О влиянии работы электронного оборудования на силовые электрические сети

Григорьев О. Петухов В. Соколов В. Красилов И. О влиянии работы электронного оборудования на силовые электрические сети // КомпьютерПресс. 2003 . №1. C. 138-139

Материальной основой современного информационного общества, безусловно, является компьютер. За последние 10 лет он не только изменил образ жизни и работы миллиардов людей, но и, в свою очередь, сформировал новые требования к технической инфраструктуре, обеспечивающей его собственное функционирование.



Центр электромагнитной безопасности в последние три года в ходе выполнения ряда работ исследовал состояние систем электроснабжения 0,4 кВ в крупнейших зданиях Москвы, содержащих компьютерные сети численностью от 20 до более тысячи компьютеров. Анализ данных собственных измерений, подкрепленных затем анализом зарубежных научно-технических публикаций, общение с коллегами из IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers), привели нас к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Суть ее состоит в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, ?заражены? высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

Сразу хотим отметить, что проблема в данном случае не является исключительно российской ? на определенном этапе концентрации компьютерной техники с ней столкнулись все страны и были вынуждены принимать решительные меры, включая кардинальное изменение технических регламентов эксплуатации, норм проектирования и разработки соответствующей базы стандартов. С учетом того, что наша страна рассчитывает, в том числе благодаря реализации Федеральной программы ?Электронная Россия?, на увеличение компьютерного парка в разы, считаем, что актуальность проблемы со временем будет нарастать.

Техническая подоплека вопроса заключается в следующем. В недалеком прошлом большая часть электрической энергии потреблялась линейными нагрузками ? лампами накаливания, нагревательными элементами (ТЭН), двигательной нагрузкой и другими подобными электропотребителями. С конца 90-х годов резко возросла доля нелинейных электропотребителей, таких как персональные компьютеры и файл-серверы, компьютерная периферия, мониторы, лазерные принтеры, блоки бесперебойного питания (UPS), а также другое обязательное офисное оборудование ? копировальные аппараты и факсы; газоразрядные лампы и другие нелинейные электропотребители. Дело в том, что для электропитания вышеперечисленного электронного оборудования используются встроенные импульсные источники питания, представляющие собой нелинейные нагрузки, сопротивление которых изменяется с течением времени.

Ток, потребляемый этими источниками, имеет ярко выраженный импульсный характер. Это объясняется схемными особенностями импульсных источников питания, а именно наличием сетевого выпрямителя (диодного моста) и сглаживающего емкостного фильтра. Другими словами, ток, потребляемый такими электропотребителями, в отличие от синусоидального тока линейных нагрузок, представляет собой периодический несинусоидальный сигнал.

Чем же плох ток от компьютера?

В случаях когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15% общего потребления мощности, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В зданиях, где доля нелинейной нагрузки превышает 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу же.

Наличие высших гармонических составляющих в токах нелинейных электропотребителей приводит к следующим негативным, а в ряде случаев и к катастрофическим последствиям:

1. Возможен и весьма вероятен перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники, когда токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников не предусмотрена (п.1.3.10 ПУЭ). Необходимо также отметить ускоренное старение изоляции при повышении рабочей температуры токонесущих проводников.

При линейной, даже самой мощной, нагрузке ток в нулевом рабочем проводнике будет меньше, чем максимальный ток в фазных проводниках. Совсем иная ситуация складывается при наличии нелинейных нагрузок ? в этом случае ток в нулевом рабочем проводнике может превышать ток в фазе более чем в 1,5 раза.

2. Искажение синусоидальности питающего напряжения. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является деформация синусоиды напряжения, действующей на зажимах нагрузки. Синусоида напряжения становится ?плоской? по форме, так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении сети (см. рисунок).

Рассмотрим последствия воздействия ?плоской? синусоиды на импульсный источник питания:

? снижение уровня выпрямленного напряжения;

? увеличение тепловыделения в элементах импульсного источника питания;

? снижение устойчивости к кратковременным провалам напряжения.

3. Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и стать причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева.

Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, в силу поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву и к уменьшению срока его службы.

Превышение температуры на 10? сокращает срок службы трансформатора примерно в два раза.

4. В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки, то есть для повышения коэффициента мощности электроустановки здания. Однако в условиях несинусоидальности тока батареи конденсаторов одновременно являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети. Они изменяют нормальный путь гармоник тока от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая часть этого тока через себя.

5. Сокращение срока службы электрооборудования возникает из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С ростом температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к дополнительному нагреву конденсаторов.

6. Необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей в результате дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств, обусловленного протеканием несинусоидальных токов и, следовательно, действием поверхностного эффекта и эффекта близости.

7. Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей. Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.

8. Помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены в относительной близости. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока, в кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшую роль в проблеме влияния на телекоммуникации играют гармоники, кратные трем. Чем выше порядок гармоники, тем больше уровень помех, наведенных ими в телекоммуникационных кабелях.

Пути решения проблемы

С учетом того, что большинство офисов располагается в зданиях постройки 20-30-летней давности, спроектированных и смонтированных для эксплуатации линейных электропотребителей, а также того, что в последнее время наблюдается значительный рост нелинейных нагрузок, необходим особый и сугубо профессиональный подход к эксплуатации систем электроснабжения таких зданий.

Безусловно, исходя из менталитета большинства руководителей эксплуатирующих служб в нашей стране необходимо подождать изменений в действующей нормативной базе, прежде всего в ПУЭ. И конечно, можно ждать, пока ?грянет гром?, особенно если оборудование, здание, прямые и косвенные потери, включая упущенную выгоду за время простоя, застрахованы от ?необъяснимых? аварий в системе электроснабжения здания.

Тем не менее мы разработали определенный алгоритм действий и предложений, предназначенных для реализации на по-настоящему серьезных объектах, где тратят деньги на предупреждение проблем,а не на ликвидацию их последствий. Приводим их ниже.

1. Выделить полную номенклатуру всех электропотребителей общего назначения, относящихся к категории нелинейных и вызывающих генерацию повышенной доли высших гармоник в сетях электроснабжения.

2. На объектах с долей установленной мощности нелинейных электропотребителей 10% и выше в целях предупреждения развития пожароопасных и аварийных ситуаций провести диагностику состояния и прогнозирование работы сети электропитания в плане 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 при 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, 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.