл = 5÷15% при допустимом переносимом отклонении тока от нормы до 30%

Замедление частоты вращающихся электрических машин Потери, обусловленные наличием высших гармоник тока в статорной обмотке во вращающихся машинах, определяются по формуле: где Р НОМ – потери в меди обмотки при синусоидальном токе; К I(u) – коэффициент u-й гармоники тока; К r(1) и К r(u) –коэффициенты увеличения потерь (коэффициенты вытеснения) для 1-й и u-й гармоник тока, определяемые в зависимости от конструкции машины. Р стат = 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.

Дополнительные увеличивающие погрешности в приборах учёта Мгновенные значения напряжения: Р учёт = 2÷3,5%

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 Процентное содержание тока гармоники относительно тока первой гармоники

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 тока для номинального режима. Форма кривой ВАХ для номинального режима. Номер гармоники Значение тока 1100,0 318,0 55,0 7 90,5 110,1 130,7 150, , ,0 259,0 275,0 2910, Данные по замерам гармоник тока для светодиодного аналога ДНаТ-70

Сеть ограниченной мощности, f=50 Гц, U Ф 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