Лекция 7

Лекция 7
Раздел «Резервные системы электроснабжения»
Тема «Резервные системы электроснабжения»
1. Конструирование резервных систем
электроснабжения
2. Компоненты систем резервного электроснабжения
3. Примеры систем резервного электроснабжения
4. Мотор-генераторные установки
5. Передаточные ключи
Термин «Резервные системы
электроснабжения» обозначает
оборудование, размещенное между
сетью электроснабжения и
электрической нагрузкой и
предназначенное для увеличения
надежности электроснабжения
нагрузки.
1. Конструирование резервных систем
электроснабжения
Конструирование резервных систем электроснабжения для
различных нагрузок требует учета следующих факторов.
Надежность и связанные с ней вопросы:
•Каково качество электроэнергии в конкретной сети
электроснабжения?
•Каковы последствия (цена) воздействия на конкретную
нагрузку возможных возмущений в сети электроснабжения?
•Будет ли требоваться непрерывная работа системы?
•Какая потребуется надежность системы в терминах средней
наработки на отказ, минут в год непригодности к
использованию, уровня эксплуатационной готовности или в
других мерах?
Обслуживание и связанные с ним вопросы:
•Можно ли отключать нагрузку для выполнения
обслуживания или замены оборудования в системе
резервного электроснабжения?
•Можно ли конструировать систему резервного
электроснабжения как неавтономную или следует
предусмотреть резервирование для повышения
надежности и облегчения обслуживания?
Перспективы развития и связанные с ними
вопросы:
Планируется ли увеличение или доработка
нагрузки с отключением?
Планируется ли увеличение возможностей
системы резервного электроснабжения в форме
увеличения мощности ИБП, емкости
аккумуляторов или мощности мотор-генератора?
Обслуживающий персонал и связанные с ним
вопросы;
•Как планируется система контроля за работой
оборудования?
•Насколько высокой должна быть квалификация
обслуживающего персонала? Насколько сложны
инструкции по обслуживанию? Будет ли обучение
обслуживающего персонала выполнять фирмапоставщик оборудования?
Цена: так насколько дороже мероприятия по
обеспечению работы системы резервного
электроснабжения по сравнению с базовой,
незащищенной от возмущений системой питания
нагрузки?
2. Компоненты систем резервного
электроснабжения
Эти компоненты, предназначенные для борьбы с
возмущениями в сетях электроснабжения общего
пользования и внутризаводских распределительных
сетях.
Трансформаторы:
•Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.
•Фазосдвигающие трансформаторы для подавления
гармоник в токе потребления нелинейных нагрузок.
•Распределительные трансформаторы,
предназначенные для электроснабжения отдельных
нагрузок.
Динамические компенсаторы напряжения:
• Динамические компенсаторы напряжения для
устранения кратковременных бросков и провалов
напряжения.
• Компенсаторы с расширенным временем работы.
• Однофазные и трехфазные компенсаторы.
Источники бесперебойного питания:
•Однофазные, с аккумуляторными батареями.
•Трехфазные, с аккумуляторными батареями.
•С механическими накопителями энергии (маховик).
•С топливными элементами.
Прочее оборудование
•Дизель-генераторные установки.
•Газотурбинно-генераторные установки.
•Передаточные ключи, работающие с
мотор-генераторными установками.
•Передаточные ключи, переключающие
фидеры электросетей.
3. Примеры систем резервного электроснабжения
Конструкция практически каждой системы резервного
электроснабжения с использованием перечисленных выше
компонентов оказывается уникальной. В каждой
конструкции учитываются определенные требования по
мощности нагрузки, надежности и числу входных фидеров
систем электроснабжения, занимаемому объему,
надежности электроснабжения нагрузки, по выбору
модулей ИБП, распределительных трансформаторов,
передаточных ключей, мотор-генераторных установок, а
также требования по сумме, которую можно потратить, и
многие другие факторы. Основными системами, в порядке
их следования по цене и сложности, являются следующие:
1. Динамический компенсатор напряжения
Компенсатор защищает потребителя только от
прерываний напряжения продолжительностью до
трех периодов (50 мс) и провалов глубиной до
50% в течение 2 с.
Потре
битель
Рис. 1. Структурная схема соединения динамического компенсатора
напряжения
2. ИБП для потребителя.
Эта конфигурация включает в себя однофазный ИБП и
один потребитель и является наиболее распространенной
системой защиты от возмущений в сети электроснабжения
(провалов, бросков и прерываний). Типичный ИБП
рассчитан на мощность нагрузки 300 Вт, время работы от
аккумулятора 5 мин и входное/выходное напряжение 220
В. ИБП бывают с двойным преобразованием энергии и
работающие на дифференциальном принципе.
Конфигурация ИБП + потребитель может быть
использована в офисе, дома, на заводе или как часть
промышленной системы управления или контроля.
Потребитель
Рис. 2. Структурная схема присоединения
однофазного ИБП с питанием от
аккумуляторной батареи и потребителя
3. ИБП для нескольких потребителей
Трехфазный ИБП с аккумуляторной батареей может
осуществлять питание нескольких потребителей, работающих
как автономно, так и с однофазным питанием. ИБП при этом
должен обеспечивать мощность в нагрузке от 2 до 10 кВА,
иметь выходное напряжение 220/380 В и продолжительность
работы от батареи 10 мин. Кроме того, ИБП должен обладать
достаточным запасом по выходному току, соответствующим
токам включения потребителей. При превышении
продолжительности прерывания сетевого напряжения срока
работы от батареи ИБП должен отключаться. Для выполнения
операций обслуживания ИБП, например замены
аккумулятора, ЙБП выключается, а нагрузка подключается к
электросети через обходной выключатель параллельной цепи
с синхронизацией. В некоторых ИБП используются
аккумуляторы «горячей замены», исполъзуемые во время
обслуживания основных аккумуляторов.
Потребители
Рис. 3. Структурная схема присоединения
трехфазного ИБП с питанием от
аккумуляторной батареи и группы
потребителей
4. ИБП плюс передаточный ключ и моторгенераторная установка.
Структурная схема системы резервного питания,
способной противостоять продолжительным
прерываниям напряжения в сети электроснабжения
и обеспечивать надежное питание критических
нагрузок во время обслуживания ИБП.
Система работает в следующих режимах:
При нормальной работе сети электроснабжения
энергия поступает на вход ИБП, а затем с выхода
ИБП — в нагрузку. Аккумуляторная батарея
заряжается энергией из сети.
При прерывании поступления энергии из сети ИБП начинает
потреблять энергию от своей аккумуляторной батареи и
поставляет ее в нагрузку. Включается мотор-генераторная
установка. Передаточный ключ переключает вход ИБП на
питание от автономного генератора. Когда работа сети
электроснабжения восстанавливается, процесс проходит в
обратном порядке.
При необходимости осуществления обслуживания ИБП
запускается мотор-генератор. Когда его выходные значения
напряжения и частоты достигнут номинальных значений,
передаточный ключ переключает вход ИБП на питание от
генератора. Обходной выключатель замыкается и
обеспечивает питание нагрузки непосредственно от
автономного генератора. ИБП теперь может быть обесточен
для обслуживания. При вводе ИБП в эксплуатацию процесс
проходит в обратном порядке.
Рис. 4. Структурная схема резервного питания, включающая ИБП, моторгенераторную установку, передаточный ключ и обходной выключатель
5. ИБП плюс два фидера питания от двух
различных электро подстаиций и
передаточный ключ для их коммутации
При нарушении электроснабжения через один
из фидеров передаточный ключ переключает
питание системы на другой фидер. Во время
переключения питание критических нагрузок
происходит от ИБП. Другие (некритические)
нагрузки (кондиционеры, нагреватели,
системы освещения и т. д.) либо продолжают
работать после переключения фидера, либо
нуждаются в перезапуске.
Рис 5. Структурная схема резервною питания с двумя фидерами и передаточным
ключом
4. Мотор-генераторные установки
Мотор-генераторные установки применяются в системах
резервного питания для расширения времени работы
системы за пределы интервала разряда аккумуляторной
батареи и ИБП. Для больших ИБП (свыше 100 кВА) это время
обычно составляет несколько минут. Переключение
потребления от линии электропередачи к потреблению от
мотор-генератора, включая его запуск и стабилизацию
частоты и напряжения, может быть выполнено за 10 с.
Иногда, чтобы исключить слишком частые включения моторгенератора при кратковременных провалах и прерываниях
сетевого напряжения, в течение которых энергия
поставляется от ИБП, вводятся временные задержки на
запуск мотор-генератора.
Диапазон мощностей мотор-генераторных
установок простирается от 50 до 2500 кВА. На
рисунке приведено фотография дизельгенераторной установки мощностью 175 кВА. Для
еще больших нагрузок принято использовать
несколько мотор-генераторов, работающих
параллельно, чтобы за счет резервирования
достичь более высокой надежности системы и
обеспечить возможность ее обслужинания.
Следует отметить, что энергия требуется и для
работы некритических нагрузок, таких как
кондиционеры, освещение и водоснабжение. Для
привода генераторов в системах резервного
электроснабжения применяются также газовые
турбины.
Рис.6 Дизель-генераторная установка мощностью 175 кВА
Стандарты
Важнейшими проблемами, возникающими при
функционировании мотор-генераторных установок,
являются проблемы охраны окружающей среды.
Эти сооружения производят шум, вибрацию и
выбрасывают в окружающую среду выхлопные
газы. Они нуждаются в воздухе или воде для
охлаждения, топливе и связанных с его хранением
и подачей системах. Весьма тяжелые, и для
установки требуется прочный фундамент. Ниже
приведен перечень стандартов и рекомендаций,
касающихся мотор-генераторных установок,
используемых как альтернатива электросетям.
•ANSI/IEEE 446-1995 «Рекомендуемая практика
конструирования систем аварийного и резервного
электроснабжения для промышленного и торгового
применения»
•NFPA 110-2002 «Стандарты для систем аварийного и
резервного электроснабжения»
•NFPA 70-2005 «Национальные правила по установке
электрооборудования, а особенно:
•Art. 700 «Аварийные системы»;
•Art. 701 «Системы резервного электропитания, требуемые по
закону»;
•Ait. 702 «Системы резервного электропитания, допускаемые к
использованию»
Компоненты мотор-генераторных
установок
Рис. 7. Структурная схема типовой мотор-генераторной установки
В качестве двигателя применяются газолиновые,
дизельные или карбюраторные двигатели
внутреннего сгорания, а также газовые турбины. В
качестве генераторов используются трехфазные
машины с номинальной скоростью вращения вала
1800 или 3600 об/мин, с явно выраженными
полюсами обмотки возбуждения и
демпфирующими обмотками для обеспечения
возможности параллельной работы.
В качестве топлива используются газолин,
дизельное топливо, природный газ и другие
горючие вещества. Требуются расходный бак и бак
для хранения, насосы, вентиляторы и фильтры.
Охлаждение выполняется с помощью радиаторов
и вентиляторов, установленных либо
непосредственно на двигателе, либо отдельно, с
соответствующими трубопроводами.
Выпускная система включает в себя глушитель и
выхлопной трубопровод для отвода газов и
снижения шума.
В качестве стартера применяется
электродвигатель, питаемый от аккумуляторной
батареи, в свою очередь снабженной зарядным
устройством, или пневмопривод с газовым
баллоном высокого давления и соответствующим
насосом. Запуск осуществляется либо вручную,
либо по сигналу с передаточного ключа.
Для управления скоростью вращения вала
двигателя применяется электронный
изохронный регулятор, обеспечивающий
возможность автономной работы установки
и синхронизацию частоты и фазы
вырабатываемого напряжения с
напряжением других генераторов и (или)
линии электропередачи. В состав
регулятора входит узел контроля активной
потребляемой мощности.
Для зашиты генератора используются реле,
контролирующие ток и напряжение нагрузки,
обратное поступление энергии, частоту и
температуру. При превышении пороговых значений
этих параметров включается сигнал тревоги и
производится аварийное отключение выключателя
нагрузки.
Регулятор напряжения используется электронный,
управляющий током основной обмотки возбуждения
для изменения выходного напряжения генератора. В
состав регулятора входит узел контроля реактивной
потребляемой мощности.
Синхронизатор служит для управления
скоростью вращения вала двигателя и
выработки команды на замыкание
выключателя при достижении синхронизации
вырабатываемого генератором напряжения
с напряжением сети или других моторгенераторных установок.
Выключатель управляется электрически.
Рассчитывается на ток перегрузки
генератора и максимальный ток короткого
замыкания в трехфазной цепи.
Работа мотор-генераторных установок
Мотор-генераторные установки являются универсальным и
полезным оборудованием, обеспечивающим дополнительное
к сетевому электроснабжение критических нагрузок. Эти
установки способны выполнять следующие функция:
Могут быть использованы для питания ИБП, осветительных
приборов, кондиционеров, нагревателей, вентиляторов,
насосов, электронного оборудования и прочего
электрооборудования. До некоторой степени они способны
поставлять ток несинусоидальной формы и
несбалансированный по фазам.
Для этого генератор должен иметь низкий сверхпереходной
реактанс (что достигается применением демпфирующих
обмоток) и (или) иметь повышенные
размеры и мощность, обеспечивающие протекание гармоник
тока нагрузки.
Работа в режиме аварийного электроснабжения.
Когда в сети электроснабжения обнаруживается прерывание
питания (или при испытаниях установки такой сигнал
создается вручную) осуществляется запуск моторгенераторной установки. Когда напряжение, вырабатываемое
генератором, стабилизируется по амплитуде и частоте,
передаточный ключ переключает нагрузку на питание от
генератора. Запуск мотор-генератора и переключение питания
нагрузки на него обычно занимает около 10 с. Когда
напряжение в сети электроснабжения восстанавливается,
система управления мотор-генераторной установкой обычно
удерживает подачу питания на нагрузку от нее в течение
примерно 30 мин, и только потом переключает передаточный
ключ на подключение нагрузки к сети электроснабжения.
Несколько мотор-генераторных установок при использовании
параллельно запускаются последовательно.
Испытания мотор-генераторных установок должны
выполняться примерно
один раз в неделю, и при этих испытаниях установка
должна проработать не менее 30 мин.
Применение мотор - генераторов в качестве
резервных источников электроснабжения
оказывается очень полезно, когда использование
сети невозможно, например когда узлы подвергаются
реконструкции или выполняются работы по их
обслуживанию. ИБП при этом могут бить отключены
параллельно мотор генераторам. Должно быть
припасено достаточно подходящего топлива.
С целью резервирования или для получения
большей мощности, чем может выработать одна
мотор-генераторная установка (например,
требуемой для запуска большого
электродвигателя) можно соединять параллельно
две и более таких установок. Регуляторы частоты
и амплитуды выходного напряжения при этом
должны гарантировать параллельную работу
мотор - генераторов и правильное
функционирование узлов контроля активной и
реактивной мощностей.
5. Передаточные ключи
Передаточный ключ соединяет нагрузку (в данном
случае ИБП) либо с сетью электроснабжения,
либо с мотор-генераторной установкой. Он
срабатывает, как правило, когда в сети происходит
прерывание напряжения и мотор-генератор
должен восполнить энергию, поступающую в ИБП
из аккумулятора. Передаточные ключи выполняют
и другие функции, например переключение
нагрузки с одного фидера или трансформатора на
другой.
Стандарты
К области передаточных ключей относятся
следующие стандарты:
•NEMA ICS 2-44 «Автоматы включения резерва
переменного тока»
•NFPA 70-2005 «Национальные правила но установке
электрооборудования»
•UL 1008 «Стандарт на автоматы включения резерва,
четвертая редакция»
•NFPA 110-2002 «Стандарты для систем аварийного
и резервного электроснабжения»
Типы передаточных ключей
Среди различных типов передаточных ключей
можно указать следующие:
•Управляемые вручную, которые состоят из
перекидного многоконтактного
переключателя или двух механически
связанных прерывателей или контакторов.
•Автоматические электромеханические,
которые включают в себя:
трех- и четырех контактные переключатели
для коммутации трехфазных цепей с или без
нейтрали;
переключатели без разрыва и с разрывом
коммутируемых цепей, которые обычно
требуются при включении мотор-генераторных
установок взамен сети электроснабжения;
контрольно-управляющие передаточные
ключи, включая чувствительные к
напряжению, используемые для включения и
выключения двигателей.
Обходные выключатели, в которых
дополнительная секция может соединять
выбранную цепь с нагрузкой при обслуживании
основного передаточного ключа
Твердотельные передаточные ключи, в которых
используются тиристоры или запираемые
тиристоры в каждом плече.
Передаточные ключи применяются для
коммутации фидеров электроснабжения с
напряжением до 35 кВ.
Применение передаточных ключей
Передаточные ключи применяются практически во всех
областях электротехники, особенно там, где требуется
высокая надежность и безопасность. Можно указать
следующие области их применения:
•
Переключение питания нагрузок с сети
электроснабжения на мотор-генераторные установки и
обратно. Конструкция ключей и форма их контактов
выбираются при этом так, чтобы у подвижных контактов
перемещение было небольшим и отсутствовала
неопределенность в положении контактов.
•Переключение питания ИБП с сети
электроснабжения на мотор-генераторные установки.
•Переключение питания больших асинхронных
двигателей — приводов вентиляторов и насосов — с
одного трансформатора или фидера на другой
(резервный).
•Переключение систем освещения на резервное или
аварийное питание от батарей, преобразователей
напряжения или вспомогательных фидеров.
Рис. 8. Применение основного и резервного источников электроснабжения.
Переключение выполняется автоматов включения резерва
Резервное силовое оборудование является
средством повышения надежности
электроснабжения электрического
оборудования, чувствительного к возмущениям
питающего напряжения. Резервные фидеры и
мотор-генераторные установки совместно с
передаточными ключами являются основными
средствами как основного, так и резервного
питания ИБП, медицинских учреждении и
телекоммуникационных систем. Их
конструирование требует учета всех аспектов
и особенностей существующих источников
электроснабжения и требуемого уровня
надежности системы.