1.3. Область применения и назначение систем бесперебойного питания

Ранее мы отмечали, что для потребителей электрической энергии важным является не только непрерывность подачи электрической энергии, но и ее качество.
Нормы качества электрической энергии регламентированы ГОСТ 32144-2013. «Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
Провалы, прерывания и пульсация напряжения, перенапряжение, изменение других параметров электрической энергии при нарушении внешнего электроснабжения могут быть вызваны различными причинами. Отклонения этих параметров должны находиться в пределах допусков, регламентированных стандартами и нормативами.
В таблицах 2÷5 приведены различные виды помех в сети переменного тока, их причины и возможные последствия.

Таблица 2

Перебои в подаче питания

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Кратковременные перебои	Полное отсутствие напряжения в течение ≤10 мс.	Атмосферные явления, рабочие коммутации, неисправности, ремонтные работы в сети.	Сбой в работе и потеря данных (компьютерные системы) или простои производства (непрерывные технологические процессы).
Перебои питания	Полное отсутствие напряжения более чем один раз: – кратковременное: ≤ 3 минут (70% перебоев длятся менее 1 с) – длительное: больше 3 минут	Атмосферные явления, рабочие коммутации, сбои, несчастные случаи, обрывы линии, ремонтные работы в сети.	В зависимости от длительности отключение оборудования и возникновение риска для людей (например, лифты), потеря данных (компьютерные системы) или простои производства (непрерывные процессы).

Таблица 3

Колебания напряжения

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Скачки напряжения	Снижение среднеквадратичного значения напряжения ниже 90% номинального (но больше 0%) с последующим ростом до значение свыше 90% номинального за период от 10 мс до 1 минуты.	Атмосферные явления, колебания нагрузки, короткое замыкание в соседней цепи.	Остановка оборудования, сбои, повреждение оборудования и потеря данных.
Перенапряжение	Временный рост напряжения на более чем 10% выше номинального за период от 10 мс до нескольких секунд.	Качество генераторов и систем передачи электроэнергии. Взаимодействие между генераторами и колебания нагрузки в системе энергопотребления. Коммутации системы энергопотребления. Остановка нагрузок высокой мощности (например, двигателей, конденсаторных батарей).	Для компьютерных систем: – повреждение данных, ошибки обработки данных, выключение системы, отрицательное влияние на отдельные ее узлы. – повышение температуры и преждевременный износ оборудования.

Таблица 3 (продолжение)

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Недостаточное напряжение	Падение напряжения, длящееся от нескольких минут до нескольких дней.	Пиковое потребление электроэнергии, которое система не в состоянии обеспечить и поэтому вынуждена снижать напряжение до минимально допустимого.	Выключение компьютерных систем. Повреждение или потеря данных. Рост температуры. Преждевременный износ оборудования.
Бросок напряжения	Внезапный, резкий скачок напряжения (например, 6 кВ).	Близкие разряды молнии, статические разряды.	Ошибки обработки данных, повреждение данных, выключение системы. Повреждение компьютеров, электронных плат.
Ассиметрия напряжения (в трехфазных системах)	Состояние, при котором действующие значения фазных напряжений или имеется дисбаланс напряжений между фазами.	Индукционные печи. Несбалансированные однофазные нагрузки.	Рост температуры. Отсоединение фазы.

Таблица 4

Колебания частоты

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Флуктуации частоты	Неустойчивость частоты. Обычно + 5%, – 6% (среднее для 10- секундных интервалов).	Управление генераторами. Недостаточно отрегулированная работа генераторов. Неустойчивый источник частоты.	Эти колебания превышают допустимые для некоторых приборов и устройств компьютера (часто ± 1%) и могут поэтому привести к потере или повреждению данных.
Фликкер-шум	Фликкер-шум в системах освещения вследствие падения напряжения и частоты (< 35 Гц).	Сварочные аппараты, двигатели, дуговые печи, рентгеновские аппараты, лазеры, конденсаторные батареи.	Физиологические нарушения.

Таблица 5

Переходные процессы, гармонические искажения и ЭМС

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Высокочастотные переходные процессы	Внезапный, сильный и очень кратковременный скачок напряжения. Аналогично броску напряжения.	Атмосферные явления (молния) и коммутации системы.	Повреждение оборудования, ускоренный преждевременный износ, выход из строя узлов или изоляторов.
Короткая длительность	< 1 мкс Амплитуда от < 1 до 2 кВ при частотах в несколько десятков МГц.	Пуск нагрузок с низкой индуктивностью, многократное размыкание и замыкание низковольтных реле и контакторов.
Средняя длительность	> 1 мкс и ≤100 мкс Пиковое значение в 8-10 раз выше номинального вплоть до нескольких МГц.	Сбои (от молнии) или высоковольтных коммутаций, передаваемых в низковольтную сеть вследствие электромагнитного взаимодействия.

Таблица 5 (продолжение)

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Высокая длительность	> 100 мкс Пиковое значение в 5-6 раз выше номинального вплоть до нескольких сотен МГц.	Останов индуктивных нагрузок или высоковольтные сбои, передаваемые в низковольтную сеть вследствие электромагнитного взаимодействия.	Повреждение оборудования, ускоренный преждевременный износ, выход из строя узлов или изоляторов.
Искажения гармоник	Искажение синусоид тока и напряжения вследствие гармонических токов, создаваемых нелинейными нагрузками. Влияние гармоник свыше 25-го порядка незначительно и им можно пренебречь.	Электрические машины с магнитными сердечниками (двигатели, трансформаторы на холостом ходу и т.п.), импульсные источники питания, дуговые печи, приводы с регулируемой частотой вращения.	Превышение номинального размера оборудования, рост температуры, явления резонанса в емкостях, разрушение оборудования (трансформаторов).
Электромагнитная совместимость	Помехи, передаваемые или излучаемые электромагнитным или электростатическим образом. Целью является обеспечение низкого уровня эмиссии и высокой нечувствительности к шумам.	Коммутация электронных элементов (транзисторов, тиристоров, диодов), электростатические разряды.	Неисправности высокочувствительных электронных устройств

По статистике несоответствие параметров электрической энергии нормативным показателям составляет 45 % от общего количества нештатных ситуаций в сети электроснабжения. На рисунке 1 показано соотношение типичных нештатных ситуаций по частоте проявления.

Еще раз вспомним, что системы бесперебойного питания обязательны для применения первой и особой группы первой категории электроприемников потребителей. Аварии в электрических сетях предприятий, использующих компьютерные сети и центры обработки данных (ЦОД), системы безопасности, контроля доступа, автоматизированные системы управления производством, единые сети электронного документооборота и др., могут не приводить к катастрофическим последствиям и не угрожать жизни и здоровью людей. Однако такие аварии могут представлять опасность для бизнеса в связи с потерей важной информации, вызывать перебои в работе производственного оборудования, нарушения технологического процесса. И если ПУЭ предписывает использование СБП законодательно, то в условиях рыночной экономики применение агрегатов, источников и систем бесперебойного питания диктуется экономическими факторами и является составной частью системы управления рисками предприятия.
В таблице 6 приведены ранжированные оценки степени подверженности воздействиям различных неблагоприятных факторов со стороны сети переменного тока на оборудование в различных областях, основанные на статистике и экспертных оценках, от 1 до 5 по степени важности.

Таблица 6

Чувствительность оборудования к внешним воздействиям

Область применения	Оборудование	Чувствительность к воздействиям
		Кратковременные перебои	Перебои питания	Колебания напряжения	Колебания частоты	Прочее
ЦОД	Большие участки для серверов на стойках. Интернет-центры обработки данных.	ХХХХХ	ХХХХХ	ХХХХХ	ХХХХХ	ХХХХХ
Локальные сети	Системы компьютеров с терминалами и периферийными устройствами (ленточные накопители, дисководы и т.п.)	ХХХХХ	ХХХХХ	ХХХХХ	ХХХХХ	ХХХХХ
Сети предприятий	Кластерные ЦОД, серверные сети (WAN, LAN),	ХХХХ	ХХХХ	ХХХ	ХХХ	ХХ
Автономные компьютеры	ПК, рабочие станции. Периферийные устройства: принтеры, плоттеры, голосовая почта	ХХ	ХХ	Х	Х	ХХ
Телекоммуникации	Цифровые АТС. Оборудование радиосвязи и радиовещания. Базовые станции РРЛ и сотовой связи	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХ
Энергетика	Системы автоматики и управления
Промышленная автоматика	Управление процессом ПЛК. Системы ЧПУ. Системы управления. Роботизированные системы мониторинга. Станки-автоматы	ХХХ	ХХХХХ	ХХХ	ХХХ	ХХХХ
Медицинское оборудование и лаборатории	КИП. Сканеры. МРТ. Реанимационное и хирургическое оборудование	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХ	ХХХ
Промышленное оборудование	Станки. Сварочные роботы. Прессы для заливки пластмасс. Прецизионные регуляторы (тканевые, бумажные и т.п.). Нагревательное оборудование для производства полупроводников, стекла, сверхчистых материалов	ХХХ	ХХХХ	ХХХ	ХХХ	ХХХ
Системы освещения	Системы освещения общественных зданий (лифтов, систем безопасности) Туннелей. Освещение ВПП в аэропортах	ХХ	ХХХХ	ХХХ	ХХХ	ХХ
Особые применения	Преобразователи частоты. Источники питания для авиационной техники (400 Гц)	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХ	ХХХХХ	ХХХ

С точки зрения экономического риска и последствий для функционирования, аварии в компьютерных сетях и оборудовании представляют опасность для любого предприятия. Могут различаться масштабы и виды потерь, однако нежелательность, а порой и катастрофичность аварий в экономическом смысле очевидны.

Сегодня масштабными и распределенными компьютерными и телекоммуникационными сетями оперируют торговые сети, банки, инвестиционные и транспортные компании. В случае если такие сети получают статус и лицензию оператора связи, применение СБП для них становится обязательным требованием со стороны законодательства. Однако даже если такого статуса и лицензии не требуется, использование СБП становится необходимым для обеспечения надежной работы предприятия и снижения риска экономических потерь.

С технической точки зрения использование СБП там, где это предписывается законодательными требованиями, аналогично областям применения в сетях электропитания коммерческих предприятий, где это законодательно не регламентируется, но является необходимым вследствие факторов экономического характера. Во втором случае присутствует большая свобода выбора оборудования и схемы организации электропитания, а соответственно и планирования затрат. Например, для некоторого коммерческого предприятия может быть достаточной возможность штатно завершить работу программно–аппаратных комплексов в течение 10–15 минут.

Для другого предприятия требуется большее время автономной работы (для восстановления централизованного электроснабжения или запуска собственных генерирующих мощностей), поскольку остановка технологического процесса (производства, торговой деятельности) может привести к явным или косвенным потерям (порча товаров, продукции, упущенная выгода).

Нарушения в системе охраны и безопасности, контроля доступа, на складе продукции коммерческого предприятия также могут в масштабах предприятия быть катастрофичными.

Области применения СБП и в быту сегодня не заканчиваются защитой домашнего компьютера. СБП применяются в автоматизированных системах управления отоплением, охранной и пожарной сигнализации, как неотъемлемая часть системы «Умный дом» и пр.

В каждой из областей порядок применения и технические решения имеют свои особенности. Они обуславливают требования к техническим характеристикам применяемого оборудования, составу и стоимости. Неизменной остается основная задача – обеспечение постоянного качества электрической энергии на входных выводах питающих цепей.

Таким образом, системы бесперебойного питания предназначены для надежного электроснабжения электроустановок потребителей электрической энергией и поддержание параметров качества электрической энергии в установленных пределах в условиях воздействия неблагоприятных факторов со стороны основной (первичной) питающей сети.