Про вплив роботи електронного обладнання на силові електричні мережі
2006-10-27 17:44:25
Матеріальною основою сучасного інформаційного суспільства, безумовно, є комп'ютер. За останні 10 років він не тільки змінив спосіб життя і роботи мільярдів людей, а й, у свою чергу, сформував нові вимоги до технічної інфраструктури, що забезпечує його власне функціонування. Центр електромагнітної безпеки в останні три роки в ході виконання ряду робіт досліджував стан систем електропостачання 0,4 кВ в найбільших будівлях Москви, містять комп'ютерні мережі чисельністю від 20 до більше тисячі комп'ютерів. Аналіз даних власних вимірювань, підкріплених потім аналізом зарубіжних науково-технічних публікацій, спілкування з колегами з IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers), привели нас до висновку, що Росія зіткнулася з новою серйозною проблемою. Суть її полягає в тому, що мережі електропостачання 0,4 кВ в будинках, оснащених комп'ютерною технікою, «заражені» вищими по відношенню до промислової частоті (50 Гц) гармоніками. Відразу хочемо зазначити, що проблема в даному випадку не є виключно російською – на певному етапі концентрації комп'ютерної техніки з нею зіткнулися всі країни і були змушені приймати рішучі заходи, включаючи кардинальна зміна технічних регламентів експлуатації, норм проектування і розробки відповідної бази стандартів. З урахуванням того, що наша країна розраховує, в тому числі завдяки реалізації Федеральної програми «Електронна Росія», на збільшення комп'ютерного парку в рази, вважаємо, що актуальність проблеми з часом буде наростати. Технічна підгрунтя питання полягає в наступному. В недалекому минулому більша частина електричної енергії споживалася лінійними навантаженнями – лампами розжарювання, нагрівальними елементами (ТЕН), рухової навантаженням та іншими подібними електроспоживачами. З кінця 90-х років різко зросла частка нелінійних електроспоживачів, таких як персональні комп'ютери і файл-сервери, комп'ютерна периферія, монітори, лазерні принтери, блоки безперебійного живлення (UPS), а також інше обов'язкове офісне обладнання – копіювальні апарати та факси; газорозрядні лампи та інші нелінійні електроспоживачі. Справа в тому, що для електроживлення вищепереліченого електронного устаткування використовуються вбудовані імпульсні джерела живлення, що представляють собою нелінійні навантаження, опір яких змінюється з часом. Струм, споживаний цими джерелами, має яскраво виражений імпульсний характер. Це пояснюється схемними особливостями імпульсних джерел живлення, а саме наявністю мережевого випрямляча (діодного моста) і згладжує ємнісного фільтра. Іншими словами, струм, споживаний такими електроспоживачами, на відміну від синусоїдального струму лінійних навантажень, являє собою періодичний несинусоїдальний сигнал. Чим же поганий струм від комп'ютера? У випадках коли потужність нелінійних електроспоживачів не перевищує 10-15% загального споживання потужності, яких-небудь особливостей в експлуатації системи електропостачання, як правило, не виникає. При перевищенні зазначеного межі слід очікувати появи різних проблем в експлуатації та наслідків, причини яких не є очевидними. У будинках, де частка нелінійного навантаження перевищує 25%, окремі проблеми можуть проявитися відразу ж. Наявність вищих гармонійних складових у токах нелінійних електроспоживачів призводить до наступних негативних, а в ряді випадків і до катастрофічних наслідків: 1. Можливий і досить імовірний перегрів і руйнування нульових робочих провідників кабельних ліній внаслідок їх перевантаження струмами третьої гармоніки, коли струми в нульових робочих провідниках значно перевершують струми фазних провідників, а захист від струмових перевантажень в ланцюгах нульових провідників не передбачена (п.1.3.10 ПУЕ) . Необхідно також відзначити прискорене старіння ізоляції при підвищенні робочої температури струмопровідних провідників. При лінійної, навіть самої потужної, навантаженні струм в нульовому робочому провіднику буде менше, ніж максимальний струм у фазних провідниках. Зовсім інша ситуація складається при наявності нелінійних навантажень – в цьому випадку струм в нульовому робочому провіднику може перевищувати струм у фазі більш ніж в 1,5 рази. 2. Спотворення синусоидальности живлячої напруги. Наслідком характеру струму, споживаного імпульсної навантаженням, є деформація синусоїди напруги, що діє на затисках навантаження. Синусоїда напруги стає «плоскою» за формою, так як в момент імпульсу струму збільшується падіння напруги на внутрішньому опорі мережі (див. рисунок). Розглянемо наслідки впливу «плоскої» синусоїди на імпульсний джерело живлення: • зниження рівня випрямленої напруги; • збільшення тепловиділення в елементах імпульсного джерела живлення; • зниження стійкості до короткочасних провалів напруги. 3. Гармоніки, що генеруються нелінійної навантаженням, створюють додаткові втрати в трансформаторах. Ці втрати можуть привести до значних втрат енергії і стати причиною виходу з ладу трансформаторів внаслідок перегріву. Протікання по обмотках трансформатора несинусоїдних струмів, в силу поверхневого ефекту і ефекту близькості, призводить до збільшення активного опору обмоток трансформатора і, як наслідок, до додаткового нагрівання і до зменшення терміну його служби. Перевищення температури на 10 ° скорочує термін служби трансформатора приблизно в два рази. 4. В умовах несинусоїдальності струму погіршуються умови роботи батарей конденсаторів. Батареї конденсаторів призначені для компенсації реактивної потужності навантаження, тобто для підвищення коефіцієнта потужності електроустановки будівлі. Однак в умовах несинусоїдальності струму батареї конденсаторів одночасно є елементами, абсорбуючими гармоніки з усієї мережі. Вони змінюють нормальний шлях гармонік струму від нелінійного споживача до джерела живлення, замикаючи частину цього струму через себе. 5. Скорочення терміну служби електрообладнання виникає через інтенсифікації теплового та електричного старіння ізоляції. При робочих температурах в ізоляційних матеріалах протікають хімічні реакції, що призводять до поступового зміни їх ізоляційних і механічних властивостей. З ростом температури ці процеси прискорюються, скорочуючи термін служби обладнання. В конденсаторах втрати енергії пропорційні частоті, тому несинусоїдальний ток призводить до додаткового нагріву конденсаторів. 6. Необгрунтоване спрацьовування запобіжників і автоматичних вимикачів в результаті додаткового нагріву внутрішніх елементів захисних пристроїв, обумовленого протіканням несинусоїдних струмів і, отже, дією поверхневого ефекту і ефекту близькості. 7. Прискорене старіння ізоляції проводів та кабелів. Старіння ізоляції провідників і кабелів обумовлено протіканням несинусоидального струму, що приводить до підвищеного нагріву зовнішньої поверхні жил кабелю внаслідок поверхневого ефекту і ефекту близькості. 8. Перешкоди в мережах телекомунікацій можуть виникати там, де силові кабелі і кабелі телекомунікацій розташовані у відносній близькості. Внаслідок протікання в силових кабелях високочастотних гармонік струму, в кабелях телекомунікацій можуть наводитися перешкоди. Магнітні поля вищих гармонік прямий і зворотній послідовності частково компенсують один одного, тому найбільшу роль в проблемі впливу на телекомунікації грають гармоніки, кратні трьом. Чим вище порядок гармоніки, тим більше рівень перешкод, наведених ними в телекомунікаційних кабелях. Шляхи вирішення проблеми З урахуванням того, що більшість офісів розташовується в будівлях споруди 20-30-річної давності, спроектованих і змонтованих для експлуатації лінійних електроспоживачів, а також того, що останнім часом спостерігається значне зростання нелінійних навантажень, необхідний особливий і суто професійний підхід до експлуатації систем електропостачання таких будівель. Безумовно, виходячи з менталітету більшості керівників експлуатуючих служб в нашій країні необхідно почекати змін до діючої нормативної бази, перш за все в ПУЕ. І звичайно, можна чекати, поки «вдарить грім», особливо якщо обладнання, будівля, прямі і непрямі втрати, включаючи упущену вигоду за час простою, застраховані від «непояснених» аварій в системі електропостачання будинку. Тим не менше ми розробили певний алгоритм дій і пропозицій, призначених для реалізації на по-справжньому серйозних об'єктах, де витрачають гроші на попередження проблем, а не на ліквідацію їх наслідків. Наводимо їх нижче. 1. Виділити повну номенклатуру всіх електроспоживачів загального призначення, що відносяться до категорії нелінійних і викликають генерацію підвищеної частки вищих гармонік в мережах електропостачання. 2. На об'єктах з часткою встановленої потужності нелінійних електроспоживачів 10% і вище з метою попередження розвитку пожежонебезпечних та аварійних ситуацій провести діагностику стану та прогнозування роботи мережі електроживлення в плані оцінки частки вищих гармонік, якості електроенергії, струмових навантажень фазних і нульових робочих провідників з урахуванням несинусоїдальності струмів і напруг. 3. Враховувати фактор впливу нелінійності навантажень електроспоживачів і наявності вищих гармонійних складових при виконанні проектів реконструкції існуючих систем електропостачання та при розробці нових проектів, у тому числі при виконанні розрахунку умов тепловиділення, рівнів падіння напруги в кабельних лініях і оцінці впливу нелінійних навантажень на якість напруги живлення у кінцевих електроспоживачів. 4. Виконувати прогнозування можливих наслідків зростання комп'ютерних навантажень при розширенні комп'ютерних мереж, особливо при використанні існуючої системи електропостачання (без проведення її модернізації). 5. При проведенні робіт з діагностики та аналізу систем електропостачання на додаток до чинного національного російським нормативним документам використовувати стандарт США «IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power System Analysis» IEEE Std 399-1997.
ДЖЕРЕЛО: КомпьютерПресс