ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЛАМПЫ
Эффективность и специфика применения

Владимир Фишман,
главный специалист ООО «Управляющая компания «Электрощит – Самара», филиал «ЭСП-НН-СЭЩ», г. Нижний Новгород

Обсуждение замены традиционных ламп накаливания на энергосберегающие продолжает Владимир Семенович Фишман.
В своем материале он рассматривает не только экономическую целесообразность такой замены, но и технические особенности компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), их влияние на качество электроэнергии, потери мощности и старение изоляции.

обсуждение

ФИНАНСОВЫЙ ВОПРОС

Для того чтобы, как принято говорить, «процесс пошел», причем естественным путем без административного нажима, новые лампы должны обладать как минимум двумя основными качествами: быть надежными и сравнительно недорогими.
В последнее время в продаже можно встретить компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) с гарантийным сроком 0,5–1,5 года. Возьмем средний срок в 1 год и попробуем посчитать, какова должна быть предельная стоимость такой лампы, для того чтобы она стала привлекательной для покупателя.
С этой целью сравним два варианта: первый – с применением ламп накаливания, второй – с применением КЛЛ. Для сравнения воспользуемся известной формулой срока окупаемости:

где Т – срок окупаемости;
К₁ и З₁ – капитальные затраты и годовые издержки по 1-му варианту;
К₂ и З₂ – то же по 2-му варианту.
Годовые издержки выразим через стоимость потребленной электроэнергии:

где Р₁ и Р₂ – мощность ламп в 1-м и во 2-м вариантах, Вт;
t – годовое число часов работы ламп;
c_э – стоимость электроэнергии, руб./Вт·ч.
Считая, что при одном и том же световом потоке активная электрическая мощность КЛЛ в 5 раз меньше мощности ламп накаливания, получаем, что одна лампа КЛЛ мощностью 30 Вт заменяет две лампы накаливания мощностью по 75 Вт. Стоимость одной лампы накаливания примем в 10 руб. Тогда К₁ = 20 руб. Другие исходные данные: P₁ = 150 Вт, P₂ = 30 Вт, t = 1600 ч, c_э = 2 · 10^–3 руб./Вт·ч.
При гарантийном сроке эксплуатации КЛЛ 1 год стоимость её приобретения должна окупаться заметно раньше, в противном случае процесс замены ламп пойдет слишком медленно.
Поэтому примем срок окупаемости Т = 0,7.
Из (2) найдем К₂: К₂ = 0,7(P₁ – P₂)t · с_Э + К₁, тогда К₂ = 0,7(150–30)1600 · 2 · 10^–3 + 20 = 248,8 = 250 руб.
Это предельная стоимость КЛЛ мощностью 30 Вт, при которой можно ожидать, что процесс замены пойдет успешно. Для КЛЛ мощностью 15 Вт цифра будет соответственно меньше, т.е. = 125 руб. Необходимо отметить, что применение КЛЛ будет тем выгоднее для потребителя, чем больше годовое число часов работы лампы и стоимость электроэнергии в данном регионе.

МОЩНОСТЬ ДЕКЛАРИРУЕМАЯ И РЕАЛЬНАЯ

Обратим внимание на особенности режима потребления электроэнергии КЛЛ.
Измерения, выполненные индукционным счетчиком СО-И446, электронным счетчиком «Пума 103.1» и измерительным прибором «Ретометр» показали впечатляющие результаты. Согласно этим замерам отдельно взятая КЛЛ расходует меньше электроэнергии, чем указано её изготовителем, т.е. по сравнению с лампой накаливания потребляет меньше не в 5, а в 6–8 раз.
В то же время при увеличении количества и разнотипности ламп, участвующих в замерах, увеличивается не только общая замеренная мощность, но как бы и мощность каждой лампы.
В табл. 1 приведены результаты замеров мощности различных ламп, выполненных с помощью указанных приборов.
Объяснить это, казалось бы, парадоксальное явление можно следующим. Ток отдельно взятой КЛЛ отличается, как отмечалось в [1], резко выраженной несинусоидальностью. На рис. 1 приведен один полупериод позаимствованной из [1] осциллограммы тока лампы. Форма кривой лишь отдаленно напоминает синусоиду. При этом в токе лампы угадывается значительный процент 2-й, 3-й, 5-й и др. гармонических. Эти гармонические и оказывают влияние на показания приборов в сторону занижения величины потребляемой электроэнергии и мощности.
На осциллограмме рис. 1 можно выделить участки, где происходит резкое увеличение потребления активной и реактивной мощности («а–б»), участки, где происходит выдача реактивной и снижение до нуля потребления активной мощности («б–в–г»). На участке «а–б» происходит заряд от сети конденсатора блока питания и питание от сети же собственно нагрузки КЛЛ. На участке «б–в–г» заряженный конденсатор ведет себя как емкость по отношению к сети – здесь вектор тока опережает вектор напряжения. Напряжение на конденсаторе на некоторое время оказывается выше сетевого и потребляемый из сети ток падает до нуля.
Начиная с этого участка нагрузка КЛЛ (высокочастотный преобразователь) получает энергию от конденсатора до того момента, когда напряжение на нем становится ниже возрастающего напряжения сети (точка «а» уже в следующем полупериоде).
Участок «г–а» является тормозным для счетчика, т.к. векторы тока и напряжения здесь направлены встречно. Этим также можно объяснить занижение показаний счетчика.
Однако картина постепенно меняется с увеличением количества КЛЛ, участвующих в замерах. Так, если замеренная мощность отдельной лампы составляет около 60 % паспортной величины, то замеренная групповая мощность ламп приближается к сумме их номинальных (паспортных) значений. В результате кривая суммарного тока может оказаться не такой страшной, какой она представляется при взгляде на осциллограмму тока отдельной КЛЛ.
Следует заметить, что широко применяемые в настоящее время счетчики электроэнергии в соответствии с ГОСТ [2] всё же не рассчитаны для работы в сетях, питающих такую нелинейную нагрузку, какой являются КЛЛ. ГОСТ [2] рассматривает лишь наличие 3-й гармоники тока в размере 10 % при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения 1 %.

Требования к качеству электроэнергии в сетях общего назначения в нашей стране определяет ГОСТ 13109-97 [3].
Согласно ему влияние нелинейной нагрузки на качество электроэнергии в системах электроснабжения определяется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения КUi, а также коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_Ui определяется формулой:

где U_(n)i – напряжение n–й гармоники: U_(n)i = I_(n)i · X_(n)i [4], где I_(n)i – ток n–й гармоники, X_(n)i – результирующее сопротивление в точке общего присоединения на частоте n–й гармоники.
Допустимые значения К_Ui для сетей напряжением 0,38 кВ составляет 8 %, для сетей 6–10 кВ – 5 %.
Значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения для сетей напряжением 0,38 кВ составляют для 2-й, 3-й, 5-й гармонических соответственно 2 %, 5 % и 6 %.
Таким образом, ГОСТ [3] не требует полной компенсации токов высших гармонических. Допустимые величины этих токов должны определяться соответствующим расчетом по приведенным в ГОСТ формулам.
Для выполнения расчетов необходимо знать характеристику сети, мощность нелинейной нагрузки и процентное содержание гармонических составляющих в её токе. Отсюда следует, что данные по гармоническому составу тока КЛЛ необходимо исследовать, а также изучать его изменение по мере суммирования нагрузки на разных ступенях системы электроснабжения.

НЕОБХОДИМОСТЬ ФКУ

Из теории и практики расчета фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) для снижения уровня токов высших гармонических известно, что при наличии большого количества мелких и разнотипных потребителей с нелинейной нагрузкой гораздо экономичнее применение групповых ФКУ, чем индивидуальных.
Индивидуальные ФКУ значительно удорожают стоимость отдельного электроприемника с нелинейной нагрузкой. В то же время при сложении нелинейных нагрузок относительная величина потребной мощности ФКУ заметно сокращается. Таким образом, необходимость применения сложных ФКУ в каждой КЛЛ весьма сомнительна. Более того, можно сказать, что для тех потребителей, у которых доля осветительной нагрузки достаточно мала, специальные ФКУ могут не потребоваться.

ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ И СТАРЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ

Существует мнение, что в результате замены ламп высшие гармонические тока, создаваемые КЛЛ, увеличат потери мощности в питающей сети. Предположим, что питающий трансформатор был загружен на 70 % его мощности. При этом нагрузка электроосвещения составляла 80 % от общей нагрузки, т.е. S_осв = 0,7 · 0,8 = 0,56 S_н.тр. Прочая нагрузка составит:
S_пр = 0,7 – 0,56 = 0,14 S_н.тр.
При замене ламп накаливания на КЛЛ нагрузка электроосвещения уменьшится в 4–5 раз и составит S_осв = 0,8 / 4 = = 0,2 S_н.тр. Допустим, что дополнительные потери мощности в трансформаторе от токов высших гармонических составят 30 % от мощности КЛЛ, что можно учесть увеличением нагрузки КЛЛ S_осв = 0,2 Х 1,3 = 0,26 S_н.тр. При этом общая нагрузка на трансформатор составит S_Σ = 0,14 + 0,26 = 0,4 S_н.тр.
Поскольку нагрузочные потери в трансформаторе пропорциональны коэффициенту его загрузки в квадрате, то общие потери после замены составят (0,4 / 0,7)² = 0,33, т.е. уменьшатся в 3 раза. Другой вопрос, что при выборе мощности вновь устанавливаемых трансформаторов для питания электроосветительной нагрузки, состоящей преимущественно из КЛЛ, требуется более осторожный подход.
Разработчики и изготовители электрооборудования должны учитывать возможность наличия в сетях высших гармонических токов и напряжения, допускаемых ГОСТ 13109-97.
Такие же рассуждения можно провести и для проводов, кабелей и других элементов сети. Как правило, вновь проектируемые сети имеют довольно большой запас сечения по отношению к длительно допустимому току, что обуславливается необходимостью учета взаиморезервирования между отдельными фидерами, условиями термической стойкости, допустимой потери напряжения.
Так, квартирная электропроводка выполняется медным проводом сечением не менее 1,5 мм² по условиям обеспечения невозгорания при коротких замыканиях. Предположим, что этот провод питает 4-рожковую квартирную люстру с КЛЛ общей мощностью 4 X 30 = 120 Вт (что эквивалентно световому потоку ламп накаливания суммарной мощностью 600 Вт). Ток люстры при этом составит всего лишь около 0,6 А при допустимом токе для этого провода согласно ПУЭ 19 А.

Т.о., рассуждая о старении изоляции электропроводки в результате воздействия токов высших гармонических, нельзя упускать из виду и их абсолютную величину, которая, как правило, весьма незначительна по отношению к тому току основной частоты, на который провода и кабели рассчитаны.
Кроме того, предметный разговор о влиянии токов высокой частоты КЛЛ на старение изоляции электрооборудования можно вести лишь после исследования гармонического состава токов в групповых и распределительных сетях, питающих КЛЛ.
И последнее. Возвращаясь к вопросу экономического эффекта при массовой замене ламп накаливания на КЛЛ, следует заметить, что эффект получат не только и даже не столько потребители электроэнергии, сколько газовые и нефтяные компании, которые сэкономленные на внутреннем рынке энергоресурсы продадут за рубеж, но уже по мировым ценам. Остается надеяться, что часть этой прибыли также возвратится населению в виде пенсий и социальных пособий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петухов В.С. Энергосберегающие лампы как источник гармоник // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 4(58).
2. ГОСТ 30207-94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока
3. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
4. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986, 2-е изд.