Системы и источники бесперебойного питания

Для электрических сетей общего назначения Российской Федерации характерны невысокая надежность электроснабжения и низкое качество электроэнергии.
На снижение надежности и качества электрической энергии влияет:

• несоответствие характеристик производителей и потребителей электроэнергии, что особенно проявляется в переходных процессах нагрузки и источников;
• устаревшие схемы электрических сетей;
• износ и ухудшение технических параметров оборудования;
• наличие преобразователей электроэнергии с низкими характеристиками;
• природно-климатические факторы;
• диверсии и ошибки в электрических сетях.

В этих условиях создание системы бесперебойного питания   является важной предпосылкой устойчивой работы оборудования, чувствительного к перебоям в электроснабжении и к ухудшению качества электроэнергии.
В  промышленности системы бесперебойного питания должны обеспечить надежную бесперебойную работу оборудования наиболее ответственных потребителей 1-й категории, включая потребителей особой группы в случаях длительных (не менее суток) пропаданиях напряжения на двух вводах питающей сети; кратковременных провалах напряжения питающей сети; импульсных и кратковременных перенапряжений; электрического шума (электромагнитная интерференция, приводящая к нарушению синусоидальной формы питающего напряжения).

К потребителям электрической энергии особой группы 1-й категории относятся:

• локальные вычислительные сети;
• системы КИПиА, АСУ, ЭХЗ, связи;
• охранная и пожарная сигнализация (включая охранное телевидение);
• аварийное освещение, а также другие потребители в соответствии с назначением объекта.

К потребителям электрической энергии 1-й категории относятся:

• объекты добычи, транспортировки газа и нефтепродуктов;
• подземные хранилища газа;
• котельные установки;
• системы пожаротушения;
• рабочее освещение;
• собственные нужды систем бесперебойного питания, а также другие потребители с соответствующими нормами и назначением объекта.

Расчет потребляемой мощности, сечения силовых кабелей и проводов для питания оборудования особой группы 1-й категории должен производиться в соответствии с их паспортными данными;
при отсутствии данных на оборудование информационных технологий в проектах рекомендуется использовать следующие показатели нагрузки:

• одно автоматизированное рабочее место — 0,43 кВ-А;
• один сервер — 3 кВ-А;
• активное сетевое оборудование на 1 00 рабочих мест  — 1 ,4 кВ-А;
• один прибор КИПиА — 0,03 кВ-А;
• коэффициент использования рабочих мест — 0,8.

Основными компонентами систем бесперебойного питания являются вводные распределительные устройства (ВРУ) и источники бесперебойного питания. Наряду с источниками бесперебойного питания  в систему питания электроэнергетических  объектов   могут включаться дизель-генераторные установки (ДГУ), при этом реализуется схема системы бесперебойного гарантированного электропитания (СБГЭ).

В соответствии с ПУЭ п. 1 .2.1 8 питание потребителей 1 -й категории должно обеспечиваться от двух независимых взаиморезервирующих источников, для потребителей особой группы 1-й категории должен предусматриваться и третий независимый взаиморезервирующий источник. Организация ввода электрической энергии от независимых источников питания производится в вводных распределительных устройствах. В типовых решениях систем питания с использованием дизель-генераторные установок часто в помещениях с вводными распределительными устройствами устанавливаются устройства автоматического включения резервного питания (АВР). 

Устанавливаемые на электроэнергетических объектах   источники бесперебойного питания  должны отвечать требованиям ГОСТ 27699 — 88 и ГОСТ 50745 — 95, а их производство сертифицировано по стандарту ISO9001.
Основными задачами источников бесперебойного питания  в системе бесперебойного питания являются:

• обеспечение питания ответственных потребителей на время не менее 15 мин при нарушениях в работе электрической сети;
• повышение качества электрической энергии, получаемой от питающей сети и поступающей к ответственным потребителям;
• создание гальванической развязки электрическая сеть — ответственный потребитель для решения вопросов электрической безопасности.

ИБП в составе систем бесперебойного питания должны:

• работать в широком диапазоне изменения входного напряжения (не менее ±15 %);
• иметь как можно более близкое к единице значение коэффициента входной мощности, что позволяет наиболее корректно работать совместно с дизель-генераторные установками;
• иметь высокую перегрузочную способность (не менее 200 % в течение 1 мин и 1 25 % в течение 1 0 мин) и устойчивость к большим фазовым перекосам;
• иметь коэффициент гармонических искажений на входе не более 8 %;
• иметь КПД не ниже 92 — 94 %;
• иметь в своем составе (или иметь возможность подключить) разделительный трансформатор;
• иметь возможность параллельного включения однотипных систем;
• при переходе на питание от аккумуляторной батареи переключаться без разрыва синусоиды (система on-line);
• иметь удобную и гибкую систему управления;
• использовать высококачественные герметичные необслуживаемые свинцово-цинковые кислотные аккумуляторные батареи со сроком службы до 1 0 лет;
• обладать развитым программным обеспечением (мониторинг, автоматическое управление локальной вычислительной сетью, удаленное оповещение);
• быть удобными в обслуживании и ремонте.

Источники бесперебойного питания, работающие в составе систем бесперебойного питания (или СБГЭ) предъявляют определенные требования к сетям, нагрузке, вспомогательным системам, помещениям и т.д., в том числе:

• к сетям и нагрузке;
• питающая сеть до источников бесперебойного питания  выполняется 3-х фазной 4-х или 5-ти проводной с номинальным напряжением до 380 В;
• питающая сеть от источников бесперебойного питания  до групповых распределительных щитков выполняется 3-х фазной 5-ти проводной с номинальным напряжением 380 В;
• распределительная сеть от групповых щитков до токоприемников должна быть однофазной, 3-х проводной;
• потери напряжения в распределительных сетях от источников бесперебойного питания  до самого удаленного токоприемника  не  должны  превышать
• 3,0 %;
• нагрузка по фазам должна быть распределена равномерно.

К системе пожаробезопасности:

• электропомещения систем бесперебойного питания по пожарной опасности относятся к категории «Г»;
• специальных требований к системе пожаротушения в помещении, где размещается оборудование систем бесперебойного питания не предъявляется.

К системе заземления и зануления:

• заземления   должны объединять в себе функции трех систем — системы защитного заземления;
• системы технологического заземления;
• системы заземления молниезащиты;
• на объектах с источниками бесперебойного питания  для измерительной техники и средств связи должны быть выполнены две системы заземления — защитное и технологическое (рабочее);
• защитное и технологическое заземления могут быть выведены на одно заземляющее устройство;
• действующее значение тока в нулевом проводе в выделенных сетях с компьютерами в 1,5—1,8 раза превосходит ток в фазном проводе, поэтому сечение нулевого провода должно определяться по нагреву согласно ПУЭ гл. 1.3 и в любом случае должно быть не менее сечения фазного провода;
• все металлические, нормально не находящиеся под напряжением части электроустановки, должны быть присоединены к защитному заземлению;
• средства информационных технологий (компьютеры, серверы и т.п.) должны быть присоединены к системе технологического заземления;
• в качестве заземлителей технических средств измерительной техники, связи и информационных технологий рекомендуется использовать искусственные заземлители;
• не следует использовать трубопроводы, водоводы и оболочки кабелей, выходящие за пределы контролируемой зоны;
• при отсутствии особых требований предприятий-изготовителей сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом в любое время года.

К помещениям для размещения источников бесперебойного питания  и аккумуляторных батарей:

• ИБП должны размещаться в специально подготовленных помещениях;
• подготовка помещений производится в соответствии с требованиями ПЭУ гл. 4.3, а также требованиями технической документации предприятий-изготовителей;
• при подготовке помещений для размещения аккумуляторных батарей необходимо учитывать, что в системах бесперебойного питания используются герметичные необслуживаемые свинцовые (свинцово-цинковые) кислотные батареи;
• в соответствии с требованиями ПУЭ п. 4.4.30 герметичные аккумуляторные батареи источников бесперебойного питания  могут устанавливаться в общих производственных невзрыво- и непожароопасных помещениях при условии установки над ними вентиляционного зонта;
• при этом класс помещений в отношении взрыво- и пожароопасности не изменяется;
• помещения аккумуляторных батарей должны быть изолированы от попадания в них пыли, испарений и газа, а также от проникновения воды через перекрытия и легко доступны для обслуживающего персонала;
• системы водяного отопления в пределах помещений с аккумуляторными батареями должны выполняться гладкими трубами, соединенными сваркой; фланцевые соединения и установка вентилей на системах отопления в пределах таких помещений не допускается;
• помещения с установленными в них герметичными аккумуляторными батареями относятся к производствам категории «Г» и должны размещаться в здания не ниже II степени огнестойкости по противопожарным требованиям;
• двери и оконные рамы этих помещений могут быть деревянными;
• помещения аккумуляторных батарей допускается выполнять без естественного освещения;
• допускается также размещение аккумуляторных батарей в сухих подвальных помещениях.

К системам вентиляции и кондиционирования:

• используемые технологические системы кондиционирования должны обеспечивать круглосуточный и круглогодичный режим фильтрации воздуха, вентиляции и охлаждения помещения при эксплуатации в диапазоне температур наружного воздуха от —35 до +40 °С;
• системы кондиционирования должны обладать автономным режимом охлаждения, который обеспечивает эксплуатацию оборудования при отключении основного питания в течение заданного времени;
• в проектах должны использоваться энергосберегающие системы кондиционирования;
• в помещениях для аккумуляторных батарей необходимо обеспечивать кондиционирование воздуха для круглогодичного обеспечения температуры в интервале от 15 до 25 °С и влажности до 85 % (при температуре свыше 25 °С резко снижается срок службы батарей, а при температуре ниже 15 °С снижается емкость батарей).

К защите от несанкционированного доступа:
все помещения систем бесперебойного питания должны быть защищены от несанкционированного доступа, должны иметь закрывающиеся на замок двери и быть оборудованы охранной сигнализацией.

Выбор типа источников бесперебойного питания  производится на стадии разработки проектной рекомендации на системы бесперебойного питания. Основную часть рынка источников бесперебойного питания  мощностью свыше 10 кВ-А, позволяющих решать основные задачи системы бесперебойного питания, составляют источники бесперебойного питания  с двойным преобразованием типа «on-line». Фирмой АРС (США) выпускаются мощные источники бесперебойного питания  серии Silcon DP300E, построенные по новой технологии дельта-преобразования.

Традиционные источники бесперебойного питания  с двойным преобразованием тока с управляемым тиристорным выпрямителем успешно используются более 20 лет.
Технология двойного преобразования отработана и системы достаточно надежны, однако они обладают тремя существенными недостатками:

• являются причиной негармонических искажений тока в магистральной электрической сети и, таким образом, потенциально могут вызывать нарушение работы другого оборудования, соединенного с магистральной электрической сетью;
• вносят дополнительную реактивную составляющую, снижая коэффициент мощности сети cosφ;
• имеют значительные энергетические потери, так как принципом получения выходного переменного тока является первичное преобразование в форму постоянного тока, а затем снова преобразование в форму переменного тока, поставляемого ответственному потребителю (обычно около 10 % энергии теряется в процессе такого двойного преобразования).

Новый принцип преобразования (Delta-conversion), разработанный и запатентованный (Patent Direction in Copenhagen № 157274 от 30.04.90) фирмой Silcon (подразделение фирмы АРС), лишен указанных недостатков. Существенным отличием нового принципа преобразования является прохождение переменного тока от магистральной сети через первичную обмотку дельта-трансформатора в нагрузку.

Рис. Принципы преобразования:
а — двойное преобразование; б — дельта — преобразование

Источники бесперебойного питания, использующие дельта-преобразование, не вносят собственных нелинейных искажений в питающую электросеть. Более того, они защищают ее от нелинейных искажений. Сравнение источников бесперебойного питания  с двойным и дельта-преобразованием показывает:

1. Источники бесперебойного питания  с дельта-преобразованием по целому ряду технических параметров (КПД, входной коэффициент мощности, генерация гармоник тока на входе, перегрузочная способность и других) существенно превосходят традиционные источники бесперебойного питания .
2. Источники бесперебойного питания  с дельта-преобразованием имеют практически идеальную электромагнитную совместимость с сетями и дизель-генераторами. Чтобы соответствовать источникам бесперебойного питания  с дельта-преобразованием, источники бесперебойного питания  двойного преобразования должен быть дополнительно оборудован на своем входе компенсатором коэффициента мощности и гармоническим фильтром и иметь в своем составе двенадцатиимпульсный выпрямитель. При этом традиционный источник будет значительно уступать источникам бесперебойного питания  с дельта-преобразованием по стоимостным характеристикам.
3. Для источников бесперебойного питания  двойного преобразования при работе с дизель-генераторные установками мощность генератора должна в 3 — 5 раз превышать мощность источника. В случае применения источников бесперебойного питания  с дельта-преобразованием диапазон указанного параметра составляет от 1 до 2.
4. При работе генератора с источниками бесперебойного питания  с дельта-преобразованием генератор может нагружаться постепенно (плавный старт осуществляется за счет программного изменения входного тока). При работе с традиционным источниками бесперебойного питания  имеет место скачкообразный наброс нагрузки на генератор.
5. Источники бесперебойного питания  с дельта-преобразованием, по сравнению с источниками бесперебойного питания  с двойным преобразованием, значительно сильнее ослабляет гармоники напряжения как со стороны входа, так и со стороны выхода.
6. ИБП с дельта-преобразованием по сравнению с традиционными источниками существенно более экономичен в эксплуатации.

Для сравнения в таблице ниже приведены эксплуатационные характеристики источников бесперебойного питания  с двойным преобразованием и с дельта-преобразованием. В таблице приведена техническая характеристика источников бесперибойного питания типа DP 300E. Номенклатурный ряд данного типа источников бесперебойного питания  включает десять единиц. Все источники DP300E работают от трехфазной сети напряжением 380 В (в диапазоне 304 — 437 В), с трехфазным выходом на напряжение 380 В.

Эксплуатационные параметры источников бесперебойного питания  с двойным преобразованием и с дельта-преобразованием

Разброс выходного напряжения составляет: при статической симметричной нагрузке ±1 %, при статической асимметричной нагрузке ±3 %. Источники DP300E предполагают возможность подключения в параллель до десяти устройств. Это дает возможность при необходимости наращивать или создавать резервный запас мощности системы. Специальный интеллектуальный контроллер обеспечивает высокую эффективность работы параллельной системы за счет перевода в часы малой нагрузки части устройств в режим ожидания, а при увеличении мощности нагрузки автоматически и без перерыва в подаче питания ввода «ожидающих» устройств в работу.
На рис. 2 приведена типовая принципиальная электрическая схема источника, построенная по принципу СБГЭ и реализованная фирмой «ТехноСерв А/С» в проектах.
На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема подключения системы бесперебойного питания.

Рис. 2. Типовая принципиальная электрическая схема СБГЭ:
N — нейтральный провод; О — заземление

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема подключения системы бесперебойного питания