Влияние светодиодных источников света на спектры токов и напряжений питающей сети

Конечно, основным источником гармонических искажений в распределительных сетях являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей. Однако в последние годы отмечается значительное ухудшение качества электрической энергии в сетях непромышленных потребителей – торговых комплексов, наружного освещения, офисных зданий, учебных заведений, жилых зданий.

Цель исследований . Анализ влияния светодиодных источников света на спектральный состав токов и напряжений питающих распределительных сетей.

Материалы и методы исследований . С введением в России Федерального закона от 23.11.2009. № 261-ФЗ (ред. от 18.07.2011) "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации", который стимулирует потребителей к применению энергосберегающих технологий и устройств с нелинейными вольт-амперными характеристиками, проблема качества электроэнергии в сетях общего назначения продолжает усложняться.

В современных электроосветительных сетях все больше используются энергоэкономичные световые приборы, к которым, прежде всего, относятся светодиодные лампы и прожекторы. Для распределительных сетей они служат нелинейной нагрузкой.

Для измерения основных показателей качества электроэнергии, а также гармонических составляющих тока и напряжения, использовался анализатор качества электроэнергии PM175 SATEC. Измерения проводились в соответствии с методикой, подробно изложенной в [3]. Для измерений была использована схема трехпроводного прямого соединения без трансформаторов тока (рис. 1).

Рис. 1. Схема проведения измерений

Измерения гармонического состава токов и напряжений для каждого типа световых приборов проводились в течение 4 ч.

Результаты исследований и их обсуждение . Внешний вид исследуемых источников света представлен на рис. 2. Измерения проводились в лабораторных условиях и для получения симметричной нагрузки в каждую фазу включалось по одному световому прибору соответствующего типа. Первоначально измерялись параметры светодиодных световых приборов по отдельности, а затем были проведены измерения всей группы исследуемых бытовых ламп и прожекторов (колонка «ВСЕ»).

а                         б

в

г                   д                      е                         ж

Рис. 2. Внешний вид исследуемых устройств

Потребителями являлись следующие источники света:

• -    прожекторы светодиодные мощностью 10 Вт на фазу (рис. 2, а );

• -    прожекторы светодиодные мощностью 20 Вт на фазу (рис. 2, б );

• -    маломощные светодиодные лампы мощностью 4 Вт на фазу (рис. 2, в );

• -    светодиодные лампы мощностью 15 Вт на фазу (рис. 2, г );

• -    светодиодные светильники мощностью 102 Вт на фазу (DYMA-ДКУ-121-100-220 ) (рис. 2, д );

• -    светодиодные светильники мощностью 50 Вт на фазу (DYMA-ДКУ-131-44-220) (рис. 1,е);

  -светодиодные светильники мощностью 90 Вт на фазу (Diora 90) (рис. 2, ж ).

Источники света, показанные на рис. 2, а, б, в, г , чаще всего используются в бытовых устройствах и внутреннем освещении помещений. Прочие светотехнические устройства предлагаются к использованию для освещения автомобильных трасс и жилой застройки города.

Источники света были приобретены в розничной торговой сети, изготовлены самыми разнообразными производителями светотехнического оборудования. Все измерения выполнялись одними теми же измерительными приборами в одинаковых внешних условиях и в течение одинакового времени работы.

Следует отметить, что мощность для светодиодных светильников наружного освещения фактически оказалась меньшей, чем заявленная в паспорте.

Данные, полученные в результате измерений, сведены в табл. 1 (гармонический состав токов), в которой приводятся данные для нечетных гармонических составляющих. Относительные значения четных гармоник не превышают 1 % и поэтому не приводятся.

Мощность светодиодных светильников

Таблица 1

Номер гармонической составляющей	Тип осветительных приборов
	Гармонический состав токов осветительных приборов (в % к фазному току)
	СД 10 Вт	СД 20 Вт	Лампа 4Вт	Лампа 15 Вт	DYMA-ДКУ-121-100-220	DYMA-ДКУ-131-44-220	Diora 90	ВСЕ
3	93	14,2	32	37,1	11,1	11,0	15,0	25,6
5	82	95	13,7	14,2	7,0	7,2	9,0	44,6
7	69,8	92	12,9	10,4	3,2	5,2	6,8	18,6
9	60	9,8	10,1	9,3	1,1	1,0	2,1	20,1
11	55	77	7,7	3,3	3,9	1,6	2,8	13,6
13	53	73	9,2	6,75	2,9	2,5	2,42	17,7
15	50,9	6,8	4,4	5,46	11	14,5	18	12,3
Ток фазы	0,01 А	0,04 А	0,03А	0,13А	0,36 А	0,2 А	0,32 А	0,34
Коэф. мощ.	0,62	0,98	0,65	0,77	0,635	0,9	0,765	0,78

Данные по спектральным составам напряжений сведены в табл. 2.

Спектральный состав напряжений

Таблица 2

Номер                               Тип осветительных приборов гармони-          Гармонический состав напряжения осветительных приборов (в % к фазному)

ческой составляющей	СД 10 Вт	СД 20 Вт	Лампа 4Вт	Лампа 15 Вт	DYMA-ДКУ-121-100-220	DYMA-ДКУ-131-44-220	Diora 90	ВСЕ
3	3,2	5,2	5,8	5,24	0,43	0,36	0,4	5,8
5	0,45	2,19	2,7	2,52	1,7	2,13	1,52	1,4
7	0,39	0,73	1,15	0,72	1,2	1,5	0,9	0,97
9	0,18	0,55	0,99	0,7	0,2	0,14	0,15	0,5
11	1,11	0,75	0,73	0,55	0,75	0,32	0,79	0,73
13	0,53	0,48	0,52	0,56	0,3	0,3	0,33	0,45

Как следует из табл. 1–2, все источники света имеют в спектрах токов весьма существенную величину гармонической составляющей 3-го порядка (3-ю гармонику), а светодиодные прожекторы вплоть до 15-й. Это не может не сказаться на появлении токов в нулевом проводе, так как еще раз подчеркнем, что нагрузка на фазы была полностью симметричной. Кроме того, следует учесть, что в табл. 1 приводятся средние значения уровней гармонических составляющих за период проведения измерений. Если рассматривать мгно- венные значения, то величины высших гармонических составляющих тока будут еще больше. В то же время спектральный состав напряжений светотехнических приборов находится в полном соответствии с ГОСТ 13109-97. Напоминаем, что нормально-допустимыми в соответствии с ГОСТ являются уровни гармонических составляющих 8 %, а предельно допустимыми – 12 %. Кроме измерения величин гармонических составляющих тока и напряжения, проводились измерения тока в нулевом проводе. Данные измерений совместно с данными об уровне потребляемого тока приведены в табл. 3.

Измерение тока в нулевом и фазном проводе

Таблица 3

Уровень тока	Тип осветительных приборов
	СД10 Вт	СД 20 Вт	Лампа 4Вт	Лампа 15Вт	DYMA-ДКУ-121-100-220	DYMA-ДКУ-131-44-220	Diora 90	ВСЕ
В нулевом проводе	0,01 А	0,003А	0,032А	0,16А	0,2А	0,08А	0,32 А	0,81
В фазном проводе	0,01А	0,04 А	0,03А	0,14А	0,36 А	0,2 А	0,32А	1,1А
Соотношение I 0 /I ф	1,0	0,075	1,06	1,14	0,56	0,4	1,0	0,74

Данные табл. 3 позволяют сделать выводы о том, что использование маломощных светодиодных прожекторов, светодиодных ламп и светильников наружного освещения типа Diora 90 особенно опасно в случае старой электропроводки и в зданиях, а также в сети наружного освещения, так как уровни токов в нулевом проводе превышают уровни фазных токов, что может привести к перегоранию нулевого провода и к аварии в системе электроснабжения. Кроме того, использование светодиодных световых приборов приводит, как следует из табл. 1, к существенному снижению коэффициента мощности.

Diora 90           Лампа 15 Вт                Все

Рис. 3. Осциллограммы токов

Заключение . В сетях освещения, в которых используются приборы на основе светодиодов, наблюдаются значительные искажения формы кривых токов. В качестве иллюстрации можно привести осциллограммы токов в точке соединения с сетью (рис. 3).

Достаточно часто коэффициент искажения синусоидальности кривой тока превышает 30 % даже при полностью симметричной нагрузке. Это вызывает значительное увеличение потерь по сравнению с синусоидальным режимом. Кроме того, появление гармоник, кратных трем, приводит к существенному росту тока в нулевом проводе. А это может привести к аварии, вызванной повреждением нулевого провода.

Поэтому при использовании светодиодных источников света необходимо в обязательном порядке предусматривать мероприятия по поддержанию качества электроэнергии и надежности систем электроснабжения. Наибольший эффект получается при использовании специальных компенсирующих устройств – активных и пассивных фильтров гармоник.

Наиболее простым решением для наружного освещения будет установка пассивных фильтров гармоник в распределительной сети освещения. В [4] показано, что наибольшую эффективность такой фильтр имеет, если он включается в сеть одновременно с включением электроприемника, для которого предназначен. Со световыми приборами бытового назначения не все так однозначно, так как невозможно прогнозировать количество и распространенность таких световых приборов у населения. Поэтому для решения такой задачи наиболее подходящими были бы активные фильтры [5].

Стоимость пассивного фильтра для компенсации двух гармонических составляющих тока в этом случае составит порядка 30–35 тыс. руб. (по предварительной оценке, приведенной в [4]). Согласно методике, изложенной тамже, в результате использования таких фильтров экономия будет не менее 5 % от затрат на оплату электроэнергии. А вот стоимость активного фильтра для бытовой сети будет, как минимум, на порядок выше.