CC BY
180
УДК 621.318
В. М. Булатова, С. С. Амирова, Н. И. Чекунов СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ
И ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Ключевые слова: сети электроснабжения информационных систем, нелинейные нагрузки, токи высших гармоник, проблемы наличия в сетях токов высших гармоник.
В статье раскрываются вопросы, связанные с наличием большого количества нелинейных нагрузок в сетях электроснабжения информационных и компьютерных систем. Представлен алгоритм действий по устранению отрицательного воздействия токов высших гармоник на сети электроснабжения ниже 1 кВ.
Keywords: power supply network of information systems, nonlinear load, currents of higher harmonics,the problem of
availability in the networks of currents of higher harmonics.
The article is devoted to questions related to the presence of a large number of non-linear loads in the networks of electric power supply of information and computer systems. The algorithm of actions to the elimination of the adverse impact of currents of higher harmonics in the power supply networks with a voltage of below 1kV has been submitted.
Современные компьютерные системы это материальная основа современного информационного общества. За последние годы они серьезно изменили образ жизни и работу людей и сформировали новые требования к системам электроснабжения, обеспечивающих их надежное функционирование. Сегодня в России имеется серьезная проблема с обеспечением надежности работы сетей электроснабжения ниже 1 кВ, питающих информационные и компьютерные системы. Эти сети в большой степени находятся под влиянием высшими гармониками.
Проблема в данном случае не является чисто российской - все страны на определенном этапе развития компьютерных сетей сталкивались с ней и были вынуждены принимать меры, связанные с изменением технических регламентов эксплуатации, норм проектирования и разработкой соответствующей базы стандартов. С учетом того, что в стране в дальнейшем будет происходить увеличение количества компьютерной техники, актуальность данной проблемы будет только нарастать.
До недавнего времени, большую часть электрической энергии потребляли линейные нагрузки - лампы накаливания, нагревательные элементы, двигательная нагрузка и другие подобные потребители. С конца 1990-х годов резко возросла доля нелинейных потребителей. В первую очередь это персональные компьютеры, компьютерная периферия, мониторы, лазерные принтеры, блоки бесперебойного питания, копировальные аппараты и факсы, газоразрядные лампы и др. Для электропитания вышеперечисленного электронного оборудования используют встроенные импульсные источники питания, представляющие собой нелинейные нагрузки, сопротивление которых меняется с течением времени [1].
Ток, потребляемый этими источниками, имеет ярко выраженный импульсный характер, что объясняется схемными особенностями импульсных источников питания, а именно наличием сетевого выпрямителя (диодного моста) и сглаживающего емкостного фильтра. При приближении кривой питающего напряжения к максимальному значению электронные вентили диодного моста скачкообразно меняют свое сопротивление от бесконечности до определенного малого значения (такой характер изменения сопротивления вентиля равносилен включению или отключению им нагрузки). Периодическое включение и отключение приводит к появлению коротких импульсов. Эти токи представляют собой несинусоидальный периодический сигнал, который можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных сигналов с кратными частотами.
Ток, потребляемый системным блоком компьютера, в основном включает в себя 3-ю гармоническую составляющую. В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15%, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения, как правило, не возникает. При превышении указанного предела возникают различные проблемы в работе и эксплуатации питающих сетей.
Наличие высших гармонических составляющих в токах нелинейных
электропотребителей приводит к существенным негативным последствиям. Происходит перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий из-за их перегрузки токами третьей гармоники. В этом случае токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников согласно ПУЭ не предусмотрена. Необходимо указать также, что эти токи приводят к ускоренному тепловому старению изоляции питающих проводов и кабелей.
При наличии нелинейных электропотребителей, токи в нулевых рабочих проводниках превышают фазные в 1,73 раза, поэтому значения длительно допустимых токов в случае нелинейных электропотребителей должны быть снижены.
Важной проблемой для электроснабжения компьютерных сетей является искажение синусоидальности питающего напряжения. В соответствии импульсным характером нагрузки происходит искажение синусоиды напряжения на зажимах нагрузки, так как в момент броска тока увеличивается падение напряжения в сети.
Если предположить, что сопротивление сети относительно зажимов каждого отдельного потребителя равно нулю, то проблемы искажения синусоидальности напряжения не существовало бы. Но в реальности сеть для любого потребителя представляет собой определенное сопротивление. Несинусоидальные токи, протекая по этому сопротивлению, вызывают падение напряжения на нем. В результате на зажимах нелинейного потребителя и всех остальных потребителей, включенных параллельно ему, появляется несинусоидальное напряжение.
Несинусоидальность напряжения питающей сети приводит к следующим последствиям для импульсных источников питания:
- снижение уровня выпрямленного напряжения;
- увеличение тепловыделения в элементах импульсного источника питания;
- снижение устойчивости к кратковременным провалам напряжения [2].
Высшие гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах, которые приводят к значительным потерям энергии и в некоторых случаях являются причиной выхода из строя трансформаторов вследствие повышения нагрева.
Срок службы трансформатора резко снижается при повышении нагрева, что не позволяет использовать трансформатор на всю его номинальную мощность при несинусоидальном токе, и поэтому ее приходится занижать. Например, полная загрузка трансформатора может наступить при использовании лишь 80% номинальной мощности, указанной в его паспортных данных. Превышение данного уровня приведет к быстрому снижению срока службы трансформатора, так как будет превзойден предел допустимой температуры нагрева элементов конструкции трансформаторов. Превышение на 10° С сокращает срок службы трансформатора примерно в 2 раза. Если это не учитывать и использовать трансформатор на номинальную мощность, срок его службы может сократиться с 40 лет до 40 дней.
Высокочастотные токи являются причиной появления повышенных токов в обмотках трансформатора, что также вызывает дополнительные потери мощности и перегрев. Для линейных нагрузок потери на вихревые токи составляют довольно малую долю в общих потерях (приблизительно 5%). С нелинейной нагрузкой они становятся более значительными и иногда возрастают в 15...20 раз [3].
В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов, предназначенных для компенсации реактивной мощности нагрузки и
повышения коэффициента мощности электроустановок здания. Однако в условиях несинусоидальности тока батареи конденсаторов одновременно являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте.
Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивный характер, при применении установок компенсации реактивной мощности и наличии нелинейных электропотребителей вероятны появление резонансных явлений на отдельных элементах системы электроснабжения как по току, так и по напряжению.
Повышение нагрева из-за наличия токов высших гармоник сокращает срок службы электрооборудования вследствие увеличения 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. В электрических машинах токи нулевой последовательности создают дополнительное подмагничивание стали, что приводит к ухудшению их характеристик и дополнительному нагреву сердечников электрических машин: статоры асинхронных двигателей, магнитопроводы трансформаторов.
Сущность электрического старения заключается в возникновении частичных разрядов, которые распространяются только на часть изоляционного промежутка. Частичные разряды связаны с рассеянием энергии, следствием которого являются электрическое, механическое и химическое воздействия на окружающий диэлектрик. В результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к увеличению диэлектрических потерь и, в конечном счете, к сокращению срока службы электрооборудования. Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.
Необходимо отметить, что вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств, обусловленного протеканием несинусоидальных токов, происходит ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей.
Там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены в относительной близости друг к другу, могут возникать большие помехи в сетях телекоммуникаций.
Учитывая, что большинство офисов располагается в основном в зданиях построенных двадцать тридцать лет назад, спроектированных и смонтированных для эксплуатации линейных потребителей, а также значительный рост нелинейных нагрузок в последнее время, необходим особый и сугубо профессиональный подход к эксплуатации систем электроснабжения таких зданий. Можно предложить определенный алгоритм действий и предложений, предназначенный для реализации на объектах для предупреждения проблем, возникающих в электроснабжении компьютерных и информационных систем из-за воздействия нелинейных нагрузок.
На первом этапе необходимо выделить полную номенклатуру всех электропотребителей общего назначения, относящихся к категории нелинейных и вызывающих генерацию высших гармоник в сетях электроснабжения.
На втором этапе, если определяется, что на объектах доля нелинейных электропотребителей 10% и выше, в целях предупреждения развития пожароопасных и аварийных ситуаций, необходимо провести диагностику состояния 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.
При выполнении проектных работ по реконструкции или строительству новых объектов, необходимо учитывать влияние нелинейности нагрузок электропотребителей и
наличие высших гармонических составляющих на системы электроснабжения. Также немало важным является прогнозирование возможных последствий роста компьютерных нагрузок при расширении компьютерных сетей, особенно при использовании существующей системы электроснабжения (без проведения ее модернизации).
Таким образом, до недавнего времени гармоники в электрических сетях создавали относительно мало проблем, за исключением нескольких специальных случаев. С ростом числа и мощности искажающих нагрузок, присоединенных к электрическим сетям, ситуация изменилась, что требует разработки стандартов, ограничивающих уровень гармоник в сетях. Введение таких стандартов, позволило бы добиться выполнения следующих целей:
1. Снижения искажения синусоидальных токов и напряжений до значений, допустимых для сетей электроснабжения, их оборудования и устройств управления, а, следовательно, снижение отрицательного влияния этих гармоник на работу компьютерных и информационных систем. Особенно уязвимыми в этом отношении являются конденсаторные батареи, системы сигнализации и устройства, использующие принцип коммутации в момент перехода напряжения через нуль;
2. Обеспечение информационных и компьютерных систем электроэнергией с допустимым уровнем искажения синусоидальности напряжения;
3. Снижения отрицательного влияния систем электроснабжения на работу информационных и компьютерных систем [5].
Литература
1. Абдуллин, И.А. Оценка соответствия условий эксплуатации и поверки информационноизмерительных систем количества нефти в магистральных нефтепроводах/ И.А.Абдуллин и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №12. ч. 1. - С.489.
2. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятия / И.В. Жежеленко. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.
3. Кубацкий, В.Г. Качество электроэнергии и электромагнитная совместимость технических средств в электрических сетях / В. Г. Кубоцкий. - Братск : БрГТУ,1999. - 220 с.
4. Железко, Ю. С. Расчет анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях / Ю. С. Железко, А.В. Артемьев, О.Д. Савченко. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003 - 278 с.
5. Дьяков, А.Ф. Электромагнитная совместимость и молниезащита в электроэнергетике: учебник для вузов / А.Ф. Дьяков, И. П. Кружекин, Б. К. Максимов, А. Г. Темников ; под ред. проф. А. Ф. Дьякова.
- М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 455с.
© В. М. Булатова - канд. пед. наук, доц. каф. ЭТЭОП НХТИ КНИТУ, Ьи1а1оуауепега@ mail.ru; С. С. Амирова - д-р пед. наук, проф. каф. ЭТЭОП НХТИ КНИТУ; Н. И. Чекунов - ст. препод. той же кафедры.
