Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Зміст

Вступ

В сучасному світі стало дуже популярно використовувати звичні суспільству електроприлади з енергозберігаючою технологією, а точніше широке поширення отримали енергозберігаючі лампи. У мережах відбувається поступова заміна застарілих ламп розжарювання на більш энергоэффективне і економні. У магістерській роботі, для досліджень задіяні компактні люмінесцентні лампи. Лампа являє собою, скручений в спіраль колбу, внутрішня частина якої вкрита шаром люмінофора. В цоколь лампи поміщається електронний баласт, який служить пусковим пристроєм для лампи. Лампи даного типовиконання мають ряд достоїнств і недоліків. Переваги лампи: 1) достатньо великий термін служби, до 10000 годин; 2) низьке енергоспоживання; 3) заводська гарантія терміном 1 рік; 4) високий рівень ККД; 5) цокольна сумісність, що дозволяє швидко замінити лампи розжарювання, без додатковий вкладень.

Недоліки лампи: 1) висока вартість (порівняно з лампами розжарювання); 2) містить ртуть і люмінофор; 3) в процесі роботи генеруються вищі гармоніки, що призводить до підвищення коефіцієнта гармонік в електричної розподільної мережі, і як наслідок, до збільшення втрат електричної потужності та енергії.

Рисунок 1 –  Конструкція КЛЛ

1. Актуальність теми

В процесі експлуатації електричних мереж найголовнішим показником є якість електроенергії. Показники якості електроенергії намагаються зробити у відповідності з номінальними значеннями Госту, нормальним відхиленням є коливання ±5 %. Досі проблеми якості електроенергії, пов'язані з компактними люмінесцентними лампами, значною мірою ігнорувались, оскільки кількість цих ламп було не більшим і пов'язане з ними вплив було важко оцінити кількісно.

Більшість сучасних КЛЛ побудовано на типових схемних рішеннях і не забезпечений жодними системами, що оптимізують параметри якості споживаної електроенергії. Вищі гармоніки в мережах електропостачання призводять до низки негативних наслідків, незважаючи на наявні переваги КЛЛ, вони створюють забруднення частотними складовими кратними основній гармоніці. Причому рівень їх досить високий, що б впливати на роботу електрообладнання та правильність обліку електроенергії індукційними лічильниками. Висока інтенсивність вищих гармонік може призводити до створення перешкод і перешкод роботі побутових електронних пристроїв, а так само створювати додаткове навантаження на провідники.

Надалі передбачається обробити експериментальні дані по струмам різного виду ламп і отримати вихідні дані для проектування у вигляді фазних кривих струмів і їх похідних, а також для обґрунтування збільшення перетину нульових проводів. Правильний розрахунок дозволить знизити розвиток аварійних ситуацій, покращити параметри якості електроенергії та застосовувати заходи щодо попередження їх можливого зниження.

2. Мета і задачі дослідження

Мета і завдання дослідження: знизити навантаження на проводи; знизити втрати в проводах; підвищення якості напруги; збільшити термін служби обладнання; зменшити осідання напруги в мережі; збільшення перетину нульових проводів.

3.Розрахунок втрат напруги в електричних мережах з імпульсним навантаженням

Розглядаються особливості розрахунку втрат напруги при живленні електроприймачів з імпульсним навантаженням (на прикладі компактних люмінесцентних ламп КЛЛ).

Зазвичай втрати напруги обчислюються за активної та реактивної потужностей, а також за активного r і реактивного x пристроїв мережі. Ці величини відносяться до окремого випадку синусоїдального навантаження наприклад для ламп розжарювання. Однак КЛЛ, блоки живлення телевізорів і комп'ютерів мають імпульсне навантаження [1]. У цьому випадку поняття x не існує. У зв'язку з цим потрібно розробити метод розрахунку втрат напруги для таких навантажень.

Вихідними даними для розрахунків є криві струмів iA(t) КЛЛ, підключеної між фазою і нулем, якщо лампа підключена до фази B або C, то крива струмів виходить зміщенням iA(t) на 240 і 120 градусів. Якщо до фаз підключено кілько ламп, то сумарні струми кожної фази дорівнюють сумі відповідних струмів. Графік струму в нульовому проводі дорівнює сумі струмів у всіх фазах.

Особливості розрахунків проектуємо на прикладі рівномірного підключення трьох ламп. Криві напруг uA,B,C(t) представляють собою синусоїди зсунуті по фазі.

Криві напруг uA,B,C(t) <br>(анімація: 4кадра, 99.4 кілобайта)

Рисунок 2 – Криві напруг uA,B,C(t)
(анімація: 4 кадра, 99.4 кілобайта)

У разі ламп розжарювання, криві струмів iA,B,C(t) повторюють криві напруги в будь-який момент часу, сума цих струмів дорівнює нулю, тому в нульовому проводі струм відсутній. Інакше йде справа з КЛЛ, для простоти розглянемо ідеалізовану криву струму у вигляді послідовності різнополярних прямокутних імпульсів шириною эе і величиною ± B. На рис. 2 імпульси кривої струму фази A затушовані, імпульси фази B заштриховані, а імпульси фази C зображені без штриховки.

У кожній фазі спостерігається по два імпульсу, тому діючі значення струмів однакові:

form1

де tf = 0,02с– тривалість циклу при частоті 50 Гц.

При підсумовуванні імпульси струмів фаз не перекриваються, у зв'язку з чим в нульовому проводі крива струму iN(t) має шість різних імпульсів. У цьому випадку діючі значення струму

form1

в 3 більше фазного струму. Фактично імпульси струму ламп частково перериваються, тому перевищення струму в нульовому проводі буде в меншій мірі.

Втрата напруги uA визначається по кривих струму iA(t):

form1

Тут rN активний опір нульового проводу, L и LN – індуктивність фазного і нульового проводів.

Метою розрахунку є визначення діючого значення UA втрати напруги. Але його можна визначити шляхом середньоквадратичного осереднення графіка uA(t), а потрібно спочатку знайти напругу на лампі

form1

де Uн– номінальна фазна напруга , wf = рад/с – кутова частота.

Діюче значення

form1

Необхідна втрата напруги яку треба відшукати

form1

Знайдені криві струмів фаз і нульового проводу дозволяють оцінити завантаження проводів.

4.Значення нульового проводу

У розподільних мережах 0.4 кВ є суттєва проблема, яка пов'язана зі значними перекосами напруг по фазах. При підключенні електроспоживачів в багатоквартирних будинках, неможливо відстежити яка із фаз буде більш насиченою, а які менш завантажені. На навантажених фазах напруга падає до 200...210 В, а на менш завантажених за рахунок зміщення нуля може зростати до 240 В і більше. Підвищена напруга може привести до виходу з ладу обладнання споживачів. При цьому в нульовому проводі лінії з'являється струм, що дорівнює геометричній сумі фазних струмів.

Перекоси напруги роблять сильний вплив на роботу електрообладнання. При збільшенні напруги на лампах розжарювання до 5 % світловий потік збільшується на 20 %, а термін служби такої лампи скорочується в два рази.

Для компенсації перекосу напруг доцільно перерозподілити струми навантаження по фазах, вирівнявши їх значення. Так як в даний момент немає глобальних заходів щодо обмеження струму в нульовому проводі, є ідея збільшення перерізу нульового проводу до значення перерізу фазних проводів.

У часи, коли всі споживачі були лінійними, а навантаження по фазах рівними, то нульовий провідник не отримував навантаження. Тому з міркувань економії металу нульовий провідник робили тонше, тепер же ситуація докорінно змінилася і нульові провідники потрібно робити рівними фазним.

Змоделювавши рівномірне навантаження по фазах, були отримані криві струмів у фазах і в нульовому проводі (рис. 3)

Рисунок 3 –  Криві струмів, що протікають у фазах і нульовому проводі.

Як ми бачемо з рисунка 3, струм в нульовому проводі при рівномірно розподіленого навантаження по фазах утворився в наслідок вищих гармонік, кратних трьом.

Криві струму компактних люмінесцентних ламп є періодичними, в цьому випадку значення парних гармонік можна прирівняти до нуля, а в нульовому проводі буде сума струмів непарних гармонік кратних трьом, таким як 3, 9, 15 і т. д.

Можна зробити висновок, що діюче значення струму в нульовому проводі в 1.5 рази перевищує струм, який протікає по фазних провідниках.

Посилаючись на рекомендації ПУЕ (п. 1.3.8)[10] де сказано, що нульові робочі провідники в системі трифазного струму повинні мати провідність не менше 50% провідності фазних провідників, а так само при необхідності, розтин має бути збільшено до 100% провідності фазних провідників. У випадку з отриманими даними від експерименту, де навантаження в нульовому проводі в 1.5 рази перевищує допустиме навантаження для фазних провідників, неминуче перевантаження нульового проводу, тому навіть рівні перерізи фазних і нульового проводів не змінять картину того, що відбувається. Так само необхідно враховувати, що в досвіді, навантаження було рівномірно розподілено, чого неможливо зробити при експлуатації розподільчих мереж, з урахуванням того, що у споживачів повсюдно встановлені комп'ютери, які так само створюють перешкоди в електромережі. Значення струму буде ще більше і фактично, будь-яка аварія призведе до величезного виходу з ладу електрообладнання споживачів. Виходячи з вище викладеного можна чітко аргументувати те, що норми і правила проектування, що стосується вибору перерізу нульового провідника себе зжили і вимагають негайного доопрацювання і впровадження.

5. Проблеми утилізації компактних люмінесцентних ламп

Газорозрядні лампи низького тиску, до яких відносяться широко поширені люмінесцентні і компактні люмінесцентні лампи (КЛЛ), є одним з основних сучасних побутових джерел ртутьвмісних відходів. Унікальні фізичні і фізико-хімічні властивості ртуті та її сполук обумовили їх широке застосування в різних сферах виробництва і побуту. У теж час ртуть та її сполуки є надзвичайно небезпечними речовинами для людини і навколишнього середовища. Всесвітньою організацією охорони здоров'я вони віднесені до одних з приоритетнейших забруднювачів.[2] Виникає питання в доцільності подальшого заборони обігу ЛН потужність нижче 100 Вт, так як це змусить населення і державні підприємства набувати КЛЛ всупереч економічній доцільності. Крім того, відсутність у містах системи утилізації перегорілих КЛЛ призведе до погіршення екологічної обстановки в країні. І ця проблема вимагає системного рішення.

Загальна кількість ртуті, забруднююча об'єкти навколишнього середовища в межах сельбищних територій, складає в Росії більше 1,5 т. на рік. У середньому КЛЛ містить 3-5 мг ртуті (для порівняння в термометрах міститься 0,5-3 м), а в найбільш досконалих лампах - 1 мг.[2] Близько половини ртуті з часом вбирається у скло, люмінофор, з'єднується з металом спіралі, які не випаровується у разі, якщо лампа розіб'ється. За прогнозом вибуття КЛЛ з 175 млн. шт. в 2018 р. зросте до 478 млн. шт. в 2020 році. Частка утилізованих ламп повинна підвищиться з 7 до 36%, що зажадає створення в Росії 34 заводів з утилізації потужністю 3 млн. ламп в рік.[2]

Рисунок 4 – Процес утилізації відпрацьованих ламп.

У Росії на даний момент не існує централізованої системи збору і переробки ртутних ламп, у той час як у всіх розвинених країнах вже діють спеціальні програми. Наприклад, у Німеччині використання електричного та електронного устаткування регулюється «Законом про електроприладах та електронному обладнанні» (ElektroG) від 16 березня 2005 року, а централізований прийом КЛЛ здійснює компанія LR&SG . Завдяки регулюванню питання, 90% використаних ламп від юридичних осіб і 10% - від фізичних утилізується.

У Франції збирається 36% компактних і лінійних люмінесцентних ламп. З них 55% збору здійснюється за рахунок збирачів відходів, 23% – дистриб'юторами ламп, 15% – монтажними організаціями та 7% – за рахунок муніципалітетів і безпосередньо покупцями. Діяльність пунктів прийому та переробки регулюється на державному рівні (Декрет №2005-829 липня 2005). Утилізація фінансується за рахунок еко-податку, який становить кілька центів за лампу. Він включається у її вартість. Покупці мають можливість здати в магазин стару лампу при купівлі нової. Оптові покупці можуть здійснювати збір самостійно, а потім відправляти в переробні компанії.

У Чехії в 2002 році була створена організація Ekolamp по збору електричного обладнання 5 групи (освітлювального обладнання). Компанія приймає лампи не залежно від їх бренду і року випуску. Вона має мережу пунктів прийому. В даний час їх налічується близько 1300 по всій країні. В цілому, охоплює близько 83% населення країни. Варто відзначити, що покупці мають можливість здати перегорілу лампу при купівлі нової. Програми інших країн, як правило, мають схожість з вищенаведеними прикладами: організації і приватні споживачі мають можливість здати використані лампи продавцю або спеціальної компанії, які потім передають відходи підприємств з утилізації.

У Росії пунктів прийому відпрацьованих енергозберігаючих ламп всього 1276 і розташовані вони в 43 великих містах. Причому, 95% пунктів працюють у Москві. Кількість пунктів прийому в Москві і МО досягається за рахунок житлово - експлуатаційних контор, в яких повинні бути встановлені спеціальні контейнери і проводитися безкоштовний прийом люмінесцентних ламп.

Показовим прикладом утилізації небезпечних відходів в Росії можуть служити результати робіт з утилізації ртутьвмісних відходів на підприємстві Великий Новгород,у Москві. В даний час в Росії переробляється не більше 40% виходять з ладу ртутних ламп, що обумовлено відсутністю у багатьох регіонах систем їх збору і високопродуктивних і екологічно безпечних технологій знешкодження. Винятком є Московський регіон, де створена загальноміська система збирання та переробки відпрацьованих ртутних ламп не тільки від промислових підприємств, але і від житлового сектору, шкіл, лікарень. Таким чином, в Москві щорічно переробляється до 85% ртутьвмісних відходів (металева ртуть відноситься до 1 класу небезпеки, ГДК = 0,0003 мг/м3).

При подальшому розвитку ринку компактних люмінесцентних ламп в Росії, потужності по їх утилізації повинні скласти 100 млн. штук до 2010 року.

Висновки

Для отримання якісного електропостачання споживачів, було доведено, що через наявність високої несинусоїдальності струму компактних ламп, йде порушення норм якості напруги, а так само, що даний фактор призводить до старіння устаткування і створення аварійних ситуацій. За результатами було з'ясовано що необхідно визначити новий підхід до вибору перетину нульових провідників мережі.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2018 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у Кальченко Віталія Володимировича або ж у керівника дипломного проекту Курінного Едуарда Григоровича.

Перелік джерел

  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....