Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

В современном мире стало очень популярно использовать привычные обществу электроприборы с энергосберегающей технологией, а точнее широкое распространение получили энергосберегающие лампы. В сетях происходит постепенная замена устаревших ламп накаливания на более энергоэффективне и экономные. В магистерской работе, для исследований задействованы компактные люминесцентные лампы. Лампа представляет собой, скрученную в спираль колбу, внутренняя часть которой покрыта слоем люминофора. В цоколь лампы помещается электронный балласт, который служит пусковым устройством для лампы. Лампы данного типоисполнения имеют ряд достоинств и недостатков. Достоинства лампы: 1) достаточно большой срок службы, до 10000 часов; 2) низкое энергопотребление; 3) заводская гарантия сроком в 1 год; 4) высокий уровень КПД; 5) цокольная совместимость, что позволяет быстро заменить лампы накаливания, без дополнительный вложений.

Недостатки лампы: 1) высокая стоимость (в сравнении с лампами накаливания); 2) содержит ртуть и люминофор; 3) в процессе работы генерируются высшие гармоники, что приводит к повышению коэффициента гармоник в электрической распределительной сети, и как следствие, к увеличению потери электрической мощности и энергии.

Рисунок 1 –  Конструкция КЛЛ

1. Актуальность темы

В процессе эксплуатации электрических сетей самым главным показателем является качество электроэнергии. Показатели качества электроэнергии стараются сделать в соответствии с номинальными значениями ГОСТа, нормальным отклонением является колебание ±5 %. До сих пор проблемы качества электроэнергии, связанные с компактными люминесцентными лампами, в значительной степени игнорировались, поскольку количество этих ламп было не большим и связанное с ними влияние было трудно оценить количественно.

Большинство современных КЛЛ построено на типовых схемных решениях и не снабжено какими-либо системами, оптимизирующими параметры качества потребляемой электроэнергии. Высшие гармоники в сетях электроснабжения приводят к ряду негативных последствий, несмотря на имеющиеся достоинства КЛЛ, они создают загрязнение частотными составляющими кратными основной гармонике. Причем уровень их достаточно высок, что бы влиять на работу электрооборудования и правильность учета электроэнергии индукционными счетчиками. Высокая интенсивность высших гармоник может приводить к созданию радиопомех и помех работе бытовых электронных устройств, а так же создавать дополнительную нагрузку на проводники.

В дальнейшем предполагается обработать экспериментальные данные по токам различного вида ламп и получить исходные данные для проектирования в виде фазных кривых токов и их производных, а также для обоснования увеличения сечения нулевых проводов. Правильный расчет позволит снизить развитие аварийных ситуаций, улучшить параметры качества электроэнергии и применять меры по предупреждению их возможного снижения.

2. Цель и задачи исследования

Цель и задачи исследования: снизить нагрузку на провода; снизить потери в проводах; повышение качества напряжения; увеличить срок службы оборудования; уменьшить просадки напряжения в сети; увеличение сечения нулевых проводов.

3.Расчет потерь напряжения в электрических сетях с импульсной нагрузкой

Рассматриваются особенности расчета потерь напряжения при питании электроприемников с импульсной нагрузкой (на примере компактных люминесцентных ламп КЛЛ).

Обычно потери напряжения вычисляются по активной и реактивной мощностям, а также по активному r и реактивному x сопротивлениям сети. Эти величины относятся к частному случаю синусоидальной нагрузки например для ламп накаливания. Однако КЛЛ, блоки питания телевизоров и компьютеров имеют импульсную нагрузку [1]. В этом случае понятия x не существует. В связи с этим требуется разработать метод расчета потерь напряжения для таких нагрузок.

Исходными для расчетов являются кривые токов iA(t) КЛЛ, подключенной между фазой A и нулем, если лампа подключена к фазе B или C, то кривая токов получается смещением iA(t) на 240 и 120 градусов. Если к фазам подключено несколько ламп, то суммарные токи каждой фазы равны сумме соответствующих токов. График тока в нулевом проводе равен сумме токов во всех фазах.

Особенности расчетов проецируем на примере равномерного подключения трех ламп. Кривые напряжений uA,B,C(t) представляют собой синусоиды сдвинутые по фазе.

Кривые напряжений uA,B,C(t) <br>(анимация: 4кадра, 99.4 килобайта)

Рисунок 2 – Кривые напряжений uA,B,C(t)
(анимация: 4 кадра, 99.4 килобайта)

В случае ламп накаливания, кривые токов iA,B,C(t) повторяют кривые напряжения в любой момент времени, сумма этих токов равна нулю, поэтому в нулевом проводе ток отсутствует. Иначе обстоит дело с КЛЛ, для простоты рассмотрим идеализированную кривую тока в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов шириной эe и величиной ± B. На рис. 2 импульсы кривой тока фазы A затушёваны, импульсы фазы B заштрихованы, а импульсы фазы C изображены без штриховки.

В каждой фазе наблюдается по два импульса, поэтому действующие значения токов одинаковы:

form1

где tf = 0,02с– длительность цикла при частоте 50 Гц.

При суммировании импульсы токов фаз не перекрываются, в связи с чем в нулевом проводе кривая тока iN(t) имеет шесть разномерных импульсов. В этом случае действующие значение тока

form1

в 3 больше любого фазного тока. Фактически импульсы тока ламп частично перерываются, поэтому превышение тока в нулевом проводе будет в меньшей мере.

Потеря напряжения uA определяется по кривым тока iA(t):

form1

Здесь rN активное сопротивление нулевого провода, L и LN – индуктивность фазного и нулевого проводов.

Целью расчета является определение действующего значения UA потери напряжения. Но его нельзя определить путем среднеквадратичного осреднения графика uA(t), а требуется вначале найти напряжение на лампе

form1

где Uн– фазное номинальное напряжение , wf = рад/с – угловая частота.

Действующее значение

form1

Искомая потеря напряжения

form1

Найденные кривые токов фаз и нулевого провода позволяют оценить загрузку проводов.

4.Значение нулевого провода

В распределительных сетях 0.4 кВ есть существенная проблема, которая связана со значительными перекосами напряжений по фазам. При подключении электропотребителей в многоквартирных домах, невозможно отследить какая из фаз будет более загруженной, а какие менее загруженные. На нагруженных фазах напряжение падает до 200…210 В, а на менее загруженных за счет смещения нуля может возрастать до 240 В и более. Повышенное напряжение может привести к выходу из строя оборудование потребителей. При этом в нулевом проводе четырехпроводной линии появляется ток, равный геометрической сумме фазных токов.

Перекосы напряжения оказывают сильное влияние на работу электрооборудования. При увеличении напряжения на лампах накаливания до 5 % световой поток увеличивается на 20 %, а срок службы такой лампы сокращается в два раза.

Для компенсации перекоса напряжений целесообразно перераспределить токи нагрузки по фазам, выровняв их значения. Так как в данный момент нет глобальных мер по ограничению тока в нулевом проводе, есть идея увеличения сечения нулевого провода до значения сечения фазных проводов.

Во времена, когда все потребители были линейными, а нагрузки по фазам равными, то по нулевому проводнику не было нагрузки. Поэтому из соображений экономии металла нулевой проводник делали тоньше, теперь же ситуация коренным образом изменилась и нулевые проводники требуются равными фазным.

Смоделировав равномерную нагрузку по фазам, были получены кривые токов в фазах и в нулевом проводе (рис. 3)

Рисунок 3 –  Кривые токов, протекающих в фазах и нулевом проводе.

Как видно из рисунка 3, ток в нулевом проводе при равномерно распределенной нагрузке по фазам образовался в следствии высших гармоник, кратным трем.

Кривые тока компактных люминесцентных ламп являются периодическими, в этом случае значение четных гармоник можно прировнять к нулю, а в нулевом проводе будет сумма токов нечетных гармоник кратным трем, таким как 3, 9, 15 и т.д.

Можно сделать вывод, действующее значение тока в нулевом проводе в 1.5 раза превышает ток который протекает по фазным проводам.

Ссылаясь на рекомендации ПУЭ (п.1.3.8)[10] где сказано, что нулевые рабочие проводники в четырехпроводной системе трехфазного тока должны иметь проводимость не менее 50% проводимости фазных проводников, а так же при необходимости, сечение должно быть увеличено до 100% проводимости фазных проводников. В случае с полученными данными от эксперимента, где нагрузка в нулевом проводе превышает в 1.5 раза допустимую нагрузку для фазных проводников, неизбежна перегрузка нулевого провода, поэтому даже равные сечения фазных и нулевого проводов не поменяют картину происходящего. Так же необходимо учитывать, что в опыте, нагрузка была равномерно распределена, чего невозможно сделать при эксплуатации распределительных сетей, с учетом того что у потребителей повсеместно установлены компьютеры, которые так же создают помехи в электросети. Значение тока будет еще больше и фактически, любая авария приведет к огромному выходу из строя электрооборудования потребителей. Исходя из выше изложенного можно четко аргументировать то, что нормы и правила проектирования, касающееся выбора сечения нулевого проводника себя изжили и требуют немедленной доработки и внедрения.

5. Проблемы утилизации компактных люминесцентных ламп

Газоразрядные лампы низкого давления, к которым относятся широко распространенные люминесцентные и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), являются одним из основных современных бытовых источников ртутьсодержащих отходов. Уникальные физические и физико-химические свойства ртути и ее соединений обусловили их широкое применение в различных сферах производства и быта. В тоже время ртуть и ее соединения являются чрезвычайно опасными веществами для человека и окружающей среды. Всемирной организацией здравоохранения они отнесены к одним из приоритетнейших загрязнителей.[2] Возникает вопрос в целесообразности дальнейшего запрета оборота ЛН мощность ниже 100 Вт, так как это вынудит население и государственные предприятия приобретать КЛЛ вопреки экономической целесообразности. Кроме того, отсутствие в городах системы утилизации перегоревших КЛЛ приведет к ухудшению экологической обстановки в стране. И эта проблема требует системного решения.

Общее количество ртути, загрязняющее объекты окружающей среды в пределах селитебных территорий, составляет в России более 1,5 т. в год. В среднем КЛЛ содержит 3-5 мг ртути (для сравнения в термометрах содержится 0,5-3 г), а в наиболее совершенных лампах - 1 мг.[2] Около половины ртути со временем впитывается в стекло, люминофор, соединяется с металлом спирали, которые не испаряется в случае, если лампа разобьется. По прогнозу выбытие КЛЛ со 175 млн. шт. в 2018 г. вырастет до 478 млн. шт. в 2020 году. Доля утилизируемых ламп должна повысится с 7 до 36%, что потребует создания в России 34 заводов по утилизации мощностью по 3 млн. ламп в год.[2]

Рисунок 4 – Процесс утилизации отработанных ламп.

В России на данный момент не существует централизованной системы сбора и переработки ртутных ламп, в то время как во всех развитых странах уже действуют специальные программы. Например, в Германии использование электрического и электронного оборудования регулируется «Законом об электроприборах и электронном оборудовании» (ElektroG) от 16 марта 2005 года, а централизованный прием КЛЛ осуществляет компания LR&SG . Благодаря регулированию вопроса, 90% использованных ламп от юридических лиц и 10% - от физических утилизируется.

Во Франции собирается 36% компактных и линейных люминесцентных ламп. Из них 55% сбора осуществляется за счет сборщиков отходов, 23% – дистрибьюторами ламп, 15% – монтажными организациями и 7% – за счет муниципалитетов и непосредственно покупателями. Деятельность пунктов приема и переработки регулируется на государственном уровне (Декрет №2005-829 от июля 2005). Утилизация финансируется за счет эко-налога, который составляет несколько центов за лампу. Он включается в ее стоимость. Покупатели имеют возможность сдать в магазин старую лампу при покупке новой. Оптовые покупатели могут осуществлять сбор самостоятельно, а затем отправлять в перерабатывающие компании.

В Чехии в 2002 году была создана организация Ekolamp по сбору электрического оборудования 5 группы (осветительного оборудования). Компания принимает лампы не зависимо от их бренда и года выпуска. Она имеет сеть пунктов приема. В настоящее время их насчитывается около 1300 по всей стране. В целом, охватывает около 83% населения страны. Стоит отметить, что покупатели также имеют возможность сдать перегоревшую лампу при покупке новой. Программы других стран, как правило, имеют сходство с вышеприведенными примерами: организации и частные потребители имеют возможность сдать использованные лампы продавцу или специальной компании, которые затем передают отходы предприятиям по утилизации.

В России пунктов приема отработавших энергосберегающих ламп всего 1276 и расположены они в 43 крупных городах. Причем, 95% пунктов работают в Москве. Количество пунктов приема в Москве и МО достигается за счет жилищно- эксплуатационных контор, в которых должны быть установлены специальные контейнеры и производиться бесплатный прием люминесцентных ламп.

Показательным примером утилизации опасных отходов в России могут служить результаты работ по утилизации ртутьсодержащих отходов на предприятии в г. Великий Новгород, Москве. В настоящее время в России перерабатывается не более 40% выходящих из строя ртутных ламп, что обусловлено отсутствием во многих регионах систем их сбора и высокопроизводительных и экологически безопасных технологий обезвреживания. Исключением является Московский регион, где создана общегородская система сбора и переработки отработанных ртутных ламп не только от промышленных предприятий, но и от жилищного сектора, школ, больниц. Таким образом, в Москве ежегодно перерабатывается до 85% ртутьсодержащих отходов (металлическая ртуть относится к 1 классу опасности, ПДК = 0,0003 мг/м3).

При дальнейшем развитии рынка компактных люминесцентных ламп в России, мощности по их утилизации должны составить 100 млн. штук к 2010 году.

Выводы

Для получения качественного электроснабжения потребителей, было доказано что из-за высокой несинусоидальности тока компактных ламп идет нарушение норм качества напряжения, а так же, что данный фактор приводит к старению оборудования и создание аварийных ситуаций. По результатам было выяснено что необходимо определить новый подход к выбору сечения нулевых проводников четырехпроводной сети.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получен у Кальченко Виталия Владимировича или же у руководителя дипломного проекта Куренного Эдуарда Григорьевича.

Список источников

  1. Аронов Л. В., Васильева Т. Н. Исследование влияния компактных люминесцентных ламп на несинусоидальность токов и напряжений электрической распределительной сети. — Пермь: Меркурий, 2013. — С. 31-35.
  2. Антипинский А.О., Алексеев Р.П. Компактные люминесцентные лампы и проблемы их утилизации в Бурятии.— 6 с.
  3. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке / Р. Дрехслер; пер. с чешск. — М.: Энергоатомиздат, 1985.—112 с.
  4. Баланс энергий в электрических цепях / В.Е. Тонкаль, А.В. Новосельцев, С.П. Денисюк и др. — К.: Наук. думка, 1992.—312 с.
  5. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2002–2003. № 6(18) – 1(19).
  6. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. «Повышение качества энергии в электрических сетях», Киев, «Наукова думка», 1985.—268 с.
  7. Климов В.П., Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания. Практическая силовая электроника. Науч.-техн.сб. под ред. Малышкова Г.М., Лукина А.В.- М.: АОЗТ "ММП-Ирбис", 2002. Вып 5.— 14 с.
  8. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий.– М.: Энергоатомиздат, 1984.—160с.
  9. Показатели качества электроэнергии в электрических сетях // Школа для электрика. Электронный источник:http://electricalschool.info....
  10. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) // Правила устройства электроустановок и связанные с ними документы. Новости энергетики. Электронный источник:http://pue7.ru....