Анализ потерь в электрических цепях с дуговыми лампами высокого давления

УДК 621.3.06

АНАЛИЗ ПОТЕРЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ С ДУГОВЫМИ ЛАМПАМИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Лаптев В.А., кандидат технических наук, профессор кафедры систем энергообеспечения Рябчинский А.С., ассистент кафедры электрооборудования и автоматики

ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет»

Реферат. В работе представлены результаты исследования дополнительных потерь энергии в сети 0,38 кВ, обусловленных нелинейным характером нагрузки осветительных установок с дуговыми лампами типа ДРЛ. Дополнительные потери определялись путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Измерение гармонического состава токов и напряжений в схемах включения лампы ДРЛ-400 со стандартным ПРА производилось цифровым осциллографом АКИП-4107/2. Дополнительные потери мощности могут достигать 8% от мощности одной лампы в 3-х фазной сети и будут значительно превышать это значение при более длинных проводах и большем количестве ламп.

Ключевые слова: потери, ток, напряжение, гармоника, лампа, дуга, мощность.

Введение

В однофазной электрической сети синусоидального тока с разрядными лампами, работающими с токоограничивающими балластами - индуктивными дросселями с ферромагнитным стальным сердечником, возникает периодический несинусоидальный ток, который служит причиной появления несинусоидального напряжения в сети. В силу симметрии относительно оси абсцисс, несинусоидальный ток содержит лишь нечётные гармоники с частотами 50 Гц (п=1), 150 Гц (п=3), 250 Гц (п=5) и т.д.

Источником реактивной мощности в сети синусоидального переменного тока является индуктивность дросселей, а возникающие гармоники несинусоидального тока являются причиной появления в сети переменного несинусоидального тока мощности искажений.

Таким образом, непроизводительные потери в однофазной сети с разрядными лампами связаны с двумя причинами: наличием в сети реактивной мощности и мощности искажений [1], вызванной нелинейностью нагрузки. Полную мощность, потребляемую такой нелинейной нагрузкой, можно описать соотношением:

й2 = Р2 + ^ + Т)2,

где Р, Q - активная (Вт) и реактивная (вар) мощность; Т- мощность искажений, вар.

Abstract. The results the study of extra energy losses in the circuit 0.38 kV due to the non-linear nature of the load of lighting system with arc lamps of DRL type have been presented in the work. The extra losses were defined by means of theoretical and experimental studies. The measurements of the harmonic content of the currents and voltages in the switching-on schemes of the lamp with standard and flat regulating apparatus was carried out by a digital oscilloscope АКИП-4107/2. The power losses may reach 8% from one lamp in three-phase network, and will exceed this value significantly with longer cables and more lamps.

Key words, losses, current, voltage, harmonic, lamp, arc, power.

В трёхфазной сети с разрядными лампами и дросселями гармоники тока с номерами n=1, n=7, n=13 и т.д. образуют прямую последовательность токов, так как они сдвинуты между собой на угол 120о, гармоники с n=3, n=9, n=15 и т.д. оказываются сдвинутыми на 360 и поэтому образуют токи нулевой последовательности, а гармоники тока с n=5, n=11, n=17 и т.д. создают токи обратной последовательности. Следовательно, при полной симметрии нагрузки в трёхфазной сети возникает несимметричный режим работы, то есть появляется существенный ток в нулевом проводе, вызванный преимущественно токами нулевой последовательности. В соответствии с результатами исследований в [1,2], величины токов прямой, обратной и нулевой последовательностей в вышеупомянутой сети находятся в соотношении I¡:I2:Io = 1:0,16:0,3.

Таким образом, кроме непроизводительных потерь в трёхфазной сети с разрядными лампами и индуктивными балластами, связанным с наличием реактивной мощности и мощности искажений, следует учитывать непроизводительные потери мощности APN, обусловленные током IN в нулевом проводе, что аналитически можно представить формулой,

S2 = P +

где Rn - активное сопротивление нулевого провода, Ом.

Заметим, что в симметричном режиме работы в трёхфазной сети с лампами типа ДРЛ-400 с

трёхфазной сети ток в нулевом проводе равен нулю. дроссельными пускорегулирующими аппаратами

Материалы и методы. Детальные измере- (ПРА) проведены на экспериментальной уста-

ния гармонического состава токов и напряжений новке, схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования гармоник тока и напряжения в трехфазной сети 0,38 кВ с разрядными лампами высокого давления

При помощи шунтирующих резисторов сопротивлением Rш<0,1 Ом и ограничительных резисторов сопротивлением Rд>20 кОм (на схеме не показаны) в цепь подключался осциллограф АКИП - 4107/2 для преобразования токов и напряжений в ряд Фурье.

Действующие значения фазных токов и тока в нулевом проводе, а также фазных и линейных напряжений измерялись амперметрами и вольтметрами электромагнитной системы класса точности 0,5. В каждую фазу нагрузки включалось по три лампы типа ДРЛ-400 с дроссельным токо-ограничивающим балластом.

На рис. 2 приведена осциллограмма исследованного гармонического состава тока в нулевом проводе схемы питания ламп ДРЛ-400.

Наличие тока частотой 50 Гц на осциллограмме можно объяснить незначительной

асимметрией нагрузки, вызванной разбросом технических параметров ламп ДРЛ-400.

Гармонические составляющие тока ламп, кратные трем (3, 9, 15 и т. д.) в фазах трехфазной сети, как уже упоминалось выше, сдвинуты по отношению друг к другу на угол 360о и образуют токи нулевой последовательности, которые направлены в одну сторону. В соответствии с первым законом Кирхгофа токи нулевой последовательности суммируются в нулевом проводе и создают в нулевом проводе значительный ток. Об этом свидетельствует наличие в нулевом проводе тока 3-й гармоники частотой 150 Гц.

С учетом того, что токи нулевой последовательности составляют 3-ю часть действующего значения фазных токов, суммарный ток в нулевом проводе может достигать значительных величин, соизмеримых с токами в линейных проводах.

50.0 тВ АС

45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0

5.0

0.00.0

150.0

ЗАО "ПриСТ" www.prist.ru

Рис. 2. Гармоническое спектральное исследование тока в нулевом проводе трёхфазной сети с лампами ДРЛ-400 в схеме на рис. 1. Пиковое значение тока 3-й гармоники (150 Гц) - 21,88 мВ или 2,94 А при амплитуде 1-й гармоники тока 0,7 А.

Гармоники тока, присутствующие в электрической сети, вызывают соответствующие потери в ней, обусловленные реактивной мощностью и определяемые частотами гармоник.

Ток в нулевом проводе также является источником дополнительных непроизводительных потерь мощности в питающей трехфазной сети. Результаты и их обсуждение Определим численные потери мощности в исследованной 3-х фазной сети 380 В 50 Гц, питающей лампы высокого давления ДРЛ - 400.

Потери мощности, обусловленные токами высших гармоник 3, кратных трем, при симметричной и несинусоидальной системе токов можно приближённо рассчитать по формуле [3,4]:

In

Ф'тз

2+ RNIN3 2

Rф = Rn = pl/s, Ом.

Rn= Rф=0,7415/2,5 ~ 1,5 Ом.

41,5 2,942 - 52 Вт.

где RN и Rф - сопротивления нулевого и линейного (фазного) проводов. С учётом того, что нулевой и фазные провода в осветительной сети имеют одинаковую длину, сопротивление провода находим как

Для провода длиной 1=5 м и сечением s=2,5 мм2 (для алюминия удельное сопротивление составляет р=0,741 Омм), получаем сопротивление одного провода сети:

Расчётные суммарные потери мощности в 3-х фазной четырёхпроводной сети 380 В, питающей 9 ламп типа ДРЛ 400, при токе 3-й гармоники 1^3 = 2,94 А, обусловленные токами гармоник, кратных трем, составят:

Выводы

Дополнительные потери мощности непроизводительного характера в 3-х фазной сети 380 В с 9-ю лампами ДРЛ-400, обусловленные токами гармоник, кратных трем, достигают 8% от мощности одной лампы при длине проводов 5 м в лабораторной сети. При более длинных проводах и большем количестве ламп типа ДРЛ 400 (или ДНаТ) будут значительно превышать это приведенное выше расчётное значение.

Поэтому учёт этих потерь необходим при детальных исследованиях и для поиска методов их уменьшения.

Список литературы

1. Лаптев, В.А. Об ухудшении качества электроэнергии в сети тепличных хозяйств / В.А. Лаптев, А.С. Рябчинский. // Аграрная наука-сельскому хозяйству: материалы Всероссийской науч.-практ. конференции. -Курск, 2009. - С. 43-47.

2. Лаптев, В.А. Электрическая энергия в сети с газоразрядными лампами / В.А. Лаптев, А.С. Рябчинский. - Вестник МАНЭБ, СПб.-Брянск. - Т.15, №4. - 2012. - С.133-135.

3. Жежеленко, И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. — М.: Энергоатомиздат, 1986.- 166 с.

4. Косоухов, Ф.Д. Критерии увеличения потерь мощности в сельских электрических сетях 0,38 кВ от несимметрии, несинусоидальности токов и снижения коэффициента мощности. / Ф.Д. Косоухов, В.Ф. Петров. // Энерго- и ресурсосберегающие технологические процессы оптического облучения в АПК: сб. науч. трудов СПбГАУ. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 1992. - С. 65-68.

УДК 631.2: 628.8/.9

ТОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ УСТАНОВОК В РЕМОНТНЫХ МАСТЕРСКИХ

Маркарянц Л.М., д.т.н., профессор, Безик В.А., к.т.н., доцент, Никитин А.М., аспирант ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет»

Реферат. Важную роль играет микроклимат помещений для людей, работающих в ремонтных мастерских. Неудовлетворительный микроклимат может явиться следствием возникновения различных болезней и даже гибели людей. Наиболее плохой микроклимат наблюдается в помещениях, где проводят электросварочные процессы. Сварочное производство является вредным для организма человека. Из проведенного анализа следует,

Abstract. Important indoor environment for people working in repair shops. Unsatisfactory microclimate may be the result of the occurrence of various diseases, and even death. The most bad climate is observed in areas where conduct electric welding processes. Welding production is harmful to the human body. From the analysis it follows that the climate system must analyze the concentration of suspended particles, temperature, gas

2