Влияние нелинейных электропотребителей на условия эксплуатации электроустановок зданий

 

Линейные нагрузки

  • лампы накаливания
  • нагревательные элементы (ТЭН)
  • асинхронные электродвигатели
  • и т.п.


Нелинейные нагрузки

  • Персональные компьютеры
  • Файл-серверы
  • Мониторы
  • Лазерные принтеры
  • Копировальная техника
  • Факсы
  • Блоки бесперебойного питания (UPS)
  • Газоразрядные лампы
  • Электродвигатели переменной частоты вращения
  • Кондиционеры
  • Телевизоры
  • Видеомагнитофоны
  • Микроволновые печи
  • и т.п.


Тенденция роста нелинейных нагрузок в США

 



Импульсный источник питания

 


Питающее напряжение и потребляемый ток

 


Спектральный состав тока

 

Характеристики несинусоидальности





Примеры нелинейных нагрузок Спектральный состав тока


Последствия гармоник для электроустановок зданий

  1. Перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий
  2. Дополнительные потери в силовых трансформаторах
  3. Ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей
  4. Повышенный износ, вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности
  5. Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей
  6. Несинусоидальность питающего напряжения
  7. Сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования
  8. Преждевременных выход из строя электродвигателей
  9. Снижение коэффициента мощности электроустановок зданий
  10. Некорректный учет потребляемой электроэнергии


Последствия гармоник для электроустановок зданий

1. Перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий

 


ВНИМАНИЕ!!!
Последствия гармоник для электроустановок зданий

Перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий

В соответствии с требованиями 6-го издания ПУЭ п. 3.1.17 нулевой рабочий проводник не защищен от перегрева автоматическими выключателями либо предохранителями. Системы электроснабжения проектировались 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, и защита, установленная на фазных проводниках, одновременно защищала и нулевой рабочий проводник от перегрева.

В процессе эксплуатации неравномерность распределения токов по фазам должна быть не более 10% (п.6.6. табл.6. Приложение 1, ПЭЭП), поэтому при определении длительно допустимых токов по условиям нагрева проводов и кабелей, нулевой рабочий проводник четырехпроводной системы трехфазного тока, а также заземляющие и нулевые защитные проводники в расчет не принимаются (п.3.1.10. ПУЭ), поскольку ток в этих проводниках при наличии линейных электропотребителей существенно меньше токов в фазных проводниках. В случае нелинейных электропотребителей токи в нулевых рабочих проводниках превышают фазные (в пределе в 1.73 раза), поэтому значения длительно допустимых токов, приведенных в табл. 1.3.4-1.3.7 в случае нелинейных электропотребителей должны быть снижены.

Последствия гармоник для электроустановок зданий

2. Дополнительные потери в силовых трансформаторах

Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву и уменьшению срока его службы.

Кроме того, высокочастотные гармоники тока являются причиной появления вихревых токов в обмотках трансформатора, что также вызывает дополнительные потери мощности и перегрев трансформатора.


Последствия гармоник для электроустановок зданий

3. Ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей

Происходит из-за внутреннего дополнительного нагрева, за счет явлений поверхностного эффекта и эффекта близости.


Последствия гармоник для электроустановок зданий

4. Повышенный износ, вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности

Происходит из-за увеличения тока через конденсаторные батареи на повышенных частотах и резонанса токов на частоте одной или нескольких гармоник.


Последствия гармоник для электроустановок зданий

5. Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей

Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока приводящего к повышенному нагреву вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.


Последствия гармоник для электроустановок зданий

6. Несинусоидальность питающего напряжения

Напряжение в конце кабеля Напряжение в начале кабеля
Спектральный состав Спектральный состав


Последствия гармоник для электроустановок зданий

7. Сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования

В результате наличия несинусоидальных токов, потребляемых электронным оборудованием, возникает искажение формы питающего напряжения.

Это в свою очередь приводит к снижению уровня выпрямленного напряжения, увеличению тепловыделения в элементах импульсного источника питания, снижению устойчивости к кратковременным провалам напряжения.

Так, снижение амплитуды входного напряжения на 10% вызовет увеличение тока на 11%, а тепловых потерь - на 23%.


Последствия гармоник для электроустановок зданий

8. Преждевременный выход из строя электродвигателей

При снижении напряжения потребляемый электродвигателем ток возрастает, что вызывает перегрев изоляции и уменьшение срока службы двигателя. Несинусоидальность питающего напряжения также приводит к ускоренному старению изоляции и дополнительным потерям мощности.


Анализ и моделирование режимов работы электроустановок зданий при эксплуатации нелинейных электропотребителей

  1. Проведение аппаратурно-компьютерной диагностики
  2. Компьютерное моделирование условий работы


Аппаратурно-компьютерная диагностика системы электроснабжения здания

Разработанный комплекс по мониторингу показателей качества электрической энергии позволяет анализировать следующие величины:

  1. Напряжение фаз А, В, С, (действующее значение), В
  2. Напряжение фаз A, В, С, (максимальное значение), В
  3. Коэффициент искажения синусоидальности (Кu) напряжения фаз А, В, С
  4. Значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения (Ku(n)) фаз А, В, С
  5. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности (K0U)
  6. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (K2U)
  7. Ток фаз А, В, С и нулевого рабочего проводника (действующее значение), А
  8. Коэффициент искажения синусоидальности (Кi) тока фаз А, В, С и нулевого рабочего проводника
  9. Значение коэффициента n-ой гармонической составляющей тока (Ki(n)) фаз А, В, С и нулевого рабочего проводника
  10. Полная, активная и эквивалентная реактивная мощности фаз A, В, С
  11. Полная, активная и эквивалентная реактивная мощности по фидеру

На основании результатов измерений формируется выходной отчет, содержащий:

  1. Осциллограммы кривых напряжений и токов
  2. Сводную таблицу статистических характеристик напряжений
  3. Таблицы со статистическими характеристиками n-ой гармонической составляющей напряжения (по каждой фазе)
  4. Сводную таблицу статистических характеристик фазных токов и тока в нулевом рабочем проводнике
  5. По всем показателям строятся гистограммы плотности распределения анализируемого показателя


Компьютерное моделирование условий работы системы электроснабжения здания

Программное обеспечение является мощным инструментом для моделирования, анализа и прогнозирования условий работы системы электроснабжения 0,4 кВ и позволяет:

  1. Составлять сложные, разветвленные схемы распределительных электрических сетей низкого напряжения
  2. Строить графики кривых токов и напряжений
  3. Производить гармонический анализ сигналов
  4. На основе расчетной схемы прослеживать необходимые параметры сети и получать полную информацию о состоянии системы электроснабжения с выводом статистических характеристик в исследуемых точках

1.Обширные возможности программы позволяют рассчитывать токи и напряжения в сети и проводить их гармонический анализ

2.Моделирование схемы осуществляется с помощью встроенных средств программирования исходных параметров


Специальный графический редактор, обрабатывает импортированные из программы данные и имеет возможность строить множество графиков, описывающих исследуемые параметры (напряжение, ток и т.п.).

Кроме того, имеется возможность отображать в табличном виде различные характеристики построенных кривых.


    Например:

  • мин., макс. и среднее значения;
  • коэффициент несинусоидальности;
  • коэффициент n-ой гармонической кривой тока и напряжения;
  • значение каждой гармоники в отдельности (абсолютное или относительное значения).
  • и т.д.


Мощная схемотехническая программа позволяет моделировать работу сложных схем, а также имеет обширные возможности по импорту и экспорту исходных и расчетных данных в другие программы. Большой набор встроенных функций позволяет производить анализ переходных процессов, анализ частотных характеристик, а также расчет передаточных функций по постоянному току.

Графические возможности программы позволяют в наглядном виде отображать результаты расчетов. Кроме того, имеется возможность экспортировать полученную информацию в текстовые или графические файлы.

Таким образом, программа является гибким и в тоже время довольно мощным средством расчета и анализа режимов работы электрических систем любого уровня.


ВНИМАНИЕ!!!

Работники одного из обследуемых офисных зданий жаловались на «дрожание» изображения мониторов компьютеров и вследствие этого на быструю утомляемость и плохое самочувствие. Плотность потока индукции магнитного поля на рабочих местах пользователей ПК составляла более 5 мкТл (при норме СанПиН 2.2.2.542-96 - 0,25мкТл).

Источником магнитных полей промышленной частоты является кабельная линия с током утечки более 109 А (амплитудное значение).

При устранении тока утечки по этой кабельной линии ток по нулевому рабочему проводнику возрастет до 168 А (амплитудное значение), что, с учетом сечения жил данного кабеля может привести к его перегреву и возгоранию.


Ток в нулевом рабочем проводнике до устранения тока утечки по кабельной линии.
Амплитудное значение тока 109,7 А.

 



Ожидаемый ток в нулевом рабочем проводнике после устранения тока утечки по кабельной линии.
Амплитудное значение тока 168 А.

 


При устранении тока утечки по кабельной линии возможно резкое увеличение тока в нулевом рабочем проводнике. Следовательно, согласно утверждениям сделанным ранее ,с большой долей вероятности можно сказать, что не рассчитанный на подобные токовые нагрузки кабель будет перегреваться, вплоть до возгорания.

РЕШЕНИЯ:

¦ Во-первых, необходимо провести полномасштабное обследование системы электроснабжения здания, выяснить характер электрических нагрузок, пригодность существующих сетей к эксплуатации и перспективу роста числа подобных электропотребителей.

¦ Во-вторых, определить целесообразность применения тех или иных специализированных технических средств для ограничения уровня гармоник.


Центр електромагнитной безопасности    http://www.tesla.ru/