Влияние нелинейной нагрузки на качество электрической сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние нелинейной нагрузки на качество электрической сети

В недавнем прошлом значительная часть электрической энергии использовалась потребителями с линейной вольтамперной характеристикой

В 2016 году доля потребления Российскими железными дорогами электроэнергии в Российской федерации составила 4,5%, из них 86% отводится на тягу поездов, 11% эксплуатационные нужды и 4% прочее потребление (сторонние потребители не связанные с деятельностью компании)

В эксплуатационные расходы входит, в основной своей части, станочный парк, отопление, освещение и офисная техника.

Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» 11 февраля 2008 г. №269 р включает в себя 2 основных направления.

• значительное снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов (далее - ТЭР) во всех сферах деятельности ОАО «РЖД»;

• оптимизация энергетических затрат в стационарной энергетике;

Оптимизация энергетических затрат необходима и если взять освещение хотя бы одной станции - (жигулевское море) наглядно видно, что экономия реально возможна путем модернизации.

Пример - средний годовой расход электроэнергии на освещение ст. Жигулевское море составляет порядка 530000 кВт*ч, что в переводе в рубли 1,637 миллиона рублей, если рассматривать в масштабах сети дорог из расчета, что всего в компании около 4000 станций то видно колоссальные затраты исчисляемые миллиардами. Применение энергосберегающих технологий (в данном случае светодиодных светильников) дает возможность снизить затраты в 3, а то и 7 раз, но необдуманное, массовое применение светодиодных светильников может дать и отрицательный результат, вплоть до массового выхода из строя электроустановок.

Различаются несколько видов электроприемников - именуемых как нагрузка, линейные и нелинейные сопротивления. Первым относятся наиболее знакомые лампы накаливания, нагревательные элементы, и другие резистивные нагрузки сопротивление которых не зависит от тока или приложенного к ним напряжения, ко вторым более сложные устройства, сопротивление которых зависит от протекающего по ним тока или приложенного напряжения.

В недалеком прошлом большая часть электрической энергии потреблялась линейными нагрузками, с конца 90-х годов резко увеличилась доля нелинейных электропотребителей. В первую очередь это персональные компьютеры и файл-серверы, принтеры, блоки бесперебойного питания, газоразрядные лампы другое офисное оборудование, также не составили исключения набирающие популярность светодиодные светильники, и светодиодные лампочки.

Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15%, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела появляются различные проблемы в эксплуатации [2].

Дело в том, что для электропитания перечисленного электронного оборудования используются встроенные импульсные источники питания, представляющие собой нелинейные нагрузки, сопротивление которых изменяется с течением времени. Они отличаются от прежних тем, что традиционный понижающий трансформатор и диод заменены на схему управления выпрямлением поступающего из сети тока.

Преимуществом такой схемы - для производителя оборудования - является значительное снижение размеров, стоимости и массы. Источник питания может изготавливаться практически любого формфактора. Недостатком - является то, что кроме преобразования переменного тока сети в выпрямленный ток, источник питания создает импульсы тока, содержащие большое количество гармоник третьего и более высокого порядков и значительные высокочастотные составляющие. Эти токи по сути являются несинусоидальным периодическим сигналом, который можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных сигналов с кратными частотами. На рис. 1 кривая тока, потребляемого импульсным источником, разложена в гармонический ряд. Очень хорошо видно, что третья гармоника исследуемого тока по величине составляет больше 80% от величины основной гармоники частотой 50 Гц.

Нелинейные нагрузки потребляют токи гармоник, которые поступают в распределительную сеть. Гармоники напряжения вызываются протеканием токов гармоник по сопротивлениям питающих цепей (по трансформатору и распределительной сети) [3].

Влияние высших гармоник на сети очень велики, весьма вероятны перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники, когда токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников не предусмотрена [1]. Необходимо также отметить ускоренное старение изоляции при повышении рабочей температуры токонесущих проводников.

Нулевой рабочий проводник не защищен от перегрева автоматическими выключателями либо предохранителями [1].

Старые системы электроснабжения проектировались только под линейную нагрузку, т.е. потребляемый электроприемниками ток в своем гармоническом составе содержал лишь основную гармонику (50 Гц). Следовательно, ток в нулевом рабочем проводнике не мог превосходить ток в наиболее нагруженной фазе (защита, установленная на фазных проводниках, одновременно предохраняла от перегрева и нулевой рабочий проводник).

Нечетные гармоники в трехфазных цепях сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали (рис.).

Процесс формирования тока нейтрали при нелинейной нагрузке [4]

трансформатор электрический сеть импульсный

Полная загрузка трансформатора наступает при использовании лишь 50% его номинальной мощности. Большинство производителей светодиодного оборудования уверяют, что проблема эмиссии гармонических составляющих (влияния на сети электроснабжения) в современном оборудовании решена путем установки в ИИП корректора коэффициента мощности (широтно-импульсная модуляция). Целью было сделать так, чтобы нагрузка источника питания выглядела как резистивная нагрузка, следовательно, входной ток имел синусоидальную форму и совпадал по фазе с приложенным напряжением. Это достигается за счет импульсного извлечения входного тока (как высокочастотного сигнала треугольной формы), из которого с помощью входного фильтра выделяется синусоида. Действительно коэффициент мощности увеличивается с 0,5 до 0,97, более того прибор освещения действительно соответствует нормам эмиссии, но в тоже время приборы оборудованные ККМ (согласно требованиям госта), подключенные к трехфазной сети и имеющие высокий коэффициент, в группе оказывают не меньшее влияние на сеть. Данные явления с сочетанием светодиодного освещения мало изучены в виду того, что массовый характер светодиодного освещения наблюдается в последние 3 года с нарастающим. Светодиодный светильник как штучное изделие не представляет никакой опасности для электрической сети. Большинство производителей светотехнических изделий не занимаются проектными и электромонтажными работами, и как следствие не несут ответственности за качество электрической энергии применительно к комплексу работ. Особенно необходимы данные исследования для проектных институтов применительно к новым объектам и реконструкции существующих.

На сегодняшний день найдены возможные пути решения проблемы, это изменение схемы электроснабжения Y/Д, применение разделительных трансформаторов, применение источников малой мощности без коррекции мощности.

Список литературы

1. Москва: Научно-технический центр по безопасности в промышленности «Правила устройства электроустановок», 2007. 584 с.

2. [Электронный ресурс]: Электротехника. Режим доступа: http://www.klmgroup.ru/ru/enegineers/articles/vliyanie-garmonik-napryazheniya-i-toka/ (дата обращения: 13.03.17).

3. [Электронный ресурс]: ВИКиЭлектро. Режим доступа: http://ru.electricalinstallation.org/ruwiki/ (дата обращения: 16.03.17).

4. [Электронный ресурс]: Тенси плюс. Режим доступа: http://www.tensy.ru/article01.html/ (дата обращения: 25.03.17).

Размещено на Allbest.ru