CC BY
47
Вестник НГИЭИ. 2018. № 5 (84)
20. Samarskij A. A., Gulin A. V. Chislennye metody [Numerical method], Ucheb. posobie dlya vuzov. Moscow : Nauka. Gl. red. Fiz-mat. lit. 1989. 432 p.
21. Amosov A. A., Dubinskij Yu. A., Kopchenova N. V. Vychislitel'nye metody dlya inzhenerov [Computational methods for engineers], Ucheb. posobie. Moscow: Vyssh. shk., 1994. 544 p.
Submitted 15.03.2018; revised 24.04.2018.
About the authors:
Dmitriy A. Semenov, Ph. D. (engineering), the associate professor of the chair «Electrification and automatization»
Address: Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya Str., 22a
E-mail: xxxmy@mail.ru
Spin-код: 2154-8646
Anna V. Sidorova, the post-graduate student of the chair «Electrification and automatization» Address: Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: smanya11.05@mail.ru Spin-код: 1378-7994
Contribution of the authors:
Dmitriy A. Semenov: research supervision, developed the theoretical framework, analysing and supplementing the text. Anna V. Sidorova: collection and processing of materials, analysed data, writing the final text.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.02 УДК 628.9
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ ПРИ ЕЕ РЕКОНСТРУКЦИИ В СЕЛЬСКОЙ ШКОЛЕ
© 2018
Сергей Александрович Бугров, кандидат технических наук, директор ФГБУ Российское энергетическое агентство - Нижегородский ЦНТИ, Нижний Новгород (Россия) Дмитрий Алексеевич Филатов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» ФГБОУ ВО Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород (Россия)
Павел Валерьевич Терентьев, кандидат технических наук, доцент кафедры «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» ФГБОУ ВО Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение: вопросы электромагнитной совместимости играют важную роль при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения. Статья посвящена изучению влияния светодиодных светильников на несинусоидальность напряжения на примере сельской школы.
Материалы и методы: объектом исследования является система освещения муниципального бюджетного образовательного учреждения «Средняя общеобразовательная сельская школа» (с. Серебрянка Кулебакского района, Нижегородской области).Практически все современные источники света (светодиодные, газоразрядные, индукционные лампы) имеют в своем составе специальные вспомогательные приспособления, необходимые для работы лампы. Например, люминесцентные лампы не могут работать напрямую подключенными к сети. Для работы им требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА). Компактные люминесцентные лампы чаще всего для своей работы используют современную электронную пуско-регулирующую аппаратуру (ЭП-РА). С газоразрядными лампами высокого давления ситуация аналогичная, для корректной работы лампы (или для ее зажигания) требуется наличие ПРА или ЭПРА. Для работы светодиодных ламп используются полупроводниковые преобразователи. Поэтому система освещения (как действующая, так и предлагаемая) рассматриваемой сельской школы является нелинейной нагрузкой. Исследования проведены при помощи моделирования системы электроснабжения сельской школы в программном продукте MATLAB Simulinkro элементов библиотек Simulink и SimpowerSystems.
Вестник НГИЭИ. 2018. № 5 (84)
Результаты: в результате моделирования системы электроснабжения освещения сельской школы получили коэффициенты гармонических составляющих напряжения для существующей системы освещения школы с люминесцентными светильниками (5,55 %) и для реконструированной системы освещения школы со светодиодными светильниками (3,54 %).
Обсуждение: таким образом, коэффициент гармонических составляющих напряжения новой системы освещения школы на основе светодиодных светильников будет ниже в 1,56 раза, чем действующей. Заключение: исследование несинусоидальности напряжения до и после реконструкции системы освещения сельской школы показывает, что замена люминесцентных светильников на светодиодные оказывает положительное влияние на качество электроэнергии за счет снижения коэффициента гармонических составляющих напряжения.
Ключевые слова: люминесцентные лампы, несинусоидальность напряжения, светодиодные светильники, сельская школа, система освещения.
Для цитирования: Бугров С. А., Филатов Д. А., Терентьев П. В. Исследование несинусоидальности напряжения системы освещения при ее реконструкции в сельской школе // Вестник НГИЭИ. 2018. № 5 (84). С.20-33.
INVESTIGATION OF NON-INVISIBILITY OF LIGHTING SYSTEM VOLTAGE AT ITS RECONSTRUCTION IN RURAL SCHOOL
© 2018
Sergey Alexandrovich Bugrov, Ph. D. (Engineering), Director
Russian Energy Agency - Nizhny Novgorod TsNTI, Nizhny Novgorod (Russia) Dmitry Alexeevich Filatov, Ph. D. (Engineering), associate professor Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia) Pavel Valerievich Terentyev, Ph. D. (Engineering), Associate Professor Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia)
Abstract
Introduction: electromagnetic compatibility issues play an important role in the design and operation of power supply systems. The article is devoted to the study of the influence of LED lighting on the non-sinusoidal voltage on the example of a rural school.
Materials and methods: the object of the study is the system of illumination of the municipal budgetary educational institution «Average general rural school» (Serebryanka village, Kulebaksky district, Nizhny Novgorod region). Practically all modern light sources (LED, gas-discharge, induction lamps) have in their composition special auxiliary devices necessary for the operation of the lamp. For example, fluorescent lamps cannot work directly connected to the network. For operation, they require starting-regulating equipment (ballasts). Compact fluorescent lamps, most often, for their work use modern electronic starting-regulating equipment (electronic ballast). With high-pressure discharge lamps, the situation is similar, for the correct operation of the lamp (or its ignition) requires the presence of ballasts, or electronic ballasts. Semiconductor converters are used for the operation of LED lamps. Therefore, the lighting system (both current and proposed) of the rural school in question is a non-linear load. The studies were carried out by modeling the power supply system of a rural school in the software product MATLAB Simulink from the elements of the Simulink and SimpowerSystems libraries.
Results: as a result of the modeling of the rural school lighting supply system, the coefficients of the harmonic voltage components for the existing school lighting system with fluorescent lamps (5.55 %) and for the reconstructed school lighting system with LED lights (3.54 %) were got.
Discussion: thus, the harmonic component of the voltage of the new school lighting system based on LED lamps will be 1.56 times lower than the current one.
Conclusions: investigation of voltage non-sinusoidality before and after reconstruction of the rural school lighting system shows that the replacement of fluorescent lighting fixtures with LEDs has a positive effect on the quality of electricity by reducing the harmonic component of voltage.
Key words: rural school, lighting system, fluorescent lamps, LED lamps, voltage non-sinusoidal.
For citation: Bugrov S. A., Filatov D. A., Terentyev P. V. Investigation of non-invisibility of lighting system voltage at its reconstruction in rural school // Bulletin NGIEI. № 5 (84). P. 20-33.
Введение
Вопросы электромагнитной совместимости играют важную роль при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения. В настоящее время при развитии современных электроприемников все большее влияние на качество электроснабжения оказывает несинусоидальность напряжения, которая может вызывать перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий, дополнительные потери в силовых трансформаторах (вплоть до выхода из строя), ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей, ускоренное старение изоляции проводов и кабелей, сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования, преждевременный выход из строя электродвигателей, резонансные явления в
электроустановках 0,4 кВ [1, с.15; 2, с. 1; 5, с. 10; 14, с. 21]. Целью настоящих исследований было изучение влияния светодиодных светильников на качество электроэнергии (несинусоидальность напряжения) на примере сельской школы.
Материалы и методы Объектом исследования является система освещения муниципального бюджетного образовательного учреждения «Средняя общеобразовательная сельская школа» (с. Серебрянка Кулебакского района, Нижегородской области).Сводный перечень установленных (существующее положение) светильников внутреннего освещения приведен в таблице 1. В таблице 2 приведен сводный перечень светильников внутреннего освещения, предлагаемых в процессе реконструкции [13, с. 6; 15, с. 7; 18, с. 68].
Таблица 1. Сводный перечень установленных светильников внутреннего освещения Table 1. Summary list of installed indoor lighting fixtures
№ п. п. Наименование/ Name Количество светильников, шт./ Number of lamps, pcs. Общее количество ламп, шт./ General information number of lamps, pcs Тип ламп/ Lamp тУРе Единичная мощность лампы, Вт/ Unit lamp power, W Суммарная мощность, кВт/ Total power, kW Примерное число часов работы в день/ Approximate number of hours of work per day
49 196 ЛЛ 18 3,528 8-9
1 Здание школы 434 868 ЛЛ 36 31,248 8-9
11 40 КЛЛ 15
0,6 8-9
35 70 ЛЛ 65 4,55 8-9
ИТОГО 39,986
Таблица 2. Сводный перечень предлагаемых к установке светильников внутреннего освещения Table2. Summary list of proposed for installation of indoor lighting fixtures
№ п. п.
Наименование/ Name
Количество светильников, шт./ Number of lamps, pcs.
Тип светильника/ Luminaire type
Единичная мощность светильника, Вт/ Unit lamp power, W
Суммарная мощность, кВт/ Total power, kW
Примерное число часов работы в день/ Approximate number of hours of work per day
1 Здание школы
ИТОГО
49 434 40 35
СД СД СД СД
40 36 8
57
1,960 15,624 0,088 1,995 19,667
8-9 8-9 8-9 8-9
Установленная мощность системы освещения после реконструкции снизится в два раза.
Практически все современные источники света (светодиодные, газоразрядные, индукционные лампы) имеют в своем составе специальные вспомогательные приспособления, необходимые для работы лампы. Например, люминесцентные лампы не могут работать напрямую подключенными к се-
ти. Для работы им требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА). Компактные люминесцентные лампы чаще всего для своей работы используют современную электронную пускорегулирующую аппаратуру (ЭПРА). С газоразрядными лампами высокого давления ситуация аналогичная, для корректной работы лампы (или для ее зажигания) требуется наличие ПРА или ЭПРА. Для работы свето-
диодных ламп используются полупроводниковые преобразователи. Поэтому система освещения (как действующая, так и предлагаемая) рассматриваемой сельской школы является нелинейной нагрузкой [4, с. 1; 8, с. 42; 19, с. 90; 20, с. 140].
На рисунках 1-5 приведены примеры осциллограммы токов и спектрограммы токов высших гармоник различных источников света [6, с. 51; 7, с. 90; 17, с. 54]. Эта информация далее используется при моделировании сети школы.
ГОСТ 32144-2013 не ограничивает величину гармоник тока, однако большие величины этих гармоник приводят к следующим негативным последствиям: перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий [12, с. 17], дополнительные потери в силовых трансформаторах (вплоть до выхода из строя), ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей, повышенный износ, вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности, ускоренное старение изоляции проводов и кабелей, ухудшение качества (несинусоидальность) питающего напряжения, сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования, преждевременный выход из строя электродвигателей, резонансные явления в электро-
установках 0,4 кВ, снижение коэффициента мощности электроустановок.
ГОСТ 32144-2013 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в точках передачи электрической энергии [3, с. 5].
Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU в сети 0,4 кВ, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 8 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю.
Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU, усредненные в интервале времени 10 мин., не должны превышать 12 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Для исследования распространения и влияния ВГ тока на элементы систем электроснабжения и ЭП необходима разработка компьютерных моделей узлов нагрузки зданий. Разрабатываемые компьютерные модели необходимы для определения путей распространения ВГ тока, оценки перегрузки элементов электрических сетей, определения допустимой загрузки трансформаторов с учетом ВГ тока и определения количества нелинейных ЭП, которые могут привести к недопустимым коэффициентам несинусоидальности напряжения.
ЛЛ Т8 4x18 ЭмПРА (72 Вт) Рис. 1. Осциллограммы токов люминесцентных ламп Fig. 1. Oscillograms of currents of fluorescent lamps
КЛЛ Nakai (15 Вт) Рис. 2. Осциллограммы токов компактных люминесцентных ламп Fig. 2. Oscillograms of currents of compact fluorescent lamps
СДЛOSRAM (8 Вт) Рис. 3. Осциллограммы токов светодиодных ламп Fig. 3. Oscillograms of currents of LED lamps
Рис. 4. Осциллограммы токов светодиодного светильника СД 40 Fig. 4. Oscillograms of currents of LED light 40
Рис. 5. Осциллограммы токов светодиодного светильника СД 36 Fig. 5. Oscillograms of currents of an LED lamp LED 36
В соответствии с ГОСТ 32144-2013 суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ки устанавливается в точках передачи электрической энергии потребителям от энерго-снабжающей организации. Для школы такими точками могут быть:
1) шины ВРУ;
2) шины 0,4 кВ трансформаторных подстанций, питающих группу или одно здание.
Упрощенная схема узла нагрузки школы приведена на рисунке 6.
Рис. 6. Упрощенная схема узла нагрузки: 1 - нелинейная 3-х фазная; 2 - нелинейная однофазная; 3 - освещение; 4 - линейная нагрузка
Fig. 6. Simplified diagram of the load node: 1 - nonlinear 3-phase; 2 - nonlinear single-phase; 3 - lighting; 4 - linear load
Аналитический метод определения суммарного коэффициента гармонических составляющих тока К1 и напряжения Ки в зданиях использует метод ортогональных разложений. Данный подход предполагает, что в установившемся режиме работы ЭП кривая тока на интервале времени длительностью, равной периоду основной частоты, представляется отрезком ряда Фурье:
k
1 (t) = X ' sin(n t + )+ ^
(1)
n=1
где 1т фп - амплитуда и фаза и-й гармоники, et -случайная помеха или ошибка.
На основании разложения (1) и расчета эквивалентных сопротивлений сети производится оценка характеристик несинусоидальных режимов узлов электрической сети.
Данный метод весьма трудоемок, что объясняется: сложной топологией электрических сетей
зданий, большим количеством нелинейных ЭП, случайным характером количества одновременно работающих ЭП, случайным характером режимов работы ЭП, отсутствием достоверных данных о ВГ, генерируемых различными ЭП, и рядом других причин. Поэтому необходима разработка способов определения К1 и Ки в точках передачи электроэнергии на компьютерных моделях.
Для построения модели необходимо иметь математическое описание функции тока, которое может быть получено с помощью преобразования Фурье.
Преобразование Фурье - операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты («амплитуды») при разложении исходной функции на элементарные составляющие - гармонические колебания с разными частотами [9, с. 12].
Преобразование Фурье функции f(x) вещественной переменной является интегральным и задается следующей формулой:
f (р)=~— J f (*)■ e x
V2 ■ я -L
(2)
Так как в нашем случае функция /(х) может быть определена только по значениям в определенных точках, т. е. задана дискретно, необходимо воспользоваться дискретным преобразованием Фурье.
Дискретное преобразование Фурье сопоставляет некоторому набору вещественных чисел Хо ...хп набор комплексных чисел Хо ... Х^ по закону:
/.• 71 •!
Xk = Ц:
N
-■k-n
,k = 0,..., N-1. (3)
n=0
Т. е. функция преобразования, имея на входе некую сеточную функцию, на выходе имеет набор комплексных амплитуд, описывающих гармоники, на которые раскладывается сеточная функция.
Для упрощения дискретного преобразования используется алгоритм быстрого преобразования Фурье, доступного в пакете MathCad. Алгоритм быстрого преобразования заключается в упрощении вычисления дискретного преобразования Фурье, однако имеет следующее требование: количество точек входной функции должно быть равно 2п, где п - целое число.
Для примера получим значения сеточной функции, описывающей ток КЛЛ [16, с. 18], разбив полпериода протекания тока на 64 равных отрезка и определив длину каждого такого отрезка. Будем считать, что функция тока симметрична относительно оси абсцисс и не содержит четных гармоник, поэтому на отрицательной полуволне значения сеточной функции равны значениям на положительной полуволне, взятым с противоположным знаком. На рис. 7 изображен график, описывающий полученную сеточную функцию.
Рис. 7. Графическое представление сеточной функции для тока лампы КЛЛ Fig. 7. Graphical representation of the grid function for the current of a CFL lamp
Воспользуемся функцией FFT (fast fourier transform) пакета MathCad для полученной сеточной функции. Полученный набор комплексных амплитуд описывает величину амплитуды и начальную фазу 64-х гармонических составляющих функции. Отметим, что в разложении отсутствуют (равны ну-
лю) четные гармоники, т. к. сеточная функция симметрична относительно оси абсцисс. Определим значения амплитуд и фаз для 10-ти гармонических составляющих, не равных нулю (нечетные гармоники с 1-й по 19-ю). Результаты приведены на рисунках 8-9.
|хк
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
k
Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика сеточной функции тока лампы КЛЛ Fig. 8. Amplitude-frequency response of the grid current function of a CFL lamp
6
4
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 13 14 15 16 17 18 19 20
k
Рис. 9. Фазочастотная характеристика сеточной функции тока лампы КЛЛ Fig. 9. Phase-frequency characteristic of the grid current function of a CFL lamp
100
Фк 0 я
- 100
Зная значения амплитуд и начальных фаз гармонических составляющих искомой функции, ее можно определить как сумму этих гармонических составляющих [10, с. 449; 11, с. 297]:
N-1
j(t) = X(Xk ■ c°s(k • 2-ж-f • t + Фк )), (4)
k=0
где J (t) - функция, которая описывает кривую тока; k - номер гармонической составляющей; N - общее число гармонических составляющих; Xk - амплитуда k-й гармонической составляющей; f - базовая частота (50 Гц); t - время; - начальная фаза k-й гармонической составляющей.
Перед моделированием необходимо задать параметры нагрузки и системы, а также рассчитать параметры элементов питающей сети под выбранную нагрузку.
Моделирование электротехнических систем в MATLAB Simulink заключается в построении модели из элементов библиотек Simulink и SimpowerSystems. Для каждого элемента моделируемой системы выбирается и ставится в соответствие один или несколько элементов из этих библиотек с необходимыми параметрами. Для моделирования силовой части используются элементы библиотеки SimpowerSystems, а для моделирования информационной (измерительной) части - элементы библиотеки Simulink.
Так как информация о нелинейной нагрузке представлена в виде набора гармонических составляющих тока, то моделироваться она будет в виде набора элементов AC Current Source, представляющих собой источники тока, каждый из которых генерирует определенную гармоническую составляющую, которые в сумме дают необходимую форму тока.
Основные задачи при моделировании нелинейной нагрузки следующие:
- определение амплитуд гармонических составляющих для соответствия нагрузки определенной мощности;
- определение начальных фаз гармонических составляющих для создания трехфазной системы;
- создание маскированной подсистемы для упрощения изменения параметров нагрузки.
Рассмотрим вариант задания нелинейной нагрузки на примере компактных люминесцентных ламп КЛЛ (для всех остальных случаев процедура будет аналогична):
1. Определение амплитуд гармонических составляющих.
Для повторения формы тока КЛЛ достаточно знать соотношение амплитуд гармонических составляющих, на которые раскладывается сигнал тока, но для того, чтобы действующее значение тока соответствовало определенной мощности, необходимо знать точное значение амплитуд гармонических составляющих. Т. к. мощности нелинейной нагрузки известны, можно определить действующие значения тока по формуле (5).
с
I = , (5)
и
ном
где Бнел - полная мощность нелинейной нагрузки, ином - номинальное напряжение сети (220 В).
2. Определение начальных фаз гармонических составляющих.
Известно, что в трехфазной сети фазы напряжений ИА, Ив и Ис отличаются друг от друга на 120°. Т. к. нелинейная нагрузка моделируется включенными параллельно источниками тока, необходимо изменять начальные фазы гармонических составляющих таким образом, чтобы каждый набор источников тока соответствовал заданной фазе нагрузки. При этом необходимо помнить, что гармонические составляющие с номерами 1, 7, 13 и 19
составляют прямую последовательность, 5, 11 и 17 - обратную последовательность, а гармоники, кратные 3-м (3, 9, 15) - нулевую последовательность. Это означает, что сдвиг фазы для гармоник прямой
Таблица 3. Начальные фазы тока в фазах Table 3. Initial phases of the current in phases
последовательности равен 120°, -120° для гармоник обратной последовательности и 0° для гармоник нулевой последовательности. Определим начальные фазы тока в фазах сведем результат в таблицу 3.
№ гармонической составляющей/ № harmonic component 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
ФН А, ° ФН В, ° Фн С, °
-71,3 154,3 34,5 -80,3 164,7 50,6 -27,3 -113,3 139,5 55,1 48,7 154,3 -85,5 39,7 164,7 -69,4 92,7 -113,3 19,5 175,1 -191,3 154,3 154,5 -200,3 164,7 170,6 -147,3 -113,3 259,5 -64,9
3. Создание модели фазы нелинейной нагрузки в виде маскированной подсистемы.
Фаза нелинейной нагрузки моделируется десятью источниками тока (AC Current Source), со-
единенными параллельно (рис. 10). Т. к. Simulink не может моделировать параллельную работу источников тока, вводится дополнительное активное сопротивление R.
Рис. 10. Подсистема, моделирующая фазу нелинейной нагрузки Fig. 10. A subsystem modeling the phase of a nonlinear load
Каждый источник тока генерирует определенную гармоническую составляющую.
После определения параметров блоков, моделирующих силовую часть узла нагрузки, необходимо собрать их в графической оболочке Simulink в порядке, соответствующем схеме на рисунке 6, используя при этом информационно-измерительные блоки Three-Phase V-I Measurement, Current-Measurement, VoltageMeasurement, силовые выводы которых соединены с соответствующими выводами
рассмотренных блоков, а информационные выводы соединены с показывающими блоками Scope и Display. Значение напряжения с шин 10 кВ системы (после блока Three-PhaseSource) и шин 0,4 кВ (после блока Three-PhaseTransformer) также передается в блоки Simout для определения коэффициента несинусоидальности напряжения (Total Harmonic Distortion). Конечный вид Simulink-модели системы электроснабжения школы со всеми вспомогательными блоками показан на рисунке 11.
чо--
—"413'— -
Рис. 11. Модель системы электроснабжения сельской школы в Simulink Fig. 11. Model of the rural school power supply system in Simulink
Расчет высших гармоник. На рисунках 12 и 13 приведены полученные при моделировании осциллограммы напряжения на шинах ВРУ.
В таблице 4 приведены рассчитанные при помощи модели коэффициенты п-х гармонических составляющих напряжения на шинах ВРУ школы.
Рис. 12. Осциллограмма напряжения на шинах ВРУ при люминесцентных светильниках Fig. 12. Oscillogram of voltage on the buses of the VRU with fluorescent luminaires
Рис. 13. Осциллограмма напряжения на шинах ВРУ при светодиодных светильниках Fig. 13. Oscillogram of voltage on the buses of the ASU with LED fixtures
Таблица 4. Коэффициенты несинусоидальности напряжения
Table 4. Voltage non-sinusoidal factors
Гармонические составляющие напряжения, %/ Harmonic components of voltage,%
№ гармоники/ существующая система освещения школы реконструированная система освещения
Harmonic с люминесцентными светильниками/ школы с светодиодными светильниками/
number Existing school lighting system reconstructed school lighting system
with fluorescent lights with LED lights
1 100 100
3 4,83 2,96
5 0,55 0,82
7 0,23 0,23
9 1,91 1,42
11 0,43 0,32
13 0,51 0,49
15 1,65 0,75
17 0,45 0,30
19 0,33 0,20
THD 5,55 3,54
Результаты
В результате моделирования системы электроснабжения освещения сельской школы получили следующие коэффициенты гармонических составляющих напряжения:
- для существующей системы освещения школы с люминесцентными светильниками - 5,55 %;
- для реконструированной системы освещения школы со светодиодными светильниками - 3,54 %.
Обсуждение
Таким образом, коэффициент гармонических составляющих напряжения новой системы
освещения школы на основе светодиодных светильников будет ниже в 1,56 раза, чем действующей.
Заключение
Исследование нисинусоидальности напряжения до и после реконструкции системы освещения сельской школы показывает, что замена люминесцентных светильников на светодиодные оказывает положительное влияние на качество электроэнергии за счет снижения коэффициента гармонических составляющих напряжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Севостьянов А. А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебник для студ. высш. учеб. заведений. М. : Издательский центр «Академия», 2010. 224 с.
2. Воздействие гармоник - перегрузки оборудования [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.electrical-installation.org/ruwiki/Воздействие_гармоник_-_перегрузки_оборудования.
3. ГОСТ 32144 - 2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М. : Стандартинформ, 2014. 16 с.
4. Современные блоки питания АТХ и их характеристики [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.easycom.com.ua/data/power/0907282251/.
5. Терентьев П. В. Исследование качества и повышение эффективности использования электроэнергии в электротехнических комплексах служебных и жилых зданий : автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Нижний Новгород, 2014. 19 с.
6. Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Солнцев Е. Б., Терентьев П. В., Шевченко А. С. Исследование высших гармоник тока, генерируемых энергосберегающими источниками света // Промышленная энергетика. 2014. № 6. С. 51-55.
7. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Севостьянов А. А., Солнцев Е. Б., Терентьев П. В. К вопросу о повышении энергетической эффективности систем освещения в государственных (муниципальных) учреждениях и учреждения сферы услуг (на примере газоразрядных и светодиодных источников света) // Научный конгресс 16-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2014». Н. Новгород, 2014. С. 90-94.
8. АйзенбергЮ. Б. Современные проблемы энергоэффективного освещения // Энергосбережение. 2009. № 1. С. 42-47.
9. Арриллага Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах / Пер. с англ. М. : Энер-гоатомиздат, 1990. 320 с.
10. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М. : Высшая школа, 1996. 752 с.
11. Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. Основы теории цепей : учебник для вузов. М. : Энергия, 1975. 752 с.
12. Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Солнцев Е. Б., Юртаев С. Н., Терентьев П. В., Смирнов В. В. Анализ влияния нелинейной однофазной нагрузки на значение тока в нулевом проводе // Промышленная энергетика. 2013. № 12. С. 17-19.
13. Приказ Министерства экономического развития Российской Федерации от 17 февраля 2010 г. № 61 «Об утверждении примерного перечня мероприятий в области энергоснабжения и повышения энергетической эффективности, который может быть использован в целях разработки региональных, муниципальных программ в области энергоснабжения и повышения энергетической эффективности».
14. Симуткин М. Г. Разработка методов оценки влияния нелинейных электроприемников на режимы работы оборудования распределительных сетей : дис. ... канд. техн. наук: 05.14.02. Москва, МЭИ. 2014. 163 с.
15. Федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ от 23.11.09 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
16. Бодарт М., Денейер А., Кеппенс А., Рикарт У. Р., Ройзин Б. Характеристики компактных люминесцентных ламп со встроенными пускорегулирующими аппаратами и их сравнение с лампами накаливания // Светотехника. 2010. № 2. С. 18-24.
17. Цырук С. А., Янченко С. А. Гармонический анализ нелинейных электроприемников офисных центров // Промышленная энергетика. 2012. № 3. С. 54-62.
18. Гвоздев С. М., Панфилов Д. И., Поляков В. Д., Романова Т. К., Шестопалова И. П., Шевченко А. С., Хухтикова В. А. Энергоэффективное электрическое освещение : учебное пособие. М. : Издательский дом МЭИ, 2013. 288 с.
19. Солнцев Е. Б., Терентьев П. В. Анализ влияния современных светодиодных светильников на несинусоидальность напряжения (на примере школы) // Научный конгресс 18-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2016». Н. Новгород, 2016. С. 90-94.
20. Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Терентьев П. В., Малафеев О. Ю. Перспективы внедрения светодиодных источников света в государственных и муниципальных учреждениях // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы всероссийской научно-технической конференции. НГТУ. Н. Новгород, 2015. С. 140-145.
Дата поступления статьи в редакцию 16.03.2018, Принята к публикации 23.04.2018.
Информация об авторах: Бугров Сергей Александрович, кандидат технических наук, Директор ФГБУ Российское энергетическое агентство - Нижегородский ЦНТИ Адрес: ФГБУ Российское энергетическое агентство - Нижегородский ЦНТИ, 603000, Россия, Нижний Новгород, ул. Студеная, 8 E-mail: bugrovsa@gmail.com Spin-код: 4844-7732
Филатов Дмитрий Алексеевич, кандидат технических наук,
доцент кафедры «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства»
Адрес: ФГБОУ ВО Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Россия,
Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 97
E-mail: filatov_da@inbox.ru
Spin-код: 8417-4833
Терентьев Павел Валерьевич, кандидат технических наук,
доцент кафедры «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства»
Адрес: ФГБОУ ВО Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Россия,
Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 97
E-mail: terentyevpv@inbox.ru
Spin-код: 1644-5368
Заявленный вклад авторов: Бугров Сергей Александрович: общее руководство проектом, анализ и дополнение текста статьи. Филатов Дмитрий Алексеевич: сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста. Терентьев Павел Валерьевич: сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Vagin G. Ya., Loskutov A. B., Sevost'yanov A. A. Elektromagnitnaya sovmestimost' v elektroehnergetike [Electromagnetic compatibility in power industry], uchebnik dlya stud. vyssh. ucheb. zavedenij, Moscow: Publ. «Aka-demiya», 2010, 224 p.
2. Vozdejstvie garmonik - peregruzki oborudovaniya [Elektronnyj resurs]. Available at: http://ru.electrical-installation.org/ruwiki/Vozdej stvie_garmonik_-_peregruzki_oborudovaniya.
3. GOST 32144-2013. Sovmestimost' tekhnicheskih sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektri-cheskoj ehnergii v sistemah elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya [Compatibility of technical means electromagnetic. Standards of quality of electric energy in power supply systems of General purpose], Moscow: Standartin-form, 2014, 16 p.
4. Sovremennye bloki pitaniya ATH i ih harakteristiki [Elektronnyj resurs]. Available at: http://www.easycom.com.ua/data/power/0907282251/.
5. Terent'ev P. V. Issledovanie kachestva i povyshenie effektivnosti ispol'zovaniya elektroehnergii v elektro-tekhnicheskih kompleksah sluzhebnyh i zhilyh zdanij [Study of quality and efficiency improvement of electric power use in electrotechnical complexes of office and residential buildings. Ph. D. (Engineering) Thesis], Nizhnij Novgorod, 2014, 19 p.
6. Vagin G.Ya., Sevost'yanov A. A., Solncev E. B., Terent'ev P. V., Shevchenko A. S. Issledovanie vysshih garmonik toka, generiruemyh energosberegayushchimi istochnikami sveta [Investigation of higher current harmonics generated by energy-saving light sources], Promyshlennaya energetika [Industrial energy], 2014, No. 6, pp.51-55.
7. Vagin G. Ya., Loskutov A. B., Sevost'yanov A. A., Solncev E. B., Terent'ev P. V. K voprosu o povyshenii energeticheskoj effektivnosti sistem osveshcheniya v gosudarstvennyh (municipal'nyh) uchrezhdeniyah i uchrezhde-niya sfery uslug (na primere gazorazryadnyh i svetodiodnyh istochnikov sveta) [On the issue of increasing the energy efficiency of lighting systems in public (municipal) institutions and the establishment of the service sector (by the example of gas-discharge and LED light sources)], Nauchnyj kongress 16-go mezhdunarodnogo nauchno-promyshlennogo foruma «Velikie reki - 2014» [The scientific congress of the 16th International Scientific and Industrial Forum «Great rivers - 2014»], N. Novgorod, 2014, pp. 90-94.
8. Ajzenberg Yu. B. Sovremennye problemy ehnergoehffektivnogo osveshcheniya [Modern problems of energy-efficient lighting], Energosberezhenie [Energy saving], 2009, No. 1, pp. 42-47.
9. Arrillaga Dzh., Brehdli D., Bodzher P. Garmoniki v ehlektricheskih sistemah [Harmonics in electrical systems], Moscow: Energoatomizdat, 1990, 320 p.
10. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki [Theoretical foundations of electrical engineering], Moscow: Vysshaya shkola, 1996, 752 p.
11. Zeveke G. V., Ionkin P. A., Netushil A. V., Strahov S. V. Osnovy teorii cepej: uchebnik dlya vuzov [Fundamentals of the theory of circuits], Moscow: EHnergiya, 1975, 752 p.
12. Vagin G. Ya., Sevost'yanov A. A., Solncev E. B., Yurtaev S. N., Terent'ev P. V., Smirnov V. V. Analiz vliyaniya nelinejnoj odnofaznoj nagruzki na znachenie toka v nulevom provode [Analysis of the influence of a nonlinear single-phase load on the value of the current in a zero wire], Promyshlennaya energetika [Industrial energy], 2013, No. 12, pp. 17-19.
13. Prikaz Ministerstva ehkonomicheskogo razvitiya Rossijskoj Federacii ot 17 fevralya 2010 g. No. 61 «Ob utverzhdenii primernogo perechnya meropriyatij v oblasti ehnergosnabzheniya i povysheniya ehnergeti-cheskoj ehffektivnosti, kotoryj mozhet byt' ispol'zovan v celyah razrabotki regional'nyh, municipal'nyh programm v oblasti ehnergosnabzheniya i povysheniya ehnergeticheskoj effektivnosti».
14. Simutkin M. G. Razrabotka metodov ocenki vliyaniya nelinejnyh elektropriemnikov na rezhimy raboty oborudovaniya raspredelitel'nyh setej [Development of methods of estimation of influence of nonlinear electric re-
ceivers on operating modes of the equipment of distribution networks Ph. D. (Engineering) diss.], MEHI, Moscow, 2014, 163 p.
15. Federal'nyj zakon Rossijskoj Federacii No. 261-FZ ot 23.11.09 g. «Ob energosberezhenii i o povyshenii energeticheskoj effektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossijskoj Federacii».
16. Bodart M., Denejer A., Keppens A., Rikart U. R., Rojzin B. Harakteristiki kompaktnyh lyuminescentnyh lamp so vstroennymi puskoreguliruyushchimi apparatami i ih sravnenie s lampami nakalivaniya [Characteristics of compact fluorescent lamps with integrated ballasts and their comparison with incandescent lamps], Svetotekhnika [Lighting engineering], 2010, No. 2, pp. 18-24.
17. Cyruk S. A., Yanchenko S. A. Garmonicheskij analiz nelinejnyh elektropriemnikov ofisnyh centrov [Harmonic Analysis of Nonlinear Electrical Receivers of Office Centers], Promyshlennaya energetika [Industrial Energy], 2012, No. 3. pp. 54-62.
18. Gvozdev S. M., Panfilov D. I., Polyakov V. D., Romanova T. K., Shestopalova I. P., SHevchenko A. S., Huhtikova V. A. Energoehffektivnoe elektricheskoe osveshchenie [Energy-efficient electric lighting], uchebnoe poso-bie, Moscow: Publ. MEHI, 2013, 288 p.
19. Solncev E. B., Terent'ev P. V. Analiz vliyaniya sovremennyh svetodiodnyh svetil'nikov na nesinusoid-al'nost' napryazheniya (na primere shkoly) [Analysis of the influence of modern LED lighting on the non-sinusoidal voltage (on the example of the school)], Nauchnyj kongress 18-go mezhdunarodnogo nauchno-promyshlennogo foru-ma «Velikie reki - 2016» [Scientific Congress of the 18th International Scientific and Industrial Forum «Great rivers - 2016»], N. Novgorod, 2016, pp. 90-94.
20. Vagin G. Ya., Sevost'yanov A. A., Terent'ev P. V., Malafeev O. Yu. Perspektivy vnedreniya svetodiodnyh istochnikov sveta v gosudarstvennyh i municipal'nyh uchrezhdeniyah [Prospects for the introduction of LED light sources in state and municipal institutions], Aktual'nye problemy elektroehnergetiki: materialy vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii [Actual problems of electric power industry: materials of the all-Russian scientific and technical conference], NGTU, N. Novgorod, 2015, pp. 140-145.
Submitted 16.03.2018; revised 23.04.2018.
About the authors:
Sergey A. Bugrov, Ph. D. (Engineering), Director of FGBU Russian Energy Agency - Nizhegorodsky CNTI Address: Russian Energy Agency - Nizhny Novgorod Center for Strategic Research, 603000, Russia, Nizhny Novgorod, Studenaya Str., 8 E-mail: bugrovsa@gmail.com Spin-code: 4844-7732
Dmitry A. Filatov, Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the chair of Mechanization of Livestock and Electrification of Agriculture
Address: Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, 603107, Russia, Nizhny Novgorod, Gagarin Ave., 97 E-mail: filatov_da@inbox.ru Spin-code: 8417-4833
Pavel V. Terentyev, Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the chair of Mechanization of Livestock and Electrification of Agriculture
Address: Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, 603107, Russia, Nizhny Novgorod, Gagarin Ave., 97 E-mail: terentyevpv@inbox.ru Spin-code: 1644-5368
Contribution of the authors: Sergey A. Bugrov: managed the research project, analysing and supplementing the text. Dmitry A. Filatov: collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text. Pavel V. Terentyev: collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text.
All authors have read and approved the final manuscript.
