Исследование влияния компактных люминесцентных ламп на несинусоидальность токов и напряжений электрической распределительной сети

В статье исследуется проблема высших гармоник, создаваемых энергосберегающими лампами. Приведены результаты измерений: временные диаграммы и спектры токов и напряжений. Проведено сравнение спектрального состава тока электрической сети до и после установки в неё энергосберегающей лампы.

Ключевые слова: несинусоидальность, высшие гармоники, энергосберегающая лампа.

В настоящее время в нашей стране активно развиваются энергосберегающие технологии, в т. ч. широкое распространение получили энергосберегающие лампы. Энергосберегающая лампа представляет собой компактную люминесцентную лампу, скрученную в спираль или змейку, в цоколь лампы помещается электронный балласт, обеспечивающий запуск лампы. Можно выделить ряд достоинств и недостатков таких ламп. Достоинства компактных люминесцентных ламп в следующем:

1. достаточно большой срок службы, до 10000 часов;

2. низкое энергопотребление, согласно инструкции компактная люминесцентная лампа мощностью 26 Вт обеспечивает такой же уровень освещения, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт;

3. наличие заводской гарантии;

4. высокий КПД, и как следствие низкий уровень нагрева;

5. стандартный цоколь Е27 или Е14, что делает их взаимозаменяемыми с лампами накаливания.

Недостатки энергосберегающей лампы следующие:

1. относительно высокая стоимость;

2. содержащий ртуть 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

Высшие гармоники в сетях электроснабжения приводят к ряду негативных последствий, их влияние было подробно рассмотрено в [2–4]. Содержание высших гармоник и значение коэффициента несинусоидальности регламентируется ГОСТ 13109–97.

Для исследования влияния энергосберегающих лам был собран лабораторный макет (рис. 1.), состоящий из разделительного трансформатора соединенного «звездой» и сменных нагрузок (Z₁, Z₂, Z₃). Для симметрирования напряжения на нагрузках предусмотрены автотрансформаторы АТр-1, АТр-2, АТр-3. Измерения производились пофазно, однофазным анализатором качества электрической энергии C. A. 8220, прошедшим поверку. Перед проведением измерений напряжение предварительно симметрировалось в режиме холостого хода, для того чтобы исключить влияние внешней несимметрии на результат эксперимента.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

В начале измерения, для оценки уже существующей в сети несинусоидальности, в качестве нагрузки использовались лампы накаливания мощностью 100 Вт.

Рис. 2. Напряжение в фазах электрической сети, при симметричной активной нагрузке

Рис. 3. Токи в фазных проводниках электрической сети, при симметричной активной нагрузке

Исследования показали, что существует разброс в параметрах ламп накаливания, что не позволяет считать идентичными лампы накаливания одной мощности (рис. 2, 3), Ток в сети изначально искажен высшими гармониками и также несимметричен.

Энергосберегающая лампа мощностью 105 Вт была включена в фазу L3, в остальные фазы были включены лампы накаливания мощностью 100 Вт. Измерение тока и напряжения было произведено для всех фаз. Для фазы L3 сравнение результатов показано на рис. 4.

Рис. 4. Токи и напряжения в фазе L3 с энергосберегающей лампой (ЭСЛ) и без ЭСЛ

Рис. 5. Амплитудный спектр тока в фазе L3 с ЭСЛ и без ЭСЛ

Амплитудный спектр тока при включении ЭСЛ приведен на рис. 4,5. Сравнение показывает, что за счет ЭСЛ в ток фазы было внесено значительное искажение, в то время как форма напряжения практически не изменилась. До включения ЭСЛ величина гармоник равнялась 0,4 % для 3-й гармоники, 2 % для 5-й, 0,2 % для 7-й, 9-й и 18-й, величина остальных не превышала 0,1 %, а гармоники выше 19-й отсутствовали. Включения ЭСЛ привело к увеличению 3-й гармоники до 21 %, 5-й до 14 %, 7-й до 13 %, 9-й до 5,5 %, 11-й до 11 %, 13-й до 5,7 %, 17-й до 5,1 %, 19-й до 4,7 %. Гармоники с амплитудой свыше 1 % встречаются и после 19-й, что видно из рис. 5. Прибор С. А. 8220 способен измерять уровень гармоник до 50-й включительно, и измерения показывают, что 49-я гармоника составляет 1,3 % от первой.

Таким образом применение ЭСЛ, несмотря на имеющиеся достоинства создает загрязнение частотными составляющими кратными основной гармонике. Причем уровень их достаточно высок, чтобы 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.

Литература:

1. ГОСТ 13109–97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. [Текст] — М.: Стандартинформ — 2006–31 с.

2. Аронов Л. В., Васильева Т. Н. Методы исследования несимметрии и несинусоидальности тока и напряжения в сетях электроснабжения//Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах, межвузовский сборник научных трудов, выпуск 6, Рязань.: Изд-во РГРТУ, 2012

3. Аронов Л. В. Влияние несинусоидальности напряжения на дополнительные потери мощности в асинхронных двигателях//Особенности технического оснащения современного сельскохозяйственного производства [сборник]: Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых 24–25 апреля 2012 г./Под редакцией к. с.х-н, доцента Стебакова В. А., к.т.н., доцента Гончаренко В. В. — Орел: Изд-во Орел ГАУ, 2012–480с., ил.

4. Васильева Т. Н., Аронов Л. В. Потери от несинусоидальности//Сельский механизатор, № 6, 2012, с. 31