Глава 1. Системы бесперебойного электропитания в системах связи и энергетики

1.1. Типовые задачи и область применения

Основным источником электроэнергии для бытовых и производственных нужд являются электрические сети энергосистем. Электрические сети представляют собой совокупность установок и систем генерации, передачи и распределения электроэнергии. Это электростанции, трансформаторные подстанции, линии электропередачи. Устройства и системы, использующие для функционирования электрическую энергию, называются электроприемниками, или потребителями электроэнергии.

На электростанциях генерируется трехфазный переменный ток напряжением 220В, частотой 50 Гц. С целью уменьшения потерь при передаче он подвергается преобразованию (повышению напряжения, в ряде случаев преобразования из переменного в постоянный и обратно), затем на месте потребления посредством трансформаторных подстанций вновь преобразуется в трехфазный переменный ток напряжением 220В частотой 50Гц. Электрические сети должны обеспечивать потребителей электроэнергией, соответствующей нормативным показателям по качеству и надежности.

 

В странах Таможенного Союза эти показатели регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 32144 – 2013, ведомственными нормами (ФЗ «О связи» и др).Согласно нормативным документам в электрических сетях могут происходить провалы и прерывания напряжения длительностью до 1 минуты, также в документах перечислены допуски на отклонения других параметров.

 

Перерывы в подаче также могут происходить в результате плановых ремонтно-профилактических работ, а также аварийных ситуаций различной природы. Иными словами, нарушение параметров электроснабжения со стороны сети переменного тока может быть по самым различным причинам, а ряд нарушений и отклонений находится в пределах регламентированных стандартами и нормативами допусков. В табл. 1-4 показаны различные виды помех в сети переменного тока, их причины и возможные последствия. На рис. 1 показаны типичные соотношения неблагоприятных явлений по частоте возникновения. Для ряда потребителей (современных программно-аппаратных систем управления и связи, компьютерных сетей, центров обработки данных) неприемлемыми являются даже перерывы длительностью более 5-10 мс, поскольку могут вызвать сбои в работе, привести к потере данных и повреждениям другого оборудования, обусловить техногенные аварии и чрезвычайные ситуации, создать угрозу жизни и здоровья людей. Поэтому даже при соответствии сети переменного тока нормативным параметрам, при осуществлении непосредственного электроснабжения таких устройств и оборудования есть риск его нештатной работы, выхода из строя со всеми дальнейшими возможными последствиями.

Правилами Устройства Электроустановок (ПУЭ) регламентируются требования к организации электроснабжения потребителей в зависимости от их категории. Электроприемники первой категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

 

Перебои в подаче напряжения

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 минуты (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).

 

Колебания напряжения

Вид помехи	Характеристики	Причины	Последствия
Скачки напряжения	Снижение cреднеквадратичного 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.
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.
Асимметрия 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.

 

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для аварийно безопасной остановки производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров. Электроприемники второй категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Электроприемники третьей категории – все остальные электроприемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.

Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания. В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих 7 технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения. Электроснабжение электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым предъявляются дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса. Иными словами, в составе системы электропитания потребителей особой группы в обязательном порядке должны присутствовать устройства и системы, обеспечивающие бесперебойную подачу электроэнергии.

В последнее время в технической и учебной литературе часто не совсем корректно используют термины, имеет место «в частности неверное понимание различия между системами гарантированного и бесперебойного питания. Поэтому стоит вспомнить правильные определения. Под гарантированным электропитанием понимается электропитание, при котором допускается кратковременное ухудшение показателей качества электроэнергии, просадки и исчезновения напряжения на входных выводах цепей питания аппаратуры. Так, в отраслевом стандарте «ОСТ 45.55-99 Системы и установки питания средств связи взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Термины и определения» гарантированное электроснабжение предприятия определяется как «Электроснабжение от основного и одного или нескольких резервных источников, при котором гарантируется ограничение длительности возможных кратковременных перерывов в поступлении электроэнергии к электроустановкам предприятия». Гарантированное электропитание аппаратуры определяется как «Электропитание, при котором допускается кратковременное ухудшение показателей качества электроэнергии, посадки и исчезновения напряжения на входных выводах цепей питания аппаратуры».

Выражаясь простым языком, такой источник гарантирует электропитание аппаратуры в случае аварии, но не гарантирует качества электропитания. Такое электроснабжение в свое время было вполне достаточно для надежной работы электромеханических АТС, аналоговых систем передачи и радиосвязи, промышленного оборудования и др. Для современной аппаратуры этого уже недостаточно. Бесперебойным называется электропитание аппаратуры без ухудшения показателей качества электроэнергии, исчезновения и просадок напряжения на входных выводах питающих цепей. ОСТ 45.55-99 определяет бесперебойное электроснабжение предприятия как «Электроснабжение от основного и одного или нескольких резервных источников, при котором поступление электроэнергии к электроустановкам предприятия осуществляется в непрерывном режиме».

Бесперебойное электропитание аппаратуры как «Электропитание аппаратуры без ухудшения показателей качества электроэнергии, исчезновения и посадок напряжения на входных выводах цепей питания аппаратуры». 8 В системах электропитания могут использоваться, и как правило используются оба типа электропитания. В то же время в некоторых случаях использование ИБП не обязательно сопровождается наличием цепи или подсистемы гарантированного питания. В особую группу по классификации ПУЭ входят в числе прочих системы управления предприятиями энергетики и электрических сетей, объекты телекоммуникационной инфраструктуры, учреждения здравоохранения, объекты и системы государственной власти и управления. Агрегаты, системы, источники бесперебойного питания, помимо обязательного применения в системах электропитания потребителей особой группы по классификации ПУЭ, сегодня широко применяются в системах электропитания предприятий, использующих компьютерные сети и центры обработки данных (ЦОД), системы безопасности, контроля доступа, автоматизированные системы управления производством, системы электронного документооборота и др.

Авария в системе электропитания компьютерной сети или ЦОД коммерческой компании, может не вызвать катастрофических последствий и угроз жизни и здоровья людей, однако быть катастрофичной и представлять опасность для бизнеса, в связи с потерей важных данных, нарушения технологического процесса. И если ПУЭ предписывает использование ИБП законодательно-нормативным образом, то в условиях рыночной экономики применение агрегатов, систем, устройств бесперебойного питания диктуется экономическими факторами и является составной частью системы управления рисками предприятия. В табл. 5 приведены ранжированные оценки степени подверженности воздействиям различных неблагоприятных воздействий со стороны сети переменного тока на оборудование в различных областях, основанные на статистике и экспертных оценках, от 1 до 5 по степени важности. 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 ИБП для них становится обязательным требованием со стороны законодательства, однако даже если такого статуса и лицензии нет и она не требуется, использование ИБП становится необходимым для обеспечения надежной работы предприятия и снижения риска экономических потерь. С технической точки зрения использование ИБП там, где это предписывается законодательными требованиями, аналогично областям применения в системах электропитания коммерческих предприятий, где это законодательно не регламентируется, но является необходимым вследствие факторов экономического характера. Во втором случае присутствует большая свобода выбора оборудования и 9 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.

 

Таблица 5. Переходные процессы, гармонические искажения и ЭМС

Область	Оборудование	Чувствительность к воздействиям
		Кратковре менные перебои	Перебои питания	Колебания напряжени я	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

 

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 ИБП и в быту сегодня не заканчиваются защитой домашнего компьютера. ИБП 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, задачей систем, агрегатов и источников бесперебойного питания является надежное электропитание аппаратуры, систем, устройств, с заданными параметрами, то есть теми, при которых функционирование оборудования происходит в штатном режиме, и не зависит от помех и неблагоприятных явлений со стороны основной сети электропитания.

 

1.2. Принцип действия систем БП

Суть процесса электропитания состоит в передаче электрической энергии устройству, системе, комплексу (электроприемнику, потребителю электроэнергии). При провалах, просадках и исчезновении напряжения в основной питающей сети, для обеспечения бесперебойной подачи  электроэнергии агрегаты, устройства, источники бесперебойного питания должны создать условия, при которых в питающей цепи электроприемника перерывов в подаче электроэнергии не произойдет. На рис. 1.1. показана общая функциональная схема взаимодействия основной питающей сети, ИБП и электроприемника.

 

 

Иными словами, ИБП выполняет роль буферного (промежуточного) устройства между сетью и потребителем. В нормальном режиме, то есть при условии соответствия определенных параметров заданным, к потребителю поступает электрическая энергия из основной сети» через главный распределительный щит (ГРЩ1). Часть электрической энергии сети используется для формирования запаса энергии в устройстве хранения. В случае отклонения параметров к потребителю начинает поступать электрическая энергия из устройства хранения через ИБП.

Процесс доставки электроэнергии к потребителю контролируется и управляется специальным устройством в составе ИБП, также в составе ИБП присутствуют устройства преобразования энергии из устройства хранения, а также устройства для осуществления накопления энергии в устройстве хранения и поддержания его в готовности, диагностики и мониторинга. Время работы потребителя за счет энергии из устройств накопления определяется количеством электроэнергии, потребляемой в единицу времени (мощностью), техническим характеристиками ИБП – количеством накопленной энергии в устройстве накопления, расчетными температурными режимами и КПД устройства преобразования и т.д.

Для объекта (офиса, производства), находящегося в здании или сооружении вместе с другими объектами может быть локальный РЩ, в более широком смысле – место подключения оборудования, требующего использования системы БП

Общий принцип действия систем БП на практике реализуется различными способами. Прежде всего, могут использоваться различные принципы накопления энергии. Пример – системы БП с использованием механических накопителей и дизель- генераторных установок. В системах электропитания ЦОД большой мощности, промышленных предприятий могут применяться системы ИБП дизель-роторного типа. В них в качестве накопителя энергии используется специальный маховик, кинетическая энергия которого при просадках и перерывах в электроснабжении преобразуется в электрическую с помощью генератора, и также служит для последующего запуска ДГУ в случае необходимости.

Это решение имеет следующие преимущества: обеспечивает высокий ток короткого замыкания, составляющий 10 In (в десятки раз выше номинального), что облегчает настройку устройств защиты, имеется как правило 150%-ная перегрузочная способность (по номинальному току) в течение длительного времени (две минуты вместо одной), благодаря установке двигатель-генератор обеспечивается гальваническая изоляция цепи от предшествующего источника переменного тока, дизель-роторные системы устойчивы к нелинейным нагрузкам, которые часто встречаются в компьютерных системах наряду с импульсными источниками питания.

Несмотря очевидные преимущества, есть недостатки. Прежде всего экономические. Использование дизель-роторных установок оправдано только для объектов мощностью в сотни кВт, имеет высокую стоимость – как оборудования, так и строительно-монтажных работ.

На рис. 3. приведен внешний вид такой установки.