К вопросу обеспечения бесперебойного и гарантированного электропитания потребителей

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

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.

𝛲_н.п. = 𝛲_к.н. × 𝛫_п.н. (1)

где 𝛲_н.п. – величина мощности периодичной нагрузки включающейся кратковременно, с учетом коэффициента времени включения, Вт;

𝛲_к.н. – мощность периодичной нагрузки, включающейся кратковременно, Вт;

𝛫_п.н. – коэффициент времени включения периодичной нагрузки, %.

 (2)

где 𝛵_б.б – время автономности источника бесперебойного питания большой мощности;

𝛦_е.б – емкость аккумуляторных батарей, А ч.;

𝛲_н.п. – величина мощности периодичной нагрузки, включающейся кратковременно с учетом коэффициента времени включения, Вт;

𝛲_н.пост. – величина мощности нагрузки, включенной постоянно, Вт;

𝛫_а.б. – количество аккумуляторных батарей, установленных в ИБП, шт;

𝚄_а.б. – напряжение аккумуляторных батарей, В;

𝛫_{кпд.ибп.} – коэффициент полезного действия инвертора ИБП.

 (3)

где 𝛵_ЛОК.Б. – время автономности локального источника бесперебойного питания;

𝛦_е.б – емкость аккумуляторных батарей, Ач.;

𝛲_н.о.в.п. – величина мощности нагрузки особо важного потребителя, Вт;

𝛫а.б. – количество аккумуляторных батарей, установленных в ИБП, шт;

𝚄_а.б. – напряжение аккумуляторных батарей, В;

𝛫_{кпд.ибп.} – коэффициент полезного действия инвертора ИБП.

(4)

где 𝛵_в. – время автономности особо важного потребителя;

𝛵_ЛОК.Б. – время автономности локального источника бесперебойного питания;

𝛵_Б.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).