CC BY
83ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
УДК 621.311.4
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАРАНТИРОВАННОГО И БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
П.Н. Подобедов, ОАО "РЖД", Москва, Россия Т.Б. Лещинская РГАУ МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, Россия
А.А. Некрасов ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия А.И. Некрасов ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия П.Н. Масленников ПАО МОЭСК, Москва, Россия
Аннотация. Рассмотрены три наиболее распространенные схемы электропитания промышленных объектов. В качестве перспективной схемы электропитания рассматривалась гибридная схема с двумя отдельными вводами 10 кВ, одним вводом 0,4 кВ, резервным питанием от дизельгенераторной установки и двух этапным бесперебойным питанием особо ответственных потребителей. Проанализированы основные причины возникновения аварийных ситуаций в компьютеризированном оборудовании по вине питающей сети. Рассмотрен вариант обеспечения длительной автономности электрооборудования (120 минут) и методика выбора ИБП для рассматриваемой схемы питания особо ответственных потребителей. Представленный вариант схемы питающей сети промышленных объектов является наиболее универсальным. Он необходим при неоднородности нагрузки по категориям надежности электроснабжения, наличия чувствительной нагрузки к качеству электрической энергии и необходимости длительной бесперебойной работы в случае неполадок в системе электроснабжения объекта.
Ключевые слова: источник бесперебойного питания, надежность электроснабжения, дизель генераторная установка, гарантированное питание, бесперебойное питание, автономное электропитание, автоматическое включение резерва.
Введение. На текущий момент в Российских электрических сетях обострились проблемы с износом парка электрооборудования (до 75%), ухудшилось качество эксплуатации, а длительность перерывов в электроснабжении возросла до 100-120 часов в год. Отклонение напряжения оценивается от - 15% до +15%, наблюдаются
несимметрия тока и напряжения [1-5]. Помимо существующих проблем в электросетевом комплексе, в последнее время, всё большее распространение получают технологии и агрегаты, требующие гарантированного и бесперебойного электроснабжения. Доля чувствительной нагрузки постоянно увеличивается, в основном, за счет повсеместной компьютеризации производственных процессов. Для предотвращения нарушения электроснабжения таких электроприемников, должен предусматриваться дополнительный независимый источник питания. В последнее время, в качестве независимого источника питания, все чаще используют источники бесперебойного питания (ИБП). Практически все промышленные объекты и административные здания содержат в своей структуре электроприемники первой особой категории по надежности электроснабжения. Такие приемники, в большинстве своем, чувствительны к перерывам электроснабжения и отклонениям параметров качества электроэнергии от номинальных. Сбои в электроснабжении таких потребителей, а соответственно оборудования связи и компьютеризованного производства, 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. Необходимо рассмотреть варианты модернизации систем электроснабжения таких объектов, обеспечивающие повышение надежности работы электрооборудования.
Цель работы - повышение надежности электроснабжения объектов с особо ответственными потребителями.
Материалы и методы.
Производственные предприятия становятся все более зависимыми от качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Несмотря на производимую модернизацию сетей и переход потребителей на вторую и первую (и первую особую) категорию по надежности электроснабжения происходят нарушения в работе компьютеризированных технологических линий предприятий. С увеличением потребности в системах компьютерного управления, телекоммуникационной связи, автоматизированных систем диспетчерского управления и применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом, большинство типов искажения недопустимы [6]. Например, значительные провалы напряжения и колебания частоты могут привести к невосполнимым потерям данных и вызвать повреждения оборудования.
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. Поданным Bell Labs, в США наиболее часто встречаются следующие сбои питания, представленные в таблице 1 [7,8].
Таблица 1 - Причинный состав сбоев электропитания и его процентное соотношение._
Причина отказа электрической сети Причина возникновения аварийной ситуации в сети Процентное соотношение
Провалы напряжения Резкое увеличением нагрузки в сети из- за включения мощных потребителей (промышленное оборудование, лифты и т.д.) 87 %
Высоковольтные импульсы Близкий грозовой разряд или включение напряжения на подстанции после аварии 7,4 %
Полное отключение напряжения Является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции 4,7 %
Слишком большое напряжение Кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей 0,7 %
Наиболее частой неполадкой в электрической сети России, так же, как и в США, можно считать пониженное напряжение [9]. Однако этот вид сбоя питания вовсе не доминирует, поскольку повышенное напряжение в сети встречается почти также часто, как и пониженное. В таких случаях применение схемы электроснабжения от двух независимых источников питания (вторая группа надежности электроснабжения) с использованием АВР считается недопустимым, в связи с отсутствием защиты от колебаний напряжения сети и изменений частоты. Изменение частоты, само по себе, не представляет существенной опасности для оборудования, однако низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять не только на работу компьютера, но и на большинство компьютеризированного технологического оборудования.
Для таких объектов необходимо использовать схему гарантированного питания и бесперебойного питания в случае наличия потребителей первой особой категории по надежности электроснабжения [10].
После принятия решения об оснащении объекта системой гарантированного или бесперебойного электропитания, нужно определиться с количеством и категорией потребителей, с
необходимой длительностью автономной работы, а также разработать схему электроснабжения и распределения мощностей в случае пропадания питания.
Система гарантированного электропитания
Рисунок 1 - Дизель генераторы FUBAG DS 14000 DA ES;
Дизельная генераторная установка DEUTZ SD При использовании на объекте только дизель-генераторной (рис.1) установки (ДГУ) в качестве резервного источника, электропитание объекта осуществляется с применением схемы гарантированного электроснабжения.
Гарантированное электропитание осуществляет подачу электроэнергии при прекращении подачи напряжения основной сети питания потребителям 1 категории (согласно гл. 1.2.17 ПУЭ) [11], при этом параметры электрического тока должны соответствовать Г0СТ32144-2013 [12]. В случае выбора гарантированного питания объекта используется следующая схема (рис.2).
ВВ №1 ВВ №2
(10 КВ> (10 КВ)
св
TP 10/0,4 №1 (
I TP 10/0,4 №2 (
ДГУ
РЩС №1
Нагрузка
РЩС №2 L
Нагрузка
Рисунок 2 - Принципиальная схема исполнения гарантированного питания
Система гарантированного электропитания обеспечивает гарантированное электроснабжение подключенных потребителей, автоматически запускает (не более чем с 3 попыток) дизель-генератор по истечении 9 секунд с момента возникновения отклонений значений базовой питающей сети от требований ГОСТ32144-2013 и при полном прекращении подачи электроэнергии.
Система гарантированного электропитания объекта должна соответствовать следующим требованиям:
- показатель наработки на отказ дизель-генераторными установками должен быть не менее 40000 часов;
- загрузка ДГУ по мощности должна быть более 50%. При меньшей загрузке ДГУ рекомендуется только кратковременная эксплуатация, а загрузка на 30% повлечет за собой отказ поставщика в предоставлении гарантийных обязательств на оборудование;
- экстренный старт и прием нагрузки при выходе из режима ожидания в горячем резерве не должен превышать 9 секунд;
- созданием условий для регламентного обслуживания и ремонта дизель-генераторной установки, при работающей системе электропитания;
- обязателен удаленный контроль работы ДГУ;
- полностью исключена параллельная работа ДГУ и внешней системы электропитания.
Система бесперебойного электропитания
установленные в стойке
При использовании на объекте источника бесперебойного питания (ИБП) в качестве резервного источника (рис.3), электропитание объекта осуществляется с применением схемы бесперебойного электропитания. Потребители,
использующие электропитание от ИБП, при прекращении подачи электричества по основным электросетям, называются потребителями бесперебойного электропитания. Система бесперебойного
электропитания обеспечивает электроэнергией потребителей 1 категории особой группы без разрыва синусоиды питающего напряжения, соответствующей ГОСТ 32144-2013 (согласно гл. 1.2.17 ПУЭ).
В случае выбора бесперебойного питания объекта используется следующая схема (рис.4). Системой бесперебойного электропитания обеспечивается бесперебойное электроснабжение без разрыва синусоиды потребителей электроэнергии, подключенных через ИБП, полная регулировка напряжения на выходе, чистая синусоидальная форма выходного напряжения, максимальная защита от отключения, перепадов, всплесков и скачков напряжения.
Рисунок 4 - Принципиальная схема исполнения бесперебойного
питания
Создавая систему бесперебойного электропитания на объекте, необходимо учитывать определенные требования:
- из-за одиночного отказа любого из элементов СБП, работоспособность системы не должна быть полностью нарушена;
- СБП должна иметь срок службы, составляющий не менее 10
лет;
- нейтральные кабеля входящих электрических сетей и трансформаторные подстанции не должны быть перегружены;
- регламентированное техобслуживание и ремонт ИБП должны проводиться без отключения системы электроснабжения здания;
- мониторинг параметров ИБП должен быть дистанционным;
- по истечении ресурсного времени работы автономных аккумуляторов, при отсутствии внешнего напряжения, технологические процессы должны быть завершены корректно.
Обе эти схемы являются стандартными при проектировании систем электроснабжения потребителей первой и первой особой группы по надежности электроснабжения. Далее необходимо провести выбор ИБП. При выборе ИБП необходимо учитывать возможность разделения аппаратуры по группам и определить способы резервирования источника. Исходя из внутренних технических требований крупнейших компаний РФ к параметрам резервирования, время автономной работы от ИБП должно составлять 60 минут для объекта с наличием дежурного технического персонала, и 120 минут в случае его отсутствия. Таким образом, наиболее простой и распространенной является система, где каждый элемент защищен отдельным ИБП, который подбирается по мощности и уровню защиты специально для защищаемого элемента. Такая схема имеет ряд преимуществ: не требуются специалисты для их установки и обслуживания, не требуются специальные силовые сети для их подключения. Компоненты системы могут подбираться независимо друг от друга [9]. Учитывая рекомендации электросетевых компаний, внутренние технические требования предприятий при проектировании системы бесперебойного питания, необходимо брать во внимание не только критичность нагрузки к питающему напряжению, но и множество факторов, связанных с простотой конструкции, удобством применения, надежностью и экономичностью схемы электроснабжения. Исходя из всего выше сказанного, предлагается следующая схема электроснабжения объекта, как наиболее сбалансированная и проверенная на практике, показавшая себя наиболее экономичной и надежной (рис. 5).
После выбора схемы электроснабжения необходимо выбрать ИПБ для конкретной нагрузки. Выбор будет осуществляться исходя из выходных показателей ИБП и нагрузки.
Рисунок 5 - Предлагаемая комбинированная схема электроснабжения объекта
Необходимо составить список используемого оборудования (потребителей), разделив его на три группы [13]:
1) приборы, которые включены всегда и не имеют своего штатного сетевого источника питания (датчики, камеры и т.п.), а также все электрооборудование систем технологического управления;
2) приборы, которые включены всегда (в схему гарантированного питания), но имеют свой штатный источник бесперебойного питания (обычно это ПК, мониторы и т.п.);
3) приборы, которые будут включаться периодически и кратковременно (сирены, узлы пожаротушения и т.п.).
Стоит учитывать первую группу, как постоянно включенное электрооборудование. Вторую группу не учитывать, а третью учитывать с коэффициентом периодичности включения равным 0,25. Исходя из схемы предлагаемого бесперебойного электроснабжения особо ответственных потребителей (рис. 6) время автономной работы для них будет рассчитываться, используя формулы 1,2,3,4.
Рн.п. Цк.н. ^ Кпм, , (1)
где Рнп. - величина мощности периодичной нагрузки включающейся кратковременно, с учетом коэффициента времени
включения, Вт;
РКМш - мощность периодичной нагрузки, включающейся кратковременно, Вт;
Кпн - коэффициент времени включения периодичной нагрузки, %. ' '
гр _ &е.б^Кшд, ибп. (ОЛ
1 ББ. — р +р ' (2)
гн.пост~ 'н.п
где Б.Б. - время автономности источника бесперебойного питания большой мощности;
Ееб - емкость аккумуляторных батарей, А ч.;
Рнп - величина мощности периодичной нагрузки, включающейся кратковременно с учетом коэффициента времени включения, Вт;
Рнпост - величина мощности нагрузки, включенной постоянно,
Вт;
Ка£ - количество аккумуляторных батарей, установленных в ИБП, шт;
иаб. - напряжение аккумуляторных батарей, В;
Ккпд. ибп. - коэффициент полезного действия инвертора ИБП.
Т' _ Е е.б* Ка.б.*- Ц а. б. * К кпд. ибп. СХ\
ЛОКБ. — „ , (3)
'н.о.в.п.
где ЛОК.Б. - время автономности локального источника бесперебойного питания;
Е ебб - емкость аккумуляторных батарей, Ач.;
Рн.о.в.п. - величина мощности нагрузки особо важного потребителя, Вт;
а.б. - количество аккумуляторных батарей, установленных в ИБП, шт;
а.б. - напряжение аккумуляторных батарей, В;
Ккпд. ибп. - коэффициент полезного действия инвертора ИБП.
Тв. — Тбб. + Т ЛОКБ. > (4)
где Тв - время автономности особо важного потребителя;
ТцОкБ .- время автономности локального источника бесперебойного питания;
ТББш - время автономности источника бесперебойного питания большой мощности.
Использование схемы электроснабжения особо ответственных потребителей с использованием двух ступеней бесперебойного питания позволяет увеличить время автономной работы подключенного электрооборудования, а также группировать оборудование по степени важности его безотказной работы. Используя анализируемую схему электропитания (рис. 5) объекта имеется возможность обеспечить стабильную работу практически всего
существующего электрооборудования.
Рисунок 6 - Схема параллельной системы ИБП.
Другой подход к решению задачи увеличения надежности системы - использование параллельной системы, когда два или более ИБП работают в параллель и одновременно питают нагрузку. И в случае отказа одного из них нагрузка будет распределена между другими работающими ИБП, не испытав при этом никаких возмущений (рис. 6). При построении схемы параллельной работы ИБП состоящей из трех установок необходимо рассчитать нагрузку так чтобы в случае выхода из строя одной из них мощности двух других было достаточно для продолжения бесперебойного питания нагрузки без искажений. Технология также может применяться для наращивания мощности особо ответственных систем по мере роста энергопотребления. По данным ПАО «МОЭСК» на существующем объекте предприятия ОАО «ВИЛС» находящимся в Москве снабжаемым по комбинированной схеме в течение года были следующие нештатные ситуации (таблица 2).
Таблица 2 - Нештатные ситуации на существующем объекте первой особой группы по надежности электроснабжения находящимся на балансе ПАО «МОЭСК».
Вид нештатной ситуации Количество за 2018 год
Провал напряжения 26
Провал напряжения с переходом систем бесперебойного питания на аккумуляторные батареи 8
Полное отключение одного из питающих вводов с переходом систем бесперебойного питания на аккумуляторные батареи 5
Повышенное напряжение питающей сети 43
Повышенное напряжение повлекшее переход систем бесперебойного питания на аккумуляторные батареи 2
По данным ПАО «МОЭСК» на данном предприятии за 2018 год Агротехника и энергообеспечение. - 2019. - № 4 (25)
из всей совокупности 83 нештатных ситуаций в системе электроснабжения возникло 2 случая нарушения технологического процесса. Причиной стало колебание напряжения в силовой цепи повлекшее нарушение в управлении частотными преобразователями.
На данном предприятии ранее использовалась система электроснабжения без использования источников бесперебойного питания, что приводило к тому, что 75% нештатных ситуаций приводили к нарушениям в технологическом процессе на производстве. Соответственно наблюдение показало, что использование системы электроснабжения с применением источников бесперебойного питания удалось снизить количество технологических нарушений по вине нештатных ситуаций в питающей сети на 72,5%.
Выводы.
Повсеместная компьютеризация технологического процесса предприятий приводит к повышению чувствительности электрооборудования не только к надежности электроснабжения, но и к качеству электроэнергии. Основной проблемой в электроснабжении таких потребителей является пониженное или повышенное напряжение в сети, что приводит к большому количеству нештатных ситуаций в 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 двух этапного 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). Также принято во внимание то, что построение схемы бесперебойного питания может осуществляться с использованием параллельной работы ИБП. Использование представленной гибридной схемы электропитания снижает количество нарушений технологического процесса на производстве на 72,5%.
Список использованных источников:
1. Подобедов П.Н., Масленников П.А. Анализ отказов электрооборудования распределительных подстанций по причине электроизоляционных элементов конструкции и способа их предотвращения. В сборнике: World Science Proceedings of articles the international scientific conference. - 2017. - С. 96-105.
2. Подобедов П.Н., Масленников П.А. Исследование отказов шинных мостов 10 КВ и способа их предотвращения Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. -2017. - № 2 (78). - С. 65-68.
3. Подобедов П.Н., Масленников П.А. Применение диэлектрических материалов для изготовления межполюсных перегородок в выключателях 10 кВ. Вестник ВИЭСХ. - 2017. - № 1 (26). - С. 13-17.
4. Подобедов П.Н., Масленников П.А., Некрасов А.И. Экспертная оценка эксплуатационной надежности электрооборудования распределительных подстанций. Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. - 2017. - № 11. - С. 6774.
5. Некрасов А.И., Подобедов П.Н. Многокритериальная оценка применения элементов воздушных линий электропередач 10 кВ. Вестник ФГОУ ВПО "Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»". - 2018. - № 1 (83). - С. 63-68.
6. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Структурированные кабельные системы. Учеб. пособие. М.: МГУС. - 2005. - С. 15.
7. Куличков А.В. Импульсные блоки питания для IBM PC. - М.: ДМК. Сер. «Ремонт и сервис». - 2000. - 122 с.
8. Гук М.Ю. Аппаратные средства IBM PC. -СПб.: ПИТЕР. -2000. - 576 с.
9. Душин В.К, Саморуков И.И., Теодорович Н.Н., Феоктистов А.Н. Системы бесперебойного питания локальных вычислительных сетей. Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2006. - №2. - С. 13-15.
10. Гук. М.Ю. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. - СПб.: Питер. - 2002. - 572 с.
11. 7-е издание (ПУЭ) Главгосэнергонадзор России. М.: Изд-во ЗАО «Энергосервис». - 2007. - 610 с.
12. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт. Москва. Стандартинформ. - 2014. - С. 3-14.
13. Аббасова Т.С. Методика выбора и подключения источника бесперебойного питания в компьютерных сетях. Электротехнические и
информационные комплексы и системы. - 2007. - № 3. - С. 27-29.
Подобедов Павел Николаевич, старший смены, Россия, Москва, ОАО "РЖД", podobiedov13@mail.ru
Лещинская Тамара Борисовна, доктор технических наук, профессор, Россия, Москва, РГАУ МСХА им. К.А. Тимирязева, tamaraborisovna.leshchinskaya@mail.ru
Некрасов Антон Алексеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», nalios@mail.ru
Некрасов Алексей Иосифович, доктор технических наук, заведующий лабораторией, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», nalios@mail.ru
Масленников Павел Александрович, начальник группы подстанций, Россия, Москва, ПАО
"МОЭСК"maslennikovpa1@gmail.com
MODERN METHODS OF GUARANTEED AND UNINTERRUPTED POWER SUPPLY OF CONSUMERS
Podobedov P.N., JSCo "RZD", Moscow, Russia Leshchinskaya T.B. RSAU-MTAA, Moscow, Russia Nekrasov A.A. All-Russian Agroengineering Center FNAC VIM,
Moscow, Russia Nekrasov A.I. All-Russian Agroengineering Center FNAC VIM, Moscow, Russia Maslennikov P.A. PJSC "MOESK", Moscow, Russia
Abstract. The three most common power schemes for industrial facilities are considered. A hybrid scheme with two separate inputs of 10 kV, one input of 0.4 kV, backup power from a diesel generator set and two-stage uninterrupted power supply to especially responsible consumers was considered as a promising power supply scheme. Analyzed the main causes of emergencies in computerized equipment due to the fault of the supply network. The option of ensuring long-term autonomy of electrical equipment (120 minutes) and the method of selecting a UPS for the considered power supply circuit of especially responsible consumers are considered. The presented version of the scheme of the power supply network of industrial facilities is the most universal. It is necessary in case
of non-uniform load according to the categories of power supply reliability, the presence of a sensitive load on the quality of electrical energy and the need for long-term uninterrupted operation in case of malfunctions in the power supply system of the facility.
Key words: uninterruptible power supply, reliability of power supply, diesel generator set, guaranteed power, uninterrupted power, autonomous power supply, automatic switch-on of reserve.
Podobedov Pavel Nikolaevich, chief supervisor, Russia, Moscow, joint Stock Company "Russian Railways", podobiedov13@mail.ru
Leshchinskaya Tamara Borisovna, Doctor of Technical Sciences, Russia, Moscow, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, tamaraborisovna.leshchinskaya@mail.ru
Nekrasov Anton Alekseevich, candidate of technical Sciences, Russia, Moscow, FSBSI "Federal research center of agricultural engineering VIM", nalios@mail.ru
Nekrasov Alexey Iosifovich, Doctor of Technical Sciences,, head of laboratory, Russia, Moscow, FSBSI "Federal research center of agricultural engineering VIM", nalios@mail.ru
Maslennikov Pavel Aleksandrovich, substation team leader, Russia, Moscow, PJSC "MOESK", maslennikovpal @ gmail.com
