Проблемы силовых сетей зданий непроизводственного назначения

Анонс: Специфика силовых сетей современных непроизводственных зданий. Классификация и превалирующие электрические нагрузки зданий непроизводственного назначения. Негативные воздействия гармоник на энергосистему зданий.

При электромонтаже зданий непроизводственного назначения используются традиционные инженерные методики и хорошо зарекомендовавшие себя технологии для минимизации рисков нарушения безопасности и максимального комфорта людей. Однако в последние годы такое электронное оборудование, как частотно-регулируемые приводы для двигателей, ИБП для нагрузок аварийного типа, импульсные источники питания на основе SMPS (switched-mode power supply), диммеры освещения и т.п., формирует все большую часть нагрузки силовой сети зданий, и это определяет ряд проблем, еще 1.5-2 десятка лет назад не типичных для непроизводственных (непромышленных) объектов и в основном вызванных гармоническими искажениями.

В целом в силовых сетях таких объектов стабильно усиливается парадокс – интеграция электронного оборудования для улучшения контроля, управляемости, энергосбережения и энергоэффективности без проведения превентивных организационно-технических мероприятий приводит к ухудшению и нестабильности параметров качества электроэнергии, сокращению сроков службы компонентов сети, увеличению рисков аварийности и т.д., а преобладающей причиной этих проблем являются гармоники. Причем гармонические искажения в силовой сети влияют на потери активной мощности (см. формулы и графики в этом материале), а токи гармоник регистрируются интеллектуальными счетчиками электроэнергии, т.е. негативы гармоник напрямую проявляются в счетах за электроэнергию помимо «косвенного» влияния на активы через повышение затрат на обслуживание, реновацию оборудования, кабельных линий, устранения последствий аварий.

Классификация и превалирующие электрические нагрузки зданий непроизводственного назначения

В целом и упрощенно электрические нагрузки можно разделить на линейные и нелинейные. Линейная нагрузка потребляет чисто синусоидальный ток при подключении к источнику синусоидального напряжения, т. е. имеют линейные вольтамперные характеристики, что определяет синусоидальную форму волны тока. Еще во второй половине прошлого века (условно) в энергосистеме здания почти все подключенное электрооборудование представляло собой линейные нагрузки - трансформаторы, электродвигатели, резистивные нагреватели, лампы накаливания и т.д., из-за чего проблемы гармоник, как таковой практически не существовало.

Нелинейная нагрузка потребляет несинусоидальный ток при подключении к источнику синусоидального напряжения, например, диодному, тиристорному мосту и т. д., что приводит к несинусоидальной или искаженной форме волны тока.

Если рассматривать типовую силовую сеть зданий непроизводственного назначения, то основные категории нагрузок формируют:

• частотно-регулируемые приводы двигателей вентиляции, кондиционирования, насосных станций, лифтовых хозяйств, эскалаторов и т.д., которые генерируют гармонические искажения разных порядков и амплитуд;
• ИБП, серверы, причем в случае центров обработки данных (банков, офисных зданий), отнесенных к нагрузкам первой или особой категории резервные источники питания формируют на IGBT ключах, что определяет расширенный спектр гармоник;
• компьютеры, принтеры, факсимильные аппараты и пр., каждый из которых потребляет нелинейный ток в незначительных количествах, но когда в систему входят тысячи таких устройств, то объемы эмиссии гармоник становятся критическими для параметров качества электроэнергии в силовой сети;
• электронные пускорегулирующие аппараты для систем энергосберегающего освещения, отличающиеся специфическим спектром генерируемых гармоник.

Негативные воздействия гармоник на энергосистему зданий

Гармоники не только влияют на полезную активную мощность, срок службы оборудования, коммуникаций силовой сети, передачу информации по каналам связи, но и снижают коэффициент мощности, вызывают искажения формы напряжения, тока, что обуславливает скачки и провалы напряжения в силовой сети, неустойчивую работу электронного оборудования, перегрев электроприемникови кабелей, вибрации электродвигателей, шум в трансформаторах и вращающихся машинах, неправильную работу автоматики, неисправности микропроцессорных устройств, аварии и пожары.

Вместе с тем, уже определено, что:

• определенная доля гармонических возмущений в сети нивелируется при передаче по кабельным коммуникациям, хотя это и приводит к нагреву и преждевременному старению кабелей;
• гармоники, генерируемые нагрузкой, «перегенерируются» трансформаторами, а потому мигрируют не только между ветвями сети, но и разными силовыми сетями;
• если однофазные и трехфазные нагрузки подключены к одному и тому же уровню напряжения, то суммарные гармонические искажения уменьшаются;
• из-за разности фазовых углов различных типов нагрузок на одном уровне происходит значительное снижение гармоник;
• в трансформаторах «треугольник-звезда» происходит фазовый сдвиг, в результате которого гармоники прямой последовательности смещаются на +30°, обратной последовательности на -30°, а кратные трем взаимно компенсируются.

Т.е. defacto каждая конкретная силовая сеть любого здания непроизводственного значения имеет свою специфику гармонических искажений и перед проведением каких-либо организационно-технических мероприятий по устранению гармоник должна быть проанализирована по максимально возможно полному пакету параметров качества электроэнергии.