Новости Электротехники 2(128)-3(129) 2021





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал №6 (60) 2009 год     

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:

Т = (К2 – К1) / (З1 – З2), (1)

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:

Т = (К2 – К1) / [(Р1 – Р2) · t · cэ ], (2)

где Р1 и Р2 – мощность ламп в 1-м и во 2-м вариантах, Вт;
t – годовое число часов работы ламп;
cэ – 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, cэ = 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 · сЭ + 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 %.

КЛЛ И КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

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 КUi 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 КUi 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. Sосв = 0,7 · 0,8 = 0,56 Sн.тр. Прочая нагрузка составит:
Sпр = 0,7 – 0,56 = 0,14 Sн.тр.
При замене ламп накаливания на КЛЛ нагрузка электроосвещения уменьшится в 4–5 раз и составит Sосв = 0,8 / 4 = = 0,2 Sн.тр. Допустим, что дополнительные потери мощности в трансформаторе от токов высших гармонических составят 30 % от мощности КЛЛ, что можно учесть увеличением нагрузки КЛЛ Sосв = 0,2 Х 1,3 = 0,26 Sн.тр. При этом общая нагрузка на трансформатор составит SΣ = 0,14 + 0,26 = 0,4 Sн.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.





Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2022