 |
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ
ЛАМПЫ КАК ИСТОЧНИК
ГАРМОНИК ТОКА
Российское правительство включилось в общемировую борьбу за энергосбережение и энергоэффективность, начав с поэтапного запрета
выпуска и импорта ламп накаливания, что
предполагает повсеместный переход на энергосберегающие лампы, и готово, по словам
министра экономического развития РФ Эльвиры Набиуллиной, потратить на это порядка
100 млрд рублей.
Жаркие дебаты между сторонниками и противниками замены одних ламп на другие продолжаются уже не один месяц. Не будем перечислять
все доводы и возражения – их можно в избытке
найти в интернете. Приведем лишь некоторые
соображения, которые высказывают участники
форума на сайте ixbt.com:
- в США выделены огромные деньги компании GE, чтобы ускорить начало массового производства светодиодных ламп, новое поколение которых превосходит по всем показателям все имеющиеся, поэтому, возможно, есть смысл пока использовать лампы накаливания, а потом перейти сразу на светодиодные;
- если у выключателей есть подсветка, то энергосберегающая лампа может мерцать после выключения, так как питающая цепь разрывается не полностью, а шунтируется лампой подсветки;
- КЛЛ весьма требовательны к качеству электроэнергии и не любят скачков напряжения;
- при частом включении-выключении срок службы КЛЛ намного короче заявленного, особенно у ламп, которые зажигаются мгновенно, без предварительного прогрева электродов;
- экономить электроэнергию посредством света весьма проблематично: в современной квартире основное потребление идет за счет электроплит, чайников, стиральных и посудомоечных машин;
- многие КЛЛ не могут работать с диммерными и сенсорными выключателями, а те, что могут, стоят намного дороже.
Виктор Сергеевич Петухов решил более внимательно присмотреться к энергосберегающим
лампам и оценить этот предмет дискуссий
с позиций специалиста-электрика.
Мы понимаем, что не все согласятся с приведенными автором доводами, поэтому приглашаем заинтересованные стороны продолжить
дискуссию и присылать свои замечания, предложения и мнения по существу рассматриваемого вопроса в редакцию по адресу: info@news.elteh.ru.
Виктор Петухов, к.т.н., член IEEE, А&Alpha Consulting,
г. Москва
Прежде всего необходимо отметить, что в профессиональной технической литературе такие лампы называются Compact Fluorescent
Lamps (CFL), в российской – компактные люминесцентные лампы
(КЛЛ), а уже во вторую очередь их называют Energy saving lamps
(энергосберегающие лампы).
Про возможный вред здоровью CFL, связанный с генерацией
ими другого спектра света (по сравнению с лампами накаливания), мерцанием, «грязным электричеством», электромагнитным
излучением и т.д., давно уже ведутся дебаты. Однако мы не будем
рассматривать эти вопросы, т.к. не занимались исследованиями
и не являемся специалистами в этой области, – материалы на эту
тему можно найти в интернете.
Действительно, энергосберегающая лампочка мощностью всего
18 Вт светит (по яркости, так как спектр ее света заметно отличается
от спектра света лампы накаливания даже визуально) как лампа
накаливания мощностью 75 Вт. Исходя из этого, ожидают как значительного сокращения расхода электроэнергии на освещение, так и
соответствующего снижения активной токовой нагрузки (а значит,
и тепловых потерь электроэнергии) в проводах и кабелях линий
осветительных систем.
Для более детального изучения характеристик работы энергосберегающих ламп были сняты осциллограммы приложенного
напряжения и потребляемого тока лампы накаливания, обычной
люминесцентной лампы и энергосберегающей лампы (рис. 1–3).
На основании приведенных рисунков можно сделать следующие
выводы:
1. Испытанная энергосберегающая лампа генерирует в сеть
реактивную мощность и использует ее для своей работы (потребляемый ток отстает от приложенного напряжения).
2. Энергосберегающая лампа является нелинейным (в отличие
от ламп накаливания) потребителем электроэнергии, генерирующим в сеть высшие гармоники тока.
Отметим, что исследовались токовые характеристики энергосберегающей лампы, которая была приобретена почти 5 лет
назад. Может быть, современные лампы потребляют практически
синусоидальный ток? Увы. Аналогичные осциллограммы были получены и для энергосберегающей лампы, приобретенной
в 2008 году, и для энергосберегающей лампы, купленной в начале октября 2009 года. Вид осциллограммы тока для этих ламп
практически не изменился.
Таким образом, все 3 исследуемые энергосберегающие лампы, приобретенные в разное время в розничной торговой сети
г. Москвы, являются генераторами гармоник тока.
ПОСЛЕДСТВИЯ ГАРМОНИК ТОКА
Последствия гармоник тока подробно рассмотрены в [1, 2],
а также в презентации на сайте http://www.motor-diag.com/present.html
«Влияние нелинейных электропотребителей
на условия эксплуатации электроустановок».
Согласно основным положениям этих работ, к последствиям
гармоник тока для электроустановок 0,4 кВ можно отнести:
- перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий;
- дополнительные потери в силовых трансформаторах (вплоть до выхода из строя);
- ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей;
- повышенный износ, вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности;
- ускоренное старение изоляции проводов и кабелей;
- ухудшение качества (несинусоидальность) питающего напряжения;
- сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования;
- преждевременный выход из строя электродвигателей;
- резонансные явления в электроустановках 0,4 кВ;
- снижение коэффициента мощности электроустановок.
Подчеркнем, что это факты, отраженные в серьезной технической литературе, показывающие, какие проблемы могут
возникнуть, если гармоники не устранять, – или в устройстве,
их генерирующем, или в питающей сети.
Риск возникновения подобных проблем в системах электроснабжения зданий различного назначения (производственных,
торговых, офисных, жилых и др.) в нашей стране значительно
выше, чем в европейских странах. Это связано с тем, что на
Западе проблема гармоник известна, и применяются технические средства для ее решения. Отметим, что такие средства
весьма дорогие и с лихвой съедают всю экономию от энергосберегающих ламп.
А у нас даже в среде главных энергетиков профессионального понимания этой проблемы пока нет, начиная с того, что используемые в нашей стране трансформаторы спроектированы
в расчете на частоту тока только основной гармоники 50 Гц.
В связи с этим, с высокой степенью вероятности при применении энергосберегающих ламп может быть получена
не экономия ресурсов, а увеличение числа аварийных сбоев
и выходов из строя систем электроснабжения, а при наиболее
неблагоприятном стечении обстоятельств – и пожаров по
причине «неисправности электропроводки», если не понести
значительные затраты на установку устройств по устранению
гармоник или не ограничить генерацию тока в самих лампах.
Мы детально изучили публикации по вопросу последствий
генерации гармоник от энергосберегающих ламп.
Оказалось, что есть несколько десятков публикаций (например [3, 5]), свидетельствующих об отрицательных последствиях
применения энергосберегающих ламп. И только в одной публикации [4] утверждается, что никакого существенного влияния
гармоники тока, генерируемые энергосберегающими лампами,
не оказывают, поскольку в сети и так есть нелинейные нагрузки, по мощности существенно превышающие мощность
энергосберегающих ламп.
Как ни парадоксально это звучит, но авторы обеих публикаций правы, а сделанные ими противоположные заключения объясняются тем, что условия работы систем электроснабжения существенно различались. Поэтому, поскольку
энергосберегающие лампы могут генерировать гармоники
тока, необходимо заранее моделировать условия работы системы электроснабжения здания после такой замены ламп и
принимать компенсационные технические решения. Кроме
того, неплохо было бы отслеживать, к каким последствия
приводит такая замена.
Есть ли пути решения?
С учетом всего сказанного относительно последствий гармоник, закономерен вопрос: а есть ли энергосберегающие лампы,
не генерирующие гармоники тока? Авторы публикаций [3, 5]
напрямую указывают на то, что проводили испытания таких
ламп; аналогичная информация приведена и в [6]. Правда,
стоят такие лампы дороже на 35–40 %, поэтому на российском
рынке мы не встретили пока энергосберегающих ламп, не генерирующих гармоник.
Энергосберегающие лампы в чем-то близки к компьютерному оборудованию: и те, и другие генерируют гармоники
тока (если в самих устройствах нет схемы, подавляющей
эти гармоники). Нами был проведен сравнительный анализ
осциллограмм токов блоков питания (БП) двух ноутбуков –
старого (возрастом 7 лет) и нового. Как видно из приведенных
осциллограмм (рис. 4–5), в блоке питания нового ноутбука
применены устройства (схемы) компенсации гармоник (при
этом новый БП примерно в 1,5 раза больше по размерам и тяжелее старого), т.е. это свидетельствует о том, что для блоков
питания ноутбуков эта проблема решена.
Кроме непосредственного технического, отметим и юридический аспект применения энергосберегающих ламп.
Эмиссия гармоник регулируется (ток до 16 А) ГОСТ Р
51317.3.2-2006 [7]. Из этого документа следует, что продаваемые у нас энергосберегающие лампы удовлетворяют
требованиям этого ГОСТа при мощности лампы менее 25 Вт.
Действительно, практически все представленные на прилавках магазинов энергосберегающие лампы имеют мощность не
более 23 Вт. Можно предположить, что такие лампы никаких
проблем с гармониками не создадут – независимо от их числа, т.к. каждая лампа удовлетворяет требованиям указанного
ГОСТа. Однако вряд ли это предположение соответствует
действительности (этот вопрос подробнее будет рассмотрен
в следующих номерах журнала).
И наконец, сотрудникам нашей компании весьма часто
приходится слышать на объектах жалобы заказчиков на то, что
при включении люстры часто срабатывают автоматические
выключатели фидера освещения.
Согласно [8], лампа со схемой-корректором гармоник
имеет пусковой ток в 30–100 номиналов, а лампа без схемыкорректора – в 10–30 номиналов (для лампы накаливания 10–15
номиналов). Т.е. из-за возникающего увеличения пускового
тока при использовании энергосберегающих ламп (по сравнению с лампами накаливания) фидеры освещения могут
отключаться несравненно чаще, если не заменить автоматы
на другие, того же номинала, но с большей уставкой электромагнитного расцепителя (скажем, вместо серии В использовать
серию D).
Поводя итог, отметим, что энергосберегающая лампа
действительно имеет яркость свечения, аналогичную
яркости свечения лампы накаливания существенно большей электрической мощности.
Однако поскольку энергосберегающие лампы могут
генерировать гармоники тока, имеется риск многих негативных последствий для сетей 0,4 кВ.
Таким образом, просто механическая замена ламп
накаливания на энергосберегающие без дополнительных
мероприятий по борьбе с генерацией гармоник с высокой
степенью вероятности не даст ожидаемого эффекта.
Литература
1. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2002–2003. № 6(18) – 1(19).
2. Резонансные явления в электроустановках зданий как фактор снижения качества электроэнергии // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 6(24).
3. The effect of modern compact fluorescent light on voltage
distortion. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 8, № 3,
July 1993.
4. A NEMA Lighting Systems Division Document Power Quality
Implications Of Compact Fluorescent Lamps In Residences.
http://www.nema.org/stds/LSD8.cfm.
5. Harmonics from Compact Fluorescent Lamps. IEEE Transactions
on industry applications, vol. 29, № 3, May/June 1993.
6. Harmonic performance of standard and compact fluorescent
lamps. http://www.energy-consortium.us/PDFs/N%20Watson%20Harmonic%20Performance%20of%20CFLs.pdf.
7. ГОСТ Р 51317.3.2-2006 Совместимость технических средств
электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих
тока техническими средствами с потребляемым током не
более 16 А (в одной фазе).
8. Cahier technique № 205. Power supply of lighting circuits.
http://www.schneider-electric.com/documents/technicalpublications/en/shared/electrical-engineering/protectiondevices-monitoring/low-voltage-minus-1kv/ect205.pdf.
| 
|
