Введение
В настоящее время возникают проблемы с износом электротехнического оборудования в электрических сетях, что приводит к ухудшению качества эксплуатации и увеличению простоев в электроснабжении. Чтобы предотвратить перебои электроснабжения электроприемников первой категории, необходимо предусмотреть дополнительный независимый источник питания. В последнее время все большую популярность приобретают ИБП в качестве такого независимого источника. Почти все промышленные объекты и административные здания имеют в своей структуре электроприемники первой категории по надежности электроснабжения. Большинство таких приемников чувствительны к перерывам в электроснабжении и отклонениям от нормативных параметров качества электроэнергии. Сбои в электроснабжении таких потребителей, а также оборудования для связи могут представлять угрозу для жизни людей, безопасности государства и причинять значительный материальный ущерб.
Цель работы – повышение надёжности энергоснабжения у объектов с особо важными потребителями.
Основная часть
Результаты исследований, проведенных в США фирмами Bell Labs и IBM, показывают, что каждая система под управлением компьютера подвергается воздействию 120 нештатных ситуаций в месяц, связанных с электропитанием. По данным Bell Labs, в США наиболее часто встречаются следующие сбои питания, представленные в таблице [1, 2].
Таблица
Причинный состав сбоев электропитания и его процентное соотношение
|
Причина отказа электрической сети |
Причина возникновения аварийной ситуации в сети |
Процентное соотношение |
|---|---|---|
|
Провалы напряжения |
Резкое увеличением нагрузки в сети из-за включения мощных потребителей (промышленное оборудование, лифты и т. д.) |
87 % |
|
Высоковольтные импульсы |
Близкий грозовой разряд или включение напряжения на подстанции после аварии |
7,4 % |
|
Полное отключение напряжения |
Является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции |
4,7 % |
|
Слишком большое напряжение |
Кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей |
0,7 % |
Наиболее частой неполадкой в электрической сети можно считать пониженное напряжение [3, с. 13-15]. В данных ситуациях использование схемы электроснабжения, основанной на двух независимых источниках питания (вторая группа надежности электроснабжения) с применением АВР, рассматривается как нецелесообразное ввиду отсутствия защиты от колебаний напряжения сети и изменений частоты. Само изменение частоты не считается критическим для оборудования, но при низкой частоте часто возникают сильные гармонические искажения, которые могут негативно отразиться на функционировании технического оборудования. В таких случаях рекомендуется применять систему обеспечения гарантированного электропитания и систему бесперебойного питания, особенно если есть потребители, которые требуют высокой надежности в электроснабжении. [4]. На объектах, где внедрены системы обеспечения гарантированного или бесперебойного электропитания определяется количество и категория потребителей, продолжительность автономной работы. Также разрабатывается план электроснабжения и распределения энергии в случае отключения основного источника питания.
Система гарантированного электропитания
Рис. 1. Дизель генератор FUBAG DS 14000 DA ES
Если на объекте используется только дизель-генераторная установка (ДГУ) (рис. 1) в качестве резервного источника энергии, то обеспечение электропитания объекта осуществляется по схеме гарантированного электроснабжения. Система гарантированного электропитания (рис. 2) обеспечивает непрерывное электроснабжение потребителям первой категории в случае отключения основной сети питания. (согласно гл. 1.2.17 ПУЭ) [5], при этом параметры электрического тока должны соответствовать ГОСТ32144-2013 [6, с. 3-14].
Рис. 2. Принципиальная схема исполнения гарантированного питания
Система гарантированного электропитания обеспечивает непрерывное электроснабжение для подключенных потребителей. Она автоматически запускает дизель-генератор (не более трех попыток), если в течение 9 секунд возникают отклонения от требований ГОСТ32144-2013 в базовой сети питания, и при полной потере электроэнергии.
Система бесперебойного электропитания
Рис. 3. ИБП серии ACU, ИБП СЕРИИ СМ-СТ
При применении на объекте источника бесперебойного питания (ИБП) в качестве резервного источника энергии (рис. 3) объект обеспечивается бесперебойным электропитанием в соответствии со схемой бесперебойного электропитания. Потребители, которые получают электропитание от источника бесперебойного питания (ИБП), называются потребителями бесперебойного электропитания. Система бесперебойного электропитания обеспечивает непрерывное электроснабжение для потребителей первой категории специальной группы, сохраняя синусоидальную форму напряжения в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013 (согласно гл. 1.2.17 ПУЭ). Если выбрано бесперебойное питание объекта, то используется следующая конфигурация (рис. 4). Система бесперебойного электропитания обеспечивает непрерывное электроснабжение для потребителей электроэнергии, подключенных через ИБП, без нарушения синусоидальной формы напряжения, обеспечивает полное регулирование напряжения на выходе, гарантирует чистую синусоидальную форму выходного напряжения, а также обеспечивает максимальную защиту от отключений, перепадов, всплесков и скачков напряжения.
Рис. 4. Принципиальная схема исполнения бесперебойного питания
Обе эти схемы можно встретить в стандартах при разработке систем электроснабжения потребителей, которые относятся к первой и первой особенной группе по надежности электроснабжения. Определяя тип ИБП, учитывается возможность разделения оборудования на группы, а также идет выбор способа резервирования источника.
Выполняя требования по внутренним техническим характеристикам к параметрам резервирования, время автономной работы от ИБП установлено не менее 60 минут для объекта с дежурным техническим персоналом и не более 120 минут в случае его отсутствия. Наиболее простой и распространенной является система, где каждый элемент защищен отдельным ИБП, который подбирается с учетом его мощности и уровня защиты, а также индивидуально для каждого из защищаемых элементов. Компоненты системы могут быть выбраны независимо друг от друга [3, с. 13-15]. При проектировании системы бесперебойного питания учитывается рекомендации электросетевых компаний и внутренние технические требования предприятий. Важно учитывать не только критичность нагрузки к питающему напряжению, но и другие факторы, включая простоту конструкции, удобство применения, надежность и экономичность схемы электроснабжения. Исходя из изложенного, предлагается применение следующей схемы электроснабжения объекта, которая является наиболее сбалансированной и проверенной на практике. Она доказала свою эффективность в плане экономичности и надежности (рис. 5).
Рис. 5. Предлагаемая комбинированная схема электроснабжения объекта
Для этого подготавливается список используемого оборудования (потребителей), который будет разделен на три категории [7, с. 27-29]:
- Первая группа включает приборы, которые работают постоянно и не имеют собственного источника питания (например, датчики, камеры и другое электрооборудование систем технологического управления).
- Вторая группа состоит из приборов, которые работают непрерывно (включены в схему гарантированного питания), но имеют собственный источник бесперебойного питания (как правило, это ПК, мониторы и т. д.).
- Третья группа состоит из приборов, которые будут включаться периодически и на короткое время (например, сирены, узлы пожаротушения и т. д.).
На основе предложенной схемы непрерывного электроснабжения для особо важных потребителей (рис. 6) время автономной работы будет определяться с использованием формул 1, 2, 3 и 4.
𝛲н.п. = 𝛲к.н. × 𝛫п.н. (1)
где 𝛲н.п. – величина мощности периодичной нагрузки включающейся кратковременно, с учетом коэффициента времени включения, Вт;
𝛲к.н. – мощность периодичной нагрузки, включающейся кратковременно, Вт;
𝛫п.н. – коэффициент времени включения периодичной нагрузки, %.
(2)
где 𝛵б.б – время автономности источника бесперебойного питания большой мощности;
𝛦е.б – емкость аккумуляторных батарей, А ч.;
𝛲н.п. – величина мощности периодичной нагрузки, включающейся кратковременно с учетом коэффициента времени включения, Вт;
𝛲н.пост. – величина мощности нагрузки, включенной постоянно, Вт;
𝛫а.б. – количество аккумуляторных батарей, установленных в ИБП, шт;
𝚄а.б. – напряжение аккумуляторных батарей, В;
𝛫кпд.ибп. – коэффициент полезного действия инвертора ИБП.
(3)
где 𝛵ЛОК.Б. – время автономности локального источника бесперебойного питания;
𝛦е.б – емкость аккумуляторных батарей, Ач.;
𝛲н.о.в.п. – величина мощности нагрузки особо важного потребителя, Вт;
𝛫а.б. – количество аккумуляторных батарей, установленных в ИБП, шт;
𝚄а.б. – напряжение аккумуляторных батарей, В;
𝛫кпд.ибп. – коэффициент полезного действия инвертора ИБП.
(4)
где 𝛵в. – время автономности особо важного потребителя;
𝛵ЛОК.Б. – время автономности локального источника бесперебойного питания;
𝛵Б.Б. – время автономности источника бесперебойного питания большой мощности.
Выводы
Одной из основных проблем в электроснабжении таких потребителей является пониженное или повышенное напряжение в сети, что приводит к множеству аварийных ситуаций при работе компьютерных систем управления электрооборудованием предприятий. Применение резервирования не решает эту проблему.
Рассмотрены наиболее распространенные схемы электропитания промышленных объектов, которые не в полной мере обеспечивают качественное и бесперебойное питание электропотребителей. На основании технических требований и опыта эксплуатации крупных промышленных Российских компаний предложена перспективная схема для модернизации существующих вариантов систем электроснабжения объектов, включающая питание от двух независимых источников, использования ДГУ и двухэтапного бесперебойного питания. Представлена методика выбора ИБП по нагрузке и распределению подключаемых мощностей по группам, которая позволяет выбирать ИБП не только по нагрузке, но и по необходимой длительности автономии (для крупных предприятий опыт эксплуатации показывает, что необходимое время автономии от 60 до 120 минут).
