Проектирование распределительных сетей объектов с учетом особенностей однофазных нелинейных нагрузок

Расширяющиеся масштабы внедрения однофазных потребителей с нелинейным характером нагрузки, (средства вычислительной техники, оборудование связи, оргтехника и т.п.) приводят к перегреву и сокращению срока службы силовых кабелей, силовых трансформаторов, конденсаторов, асинхронных двигателей и другого оборудования. Это необходимо учитывать при проектировании объектов с однофазными нелинейными нагрузками, мощность которых превышает 25% мощности источника питания. Ниже рассматриваются некоторые особенности подобных объектов и рекомендации по проектированию распределительных сетей с применением симметрирующих трансформаторов.

Однофазные потребители, такие как компьютерная и офисная техника, ЖК-мониторы, оборудование связи и т. п. имеют на входе блоки питания (БП) с однофазными выпрямителями, потребляющими из сети несинусоидальные токи импульсной формы. Подобное оборудование характеризуется непрерывным увеличением номенклатуры, а также быстрым обновлением вследствие того, что срок его морального старения меньше срока реального физического износа.

В качестве примера отметим, что номенклатура БП персональных компьютеров в настоящее время насчитывает около 60 названий моделей (АЕSP, AcBel, Acer, AcmePower, Zalman, Zippy). С учетом различия по мощности (в диапазоне от 300 Вт до 1000 Вт и более), а также по характеру корректора коэффициента мощности (ККМ), в начале 2009 года насчитывалось более 1000 исполнений БП [1]

Подавляющее большинство БП, представленных на отечественном рынке, не имеют в своем составе ККМ и потребляют из питающей сети ток импульсной формы с высоким содержанием 3-й, 5-й, 7-й, 9-й гармоник.

Немного более 10 % БП укомплектованы пассивными ККМ (Passive Power Factor Correction – PPFC). Устройства PPFC имеют встроенные реакторы, ограничивающие амплитуду импульса тока и увеличивающие его ширину, за счет этого снижается составляющая 3-й гармоники тока, а также незначительно увеличивается коэффициент мощности.

Около 25 БП укомплектованы активными ККМ (Active Power Factor Correction – APFC). Устройства APFCимеют управляемые выпрямители, за счет этого форма тока, потребляемого из сети, приближается к синусоидальной, составляющая 3-й гармоники снижается на порядок. Существенно возрастают значения КПД и коэффициент мощности, однако в токе появляются высокочастотные пульсации переходных процессов. Частота пульсации токов определяется частотой коммутации управляемых вентилей.

В статье специалистов АОЗТ «ММП-ИРБИС» [2] разработавших новое поколение преобразователей напряжения с корректором коэффициента мощности для оборудования связи, приводится объяснение более раннего и более широкого распространения в большинстве стран Европы, США и Канаде БП, оснащенных активными и пассивными ККМ. В этих странах действуют законы, предписывающие обязательное использование корректоров коэффициента мощности К_м на входе импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) с выходной мощностью свыше 300 Вт (в США и Канаде – свыше 75 Вт).

Коэффициент мощности определяется отношением активной мощности Р, кВт к полной мощности S, кВА:

К_м = P/S = К_и*сosj,

где К_и – коэффициент искажения, определяющий долю составляющих высших гармоник тока и напряжения,
сosj — коэффициент мощности сдвига по основной гармонике тока.

Новый европейский стандарт TN 61000-3-2 требует, чтобы любое оборудование, имеющее входную мощность от 55 до 75 Вт и выше, соответствовало требованиям низкого уровня гармонических составляющих входного тока от второй до сороковой [3]. Основная цель введения подобных законов объясняется не столько стремлением улучшить гармонический состав потребляемого напряжения промышленной сети и условия ЭМС, сколько требованиями пожаробезопасности. Существенная нелинейность тока потребления импульсных БП приводит к увеличению тока в N-проводнике до уровня, превышающего действующее значение токов в линейных проводах [4].

Принцип формирования тока нейтрали IN группы технических средств из m однофазных БП представлен на рисунках 1а, 1б.

Рис. 1а. Схема питания группы однофазных технических средств ТС

Рис. 1б. Диаграмма фазных напряжений сети, фазных токов группы однофазных ТС и тока нейтрали

Из рисунка 1б видно, что нелинейные ТС, потребляющие из сети импульсные несинусоидальные токи, даже при симметричном распределении по фазам, создают в проводнике рабочей нейтрали ток утроенной частоты (3*50 Гц = 150 Гц). Действующее значение такого тока при фазном токе Iф = IA = IB = IC с шириной импульса не более 60 эл. град. превышает действующее значение фазного тока Iф в 1,7 раза:

IN = √ IA² + IB²+IC² = √ 3Iф²= Iф√ 3 ≈ 1,7 Iф.

Исследование большого количества БП и публикация более 10 статей результатов тестирования блоков питания по ряду параметров было проведено научным сотрудником физфака МГУ О. Артамоновым специально для портала «Ф-центр» [5].

Осциллограммы напряжений и токов трех модификаций БП по результатам исследований О. Артамонова [6] приведены на рис. 2а – 2в.

Рис. 2а. Осциллограммы напряжения и тока БП обычного исполнения

Рис. 2б. Осциллограммы напряжения и тока БП с пассивным ККМ

Рис. 2в. Осциллограммы напряжения и тока БП с активным ККМ

Исследованиями Олега Артамонова установлено, что у блоков, не оборудованных какими-либо цепями коррекции, коэффициент мощности находится в пределах 0,65-0,7 и слабо зависит от нагрузки. Пассивный УКМ помогает довольно слабо — коэффициент мощности увеличивается до 0,7 – 0,75, но не более того. Для блока питания с активным УКМ при мощности до 12 % номинальной коэффициент мощности равен 0,75, при мощности до 50% номинальной коэффициент мощности увеличивается до 0,97, а при номинальной мощности он достигает значения, равного 0,99 [5]

Аналогичные осциллограммы напряжений и токов получены Юрием Кученко [7] были приведены рисунки спектров высших гармоник тока. Тем не менее, можно предположить, что для управляемых ККМ в спектрах токов могут иметь место высшие гармоники и более высокого порядка, частота которых определяется частотой коммутации управляемых вентилей ККМ, а стандартные приборы имеют ограничение по измерению высших гармоник более 40-й (более 2 кГц). При этом существенно возрастает вклад этих гармоник в процесс нагрева кабелей и трансформаторов из-за эффекта вытеснения тока. Это учитывается формулами расчета К-фак-тора [8] и коэффициента запаса по мощности силовых трансформаторов [9] .

К-фактор представляет собой коэффициент, характеризующий вклад высших гармоник в процесс нагрева трансформатора. Если К-фактор равен единице, то это означает, что нагрузка линейная, и в цепи протекает синусоидальный ток. Значения К-фактора выше единицы указывают на дополнительные тепловые потери при нелинейных нагрузках, которые трансформатор способен безопасно рассеять. Обозначив значение составляющей n-й гармоники тока I_n по отношению к полному действующему значению тока I коэффициентом

К_n = I_n/I, получим значение К-фактора К_ф равным:

К_ф = S К_n²n²

В той же статье [8] используется и относительное значение составляющей n-й гармоники тока I_n% = I_n/I₁. Сумма квадратов весовых коэффициентов гармоник при учете всех высших гармоник равна единице. Ограничение числа высших гармоник при расчете К-фактора приводит к определенному уменьшению этого параметра. Ниже приводится таблица 1 из статьи [8] с расчетом К-фактора для нелинейной нагрузки типа однофазного мостового выпрямителя с учетом высших гармоник до n =11.

При несинусоидальных токах возрастают потери в трансформаторах главным образом за счет потерь на вихревые токи, что требует увеличения их установленной мощности (увеличения запаса по мощности) или применения специальных К-фактор трансформаторов. К-фактор трансформаторы отличаются от стандартных тем, что имеют дополнительную теплоемкость, позволяющую выдержать нагревание, вызванное высшими гармониками тока. Кроме того, специальная конструкция такого трансформатора позволяет свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости. В статье В. Бабича [9] приведена формула, рекомендованная Европейским комитетом по стандартизации CENELEC, для определения необходимого коэффициента запаса по мощности трансформатора, питающего нелинейную нагрузку:

где I₁ — основная гармоника тока,
I_RMS — действующее значение тока,
In – составляющая n-й гармоники тока,
n — номер гармоники,
e, q — коэффициенты, зависящие от составляющих потерь в меди и железе трансформатора (в первом приближении принимается e = 0,3; q = 1,75).

Примечания: *- вариант 2, ** — вариант 3,

e/(1+e) = 0,3/(1 + 0,3) = 0,23,

(I₁/I_RMS)² = 0,792,

K = √(1 + 0,23*0,792*6,089) = √2,11 = 1,45

Коэффициент мощности по основной гармонике cosj = 0,92. При этом для силового трансформатора с номинальной мощностью Sн = 1000 кВА допустимая активная мощность нелинейной нагрузки Р_нлн с приведенными выше параметрами ориентировочно (с учетом высших гармоник тока с 3-й до 11-й включительно) составляет:

Р_{нлн =} Sн* cosj / К = 1000*0,92 / 1,45 = 634 кВт.

Для трансформатора 1000 кВА обычного исполнения, рассчитанного на линейную нагрузку с коэффициентом мощности cosj_н = 0,8, номинальная активная мощность нагрузки

Рн = Sн* cosj_н= 1000*0,8 = 800 кВт.

Полученная выше допустимая активная мощность нелинейной нагрузки Р_нлн составляет 79 % номинальной мощности трансформатора:

Р_нлн / Р_н = 634/800 = 0,79 или 79 %.

Вариант 2. Попробуем оценить, как влияет на результат приведенного расчета еще одна составляющая тока 40-й гармоники величиной I₄₀/I₁ = 0,02 (2%).

Получаем: n^q(I_n/I₁)²= 40^1,75(0,02)² = 636*0,0004 = 0,25,

Р_днлн / Р_н= 626/800 = 0,78 или 78 %.

Таким образом, результат уменьшился ещё на 1% номинальной мощности трансформатора.

Вариант 3. Попробуем теперь вместо 40-й гармоники учесть влияние 160-й гармоники той же амплитуды, что и 40-я гармоника, I₁₆₀/I₁ = 0,02 (2%).

Получаем: n^q(I_n/I₁)² = 160^1,75(0,02)² = 7198*0,0004 = 2,88,

Р_днлн / Р_н= 567/800 = 0,71 или 71 %.

Таким образом, допустимая мощность нагрузки по сравнению с учетом высших гармоник ограниченного ряда (только нечетных, с 3-й до 11-й) снизилась на 7 % при учете лишь одной дополнительной составляющей тока 160-й гармоники, близкой к частоте коммутации управляемых вентилей APFC (160*50 Гц = 8000 Гц или 8 кГц).

Аналогичным образом можно оценить и запас по сечению проводников распределительной сети. При этом в опубликованном Ассоциацией «Росэлектромонтаж» «Техническом циркуляре» № 19/2007 [10] отмечается: «Значительное число аварий в электрических сетях до 1 кВ возникает из-за повреждений N и PEN-проводников в результате перегрева последних от воздействия токов перегрузки и токов КЗ».

В «Техническом циркуляре» [10] приведены примеры выбора сечения проводников в зависимости от величины составляющей 3-й гармоники тока фазного проводника в диапазонах: от 0 до 15 %, от 15 до 33 %, от 33 до 45 % и более 45 %.

Так, при расчетном токе линейной нагрузки, равном 39 А при открытой прокладке может использоваться четырехжильный кабель с ПВХ-изоляцией с медными жилами сечением 6 кв.мм. Если же составляющая 3-й гармоники тока составляет 50 % основной гармоники тока, сечение кабеля выбирается исходя из загрузки N-проводника и равно уже 16 кв.мм (в 2,7 раза больше, чем в первом варианте) [10]. Однако, на основании приведенного выше расчета по формуле CENELEC для определения запаса по мощности силового трансформатора, назвать необходимым и достаточным учет составляющей только 3-й гармоники для корректного выбора сечения кабелей также нельзя, поскольку импульсный ток содержит составляющие и других высших гармоник. Вклад гармоник с одинаковыми амплитудами возрастает по мере увеличения номера гармоники. Составляющие высших гармоник, кратные трём, вызывают также локальные повреждения циркулирующими токами. Эти повреждения могут образовываться на корпусах силовых трансформаторов, что особенно опасно для масляных трансформаторов. Могут повреждаться металлические трубы электропроводки, водоснабжения и отопления [11].

Сергей Логинов, директор представительства компании R&M, привел данные опроса руководителей 100 высокотехнологичных Центров Обработки Данных (ЦОДов), проведенного исследовательской организацией Aperture. Согласно этим данным, основной источник сбоев в работе
ЦОДов (57 % отказов) связан с человеческими ошибками на стадии проектирования, монтажа и обслуживания оборудования, при этом только 22,3 % отказов в ЦОДах случаются из-за перегрева оборудования [12].

Заключение

В книге [11] отмечается, что «превышение температуры силового трансформатора на каждые 10 градусов сокращает срок его службы примерно в 2 раза, поэтому если перегрев трансформатора не учитывается или не замечается, то срок его службы может сократиться с 40 лет до 40 дней».

В статье [12] также приводится высказывание, что исключить субъективные ошибки при проектировании, монтаже и эксплуатации оборудования нельзя, однако их можно минимизировать.

1. Выделить полную номенклатуру нелинейных потребителей, потребляющих из сети несинусоидальные токи.
2. На объектах, для которых мощность нелинейных нагрузок превышает 10 %, в целях предупреждения развития пожароопасных и аварийных ситуаций провести диагностику и прогнозирование работы сети электропитания с точки зрения оценки доли высших гармоник, качества электроэнергии, токовых нагрузок фазных и нулевых рабочих проводников с учетом несинусоидальности токов и напряжений.
3. Учитывать фактор влияния нелинейности нагрузок электропотребителей и наличия высших гармонических составляющих при выполнении проектов реконструкции существующих систем электроснабжения и разработке новых проектов, в том числе при выполнении расчета условий тепловыделения, уровней падения напряжения в кабельных линиях и оценке влияния нелинейных нагрузок на качество питающего напряжения у конечных электропотребителей.
4. Выполнять прогнозирование возможных последствий роста компьютерных нагрузок при расширении компьютерных сетей и, особенно при использовании существующей системы электроснабжения (без проведения ее модернизации).
5. При проведении работ по диагностике и анализу систем электроснабжения в дополнение к действующим национальным российским нормативным документам использовать стандарт США «IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power System Analysis» IEEE Std 399 - 1997.

• при отключенных нелинейных нагрузках,
• при включении определенных групп нелинейных нагрузок,
• при замене или наращивании нового электрооборудования с нелинейными характеристиками.

1. Каталог abc. Компьютеры и комплектующие. Блоки питания (цены). http://vid.abc.ru/pwr.pwrakk.htm
2. А. Лукин, М. Кастров, А. Герасимов. Новый сетевой источник для системы бесперебойного электропитания. http://www.electronics.ru/714.html
3. Жданкин В. Коррекция гармоник входного тока в маломощных сетевых источниках питания. – Современные технологии автоматизации, 1998, № 1.
4. Капустин В., Лопухин А. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть. – Современные технологии автоматизации, 1997, №2.
5. Олег Артамонов. Тестирование блоков питания АТХ: серия 11. часть 2. Ф-ЦЕНТР
6. Олег Артамонов. Методика тестирования блоков питания.
7. Юрий Кученко. ИБП среднего класса: тест 12 моделей. 6. Спектральный состав тока, потребляемого БП по технологии APFC.
8. Климов В.П., Москалев А.Д. Способы подавления гармоник тока в системах электропитания. Сайт ТЭНСИ-Плюс.
9. Владимир Бабич. Энергосбережение для повышения экономической эффективности предприятия // Новости электротехники, 2001, № 6(12)
10. Ассоциация «Росэлектромонтаж». Технический циркуляр № 19/2007 «О защите от сверхтоков нейтральных (нулевых рабочих) (N) и PEN-проводников в питающих и распределительных сетях электроустановок до 1 кВ» // «Новости электротехники» 2007, № 6(48)
11. Компьютер и система электроснабжения в офисе: современные аспекты безопасной эксплуатации // Под ред. О.А. Григорьева. – М.: Изд-во РУДН, 2003. – 103 с.
12. А.Г. Барсков. ЦОД в комплексе.

© М.В. Соин, А.В. Хорошилов, А.К. Красовский

Впервые опубликовано: ОАО ВНИПИ Тяжпромэлектропроект, М.,
«Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок», 2010, №1, с. 14 – 23