CC BY
31
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 1
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
УДК 621.316.925.001.4 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-1-56-60
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛИНИЙ УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
© 2018 г. А.И. Троицкий1, С.С. Костинский1, Н.Н. Власенко2, Т.З. Химишев1
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия,
2ООО «Кубаньэнергоконтроль», г. Краснодар, Россия
RESEARCH OF INFLUENCE OF A SUPPLY VOLTAGE ON POWER EFFICIENCY OF LINES OF STREET LIGHT
A.I. Troitsky1, S.S. Kostinsky1, N.N. Vlasenko2, T.Z. Khimishev1
1Platov South Russian State Polytechnical University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2 LLS «Kubanenergokontrol», Krasnodar, Russia
Троицкий Анатолий Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Костинский Сергей Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Власенко Наталья Николаевна - инженер, ООО «Кубань-энергоконтроль», г. Краснодар, Россия.
Химишев Тимур Заурович - аспирант, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Troitsky Anatoly Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor of department «Electro Supply and the Electric Drive», Platov South Russian State Polytechnical University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Kostinsky Sergey Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of department «Electro Supply and the Electric Drive», Platov South Russian State Polytechnical University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Vlasenko Natalia Nikolaevna - the engineer of LLS «Kubanenergokontrol», Krasnodar, Russia.
Khimishev Timur Zaurovich - post-graduate student, of department «Electro Supply and the Electric Drive», Platov South Russian State Polytechnical University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Приводятся результаты обработки пассивного эксперимента на ТП № 130 городских электрических сетей города Майкопа в течение времени суточного включения уличного освещения. При этом на получасовых интервалах усреднения фиксировалось потребление активной, реактивной мощностей отдельных фаз, их совокупностей, токов фаз при изменении напряжения питания линий уличного освещения, а также графики напряжения фаз. Установлено, что система электроснабжения уличного освещения работает неэффективно. В целях повышения энергоэффективности уличного освещения рекомендуются автоматическое управление напряжением питания линий уличного освещения.
Ключевые слова: уличное освещение; потери активной мощности; светодиодный светильник уличного освещения; вольт-амперная характеристика.
The provisions. Results of processing of passive experiment on the transformer plant № 130 city electrical networks of a city of Maikop during time of daily inclusion of street light are resulted. Thus on half-hour intervals of averaging consumption of active, jet powers of separate phases, their sets, currents ofphases was fixed at a supply variation of lines of street light, and also a drawing of voltage ofphases. It is established, that the system of electrosupply of street light works inefficiently. With a view of increase ofpower efficiency of street light automatic control of a supply voltage of lines of street light or application of thyristor terminators of voltage are recommended.
Keywords: street light; active power losses; the light-emitting diode fixture of street light; volt of amperes the characteristic.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
Нормирование потерь электроэнергии -это установление приемлемого (нормального) по техническим и экономическим критериям уровня потерь электроэнергии (норматива потерь), включаемого в тарифы на электроэнергию [1, 2].
Под основными потерями понимают вынужденные потери электроэнергии в симметричном, синусоидальном и равномерном режимах, с активной нагрузкой [3]. Дополнительные потери возникают при отклонении показателей качества электроэнергии от нормативных значений, поэтому актуальным является вопрос об их влиянии на потери активной мощности в распределительных сетях [4].
Известно [5], что потери мощности и энергии в электрических сетях энергосистемы увеличиваются при уменьшении напряжения. Зависимость потерь энергии от напряжения выражается прямой линией. На 1 % уменьшения напряжения потери увеличиваются на 1 %. Естественно, что увеличение напряжения в нормируемых пределах приводит к снижению потерь. Однако в сетях уличного освещения (УО) города Майкопа, в силу вольт-амперных характеристик (ВАХ) светодиодных светильников (рис. 1), хорошо аппроксимируемых прямой линией, энергопотребление (рис. 2) возрастает при увеличении напряжения их питания [6, 7].
I, мА
320
290
1 \
^2
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика светодиодного светильника 1 и ее аппроксимация полиномом первого порядка 2 / Fig. 1. Volt-ampere characteristic of the light-emitting diode fixture 1 and its approximation by a polynom of the first order 2
При увеличении напряжения питания светодиодного светильника на 1 В увеличивается ток, потребляемый светильником, на 0,7 мА. Динамическое сопротивление светильника в диапазоне изменения напряжения 200 ... 250 В практически не изменяется и равно 1428,6 Ом. При увеличении напряжения питания светодиодного светильника на 1 В его активная мощность возрастает на 0,45 Вт.
Р, Вт 70 65
60
55200
1-_
2
210
220
230
240
U,B
Рис. 2. График изменения активной мощности светодиодного светильника от напряжения его питания 1 и его аппроксимация полиномом первого порядка 2 / Fig. 2. The schedule of change of active power of the light-emitting diode fixture from voltage of its power supplies 1 and its approximation by a polynom of the first order 2
В ночное время в городских сетях имеют место провалы нагрузки (рис. 3), поэтому на зажимах трансформаторов, от которых подключены линии УО, напряжение возрастает. На рис. 3 приведен график нагрузки режимного дня.
Р, МВт
Рис. 3. Суточный график потребления активной мощности центра питания «Черёмушки» г. Майкопа / Fig. 3. The daily schedule of consumption of active power of power supplies «Cheryomushki» of a city of Maikop
Графики изменения напряжения фаз на отрезке времени включения освещения с 21 часа 4 августа до 5 часов 5 августа 2016 г. трансформатора ТП № 130 приведены на рис. 4.
Во время эксперимента на исследуемом интервале времени напряжение фаз на головных участках линий УО, подключённых к ТП № 130, оказалось выше номинального (220 В) и изменялось с 232 до 238 В. Измеренные значения напряжения хорошо аппроксимируются полиномом третьего порядка. Среднее значение напряжения в интервале суточного включения освещения - 236 В. При номинальном напряжении активная мощность светильника равна 62 Вт, а при среднем напряжении - 69 Вт.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
U, В
235
230
о о
4 N .1 * i 1 / . 1 • ___ "" * 2 Y> 6 5
L / Л //' SS '3
о о <ч
<N
О
о
о о
¿5 О
О О
О О <ч о
о о
о о ■it о
о о
- изменения потребления активных мощностей фаз (рис. 6);
Р. Вт
300
200
t, ч
100
3 ^ \....."...... 5 ..... m------- ......- ----- \....... ' 2
4 / 1 / * •
232
234
236
238
U,B
Рис. 4. График изменения напряжения от времени суток: 1, 2,
3 - измеренные значения напряжения соответственно в фазах L1, L2, L3; 4, 5, 6 - аппроксимация измеренных значений
полиномом третьего порядка соответственно в фазах L1, L2, L3 / Fig. 4. The schedule of a voltage variation from time
of days: 1, 2, 3 - the measured importances of voltage accordingly in phases L1, L2, L3; 4, 5, 6 - approximation of the measured importances by a polynom of the third order accordingly in phases L1, L2, L3
На основе экспериментальных данных по ТП № 130, полученных с использованием радиоканалов управления УО города Майкопа на отрезке времени включения освещения с 21 часа
4 августа до 5 часов 5 августа 2016 г. построены следующие графики:
- вольт-амперные (статические) характеристики нагрузок фаз УО (рис. 5), подключённых к ТП № 130;
I, А 1,5
0,5
\4 6 -------------------- ........ A * .......\..... 3
\ ' 5 2
4 / 1 / —•-- ш -*-
232
234
236
238
U,B
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики нагрузок фаз уличного освещения: 1, 2, 3 - измеренные значения тока и напряжения соответственно в фазах L1, L2, L3; 4, 5,
6 - аппроксимация измеренных значений тока и напряжения полиномом первого порядка соответственно в фазах L1, L2, L3 / Fig. 5. Volt-ampere characteristics of loadings of phases of street light: 1, 2, 3 - the measured importances of a current and voltage accordingly in phases L1, L2, L3; 4, 5, 6 - approximation of the measured importances of a current and voltage a polynom of the first order accordingly in phases L1, L2, L3
Рис. 6. Графики изменения потребления активной мощности фаз уличным освещением от напряжения: 1, 2, 3 - измеренные значения активной мощности и напряжения соответственно в фазах L1, L2, L3; 4, 5, 6 - аппроксимация измеренных значений активной мощности и напряжения полиномом первого порядка соответственно в фазах L1, L2, L3 / Fig. 6. Schedules of change of consumption of active power of phases street light from voltage: 1, 2, 3 - the measured importances of active power and voltage accordingly in phases L1, L2, L3; 4, 5, 6 - approximation of the measured importances of active power and voltage a polynom of the first order accordingly in phases L1, L2, L3
- изменения совокупного потребления активной мощности (рис. 7) трёх фаз УО при изменении напряжения питания.
0,70
0,65
0,60
P, кВт
< 2
\ 1
t, ч
Рис. 7. График изменения потребления активной мощности уличным освещением в трёх фазах от времени суток: 1 - измеренные значения активной мощности; 2 - аппроксимация измеренных значений активной мощности полиномом седьмого порядка / Fig. 7. The schedule of change of consumption of active power street light in three phases from time of days: 1 - the measured importances of active power; 2 - approximation of the measured importances of active power by a polynom of the seventh order
Потребление активной мощности в фазах увеличивалось при увеличении напряжения. Измеренные значения активной мощности фаз
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЕ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 1
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
хорошо аппроксимируются полиномом первого порядка (отрезком прямой линии). В силу неодинаковой загрузки фаз положительные тангенсы углов наклона отрезков фаз различны. Пропорциональная зависимость потребления активной мощности от напряжения подтверждается ВАХ нагрузок фаз (рис. 5) - прямыми линиями, параллельными оси абсцисс.
При напряжении 220 В активная мощность трех фаз УО, запитанного от ТП № 130, составляет 0,585 кВт. Следовательно, при поддержании напряжения 220 В на зажимах (входных) фаз, потребление активной электроэнергии за 8 ч составит 4,68 кВтч. Реальное потребление активной электроэнергии трех фаз УО, запитанно-го от ТП № 130, в соответствии с рис. 7 составляет 5,278 кВтч. Превышение потребления активной электроэнергии за 8 ч составляет 11,3 % от потребления при поддержании напряжения 220 В на зажимах (входных) фаз УО. Следует отметить, что полученная величина превышения соответствует летнему месяцу, в котором время включения УО минимально. В среднем за год величина превышения потребления активной электроэнергии трех фаз УО, запитанного от ТП № 130, составляет 27,3 %.
Годовой расход активной электроэнергии системы УО, запитанного от ТП № 130, составляет 3801 кВтч, в том числе превышение за счет повышенного напряжения - 1038 кВтч.
Стоимость 1 кВтч для УО г. Майкопа 5,24 руб., следовательно, стоимость превышения активной электроэнергии за счет повышенного напряжения 5437 руб. за 1 год.
Измеренные значения потребления совокупной активной мощности трёх фаз (рис. 7) аппроксимируются полиномом седьмого порядка, поскольку нагрузки фаз несимметричны. Общая тенденция увеличения потребления активной мощности при увеличении напряжения фаз сохраняется и для изменения совокупной активной нагрузки (рис. 7).
На основе результатов обработки экспериментальных данных следует, что:
- система электроснабжения УО работает неэффективно, так как увеличиваются электропотребление светильников, а также освещённость улиц в ночное время в сравнении с вечерним временем;
- напряжение питания линий УО, запитан-ных от ТП № 130, не удовлетворяет требованиям стандарта [8] по отклонениям напряжения.
Выводы
1. В целях повышения энергоэффективности УО рекомендуются автоматическое управление напряжением питания линий УО, что не входило в задачи статьи и требует дополнительной проработки на предмет выбора датчиков, средств, протоколов и схем управления освещением.
2. В силу несимметрии нагрузок УО рекомендуется применение в качестве средств поддержания номинального напряжения как сухих симметрирующих трансформаторов марки ТСТ, которые служат для выравнивания значений напряжения фаз и способствуют энергосбережению за счет сохранения уровня напряжения, так и тиристорных ограничителей напряжения.
Литература
1. Троицкий А.И., Надтока И.И. Рациональное использование электрической энергии при её транспортировке: учеб. пособие для энергетиков / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. 224 с.
2. Троицкий А.И. Уравновешивание токов нулевой последовательности: монография / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. 170 с.
3. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Бараненко Т.К., Горпинич А.В., Нестерович В.В. Избранные вопросы несинусоидальных режимов в электрических сетях предприятий / под. ред. И.В. Жежеленко. М.: Энергоатомиздат, 2007. 296 с.
4. Костинский С.С. Снижение сверхнормативных потерь в трансформаторах, установленных в распределительных сетях // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. № 1. С. 132 -133.
5. Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Казанцев В.Н. [и др.] Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1983. 368 с.
6. Троицкий А.И., Костинский С.С., Власенко В.И., Хими-шев Т.З. Преимущества и недостатки ретрофита уличного освещения при установке светодиодных светильников, а также их влияние на потери активной мощности в трансформаторах распределительных сетей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2016. № 2. С. 53 - 61.
7. Троицкий А.И., Костинский С.С., Химишев Т.З., Синдец-кий В.Ю. Оценка влияния несимметрии и несинусоидальности в линиях уличного освещения на энергоэффективность трансформаторов распределительных сетей // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: материалы 13-й Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 25 июня 2015 г. / Юж.-Рос. гос. политехи. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016. С. 81 - 88.
8. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
References
1. Troitskii A.I., Nadtoka I.I. Ratsional'noe ispol'zovanie elektricheskoi energiipri ee transportirovke [Rational use of electric energy at its transportation: the manual for energetics]. Novocherkassk, YuRGTU, 2004, 224 p.
2. Troitskii A.I. Uravnoveshivanie tokov nulevoi posledovatel'nosti [Equilibration of currents of zero sequence: the monography]. Novocherkassk, YuRGTU, 2001, 170 p.
3. Zhezhelenko I.V., Saenko Yu.L., Baranenko T.K., Gorpinich A.V., Nesterovich V.V. Izbrannye voprosy nesinusoidal'nykh rezhimov v elektricheskikh setyakh predpriyatii [The selected questions of nonsinusoidal modes in distributive networks of the factories]. Moscow, Energoatomizdat, 2007, 296 p.
4. Kostinskii S.S. Snizhenie sverkhnormativnykh poter' v transformatorakh, ustanovlennykh v raspredelitel'nykh setyakh [Decrease in Excess Losses in the Transformers Installed in Distributive Networks]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromek-hanika = Russian Electromechanics, 2013, no. 1, pp. 132-133. (In Russ.)
5. Vorotnitskii V.E., Zhelezko Yu.S., Kazantsev V.N. i dr. Poteri elektroenergii v elektricheskikh setyakh energosistem [Electric power losses in electric networks of power supply systems]. Moscow, Energoatomizdat, 1983, 368 p.
6. Troitskii A.I., Kostinskii S.S., Vlasenko V.I., Khimishev T.Z. Preimushchestva i nedostatki retrofita ulichnogo osveshcheniya pri ustanovke svetodiodnykh svetil'nikov, a takzhe ikh vliyanie na poteri aktivnoi moshchnosti v transformatorakh raspredelitel'nykh setei [Decrease in Excess Losses in the Transformers Installed in Distributive Networks]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2016, no. 2, pp. 53-61. (In Russ.)
7. Troitskii A.I., Kostinskii S.S., Khimishev T.Z., Sindetskii V.Yu. [Estimation of Influence of Asymmetry and not Sinusoidal in Lines of Street Light on Power Efficiency of Transformers of Distributive Networks]. Sovremennye energeticheskie sistemy i kompleksy i upravlenie imi: Materialy 13-oi Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Modern power systems and complexes and management of them: Materials 13th International nauch.-prakt. conferences]. Novocherkassk, YuRGTU, 2015, pp. 81-88. (In Russ.)
8. GOST 32144-2013. Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya [State Standard 32144-2013. Electric energy. Compatibility of means the electromagnetic. Norms of quality of electric energy in systems of electrosupply of a general purpose]. Moscow, Standartinform, 2014, 16 p.
Поступила в редакцию /Receive 10 ноябрь 2017 г. /November 10, 2017
