Руководство по устройству электроустановок - Защитные и аварийные устройства

1.4 Защитные или аварийные устройства и резервные источники питания

Обеспечение защитных и аварийных устройств - установленное законом требование
Резервные источники питания экономически необходимы во многих областях, в которых нарушение электроснабжения имеет далеко идущие последствия

Рис. Е1 : Пример цепи распределения высококачественной электроэнергии
Устройства защиты
Применение защитных и аварийных устройств регулируется установленными законом правилами, например, касающимися следующих объектов:
Общественные здания
Высотные многоквартирные дома
Помещения, в которых работают люди (конторы, цеха, заводы и т.д.)
Такие помещения должны оснащаться средствами обеспечения безопасной эвакуации персонала, включая:
Охранное и аварийное освещение
Системы сигнализации и оповещения
Системы автоматических пожарных извещателей

Системы пожаротушения

Системы дымоудаления
Воздушные компрессоры для пневматических систем пожаротушения
Водяные насосы для заправки систем пожаротушения
Кроме общих правил, указанных выше, существуют определенные объекты, для которых правила техники безопасности (ТБ) связаны с конкретным технологическим процессом (например, нефтехимические установки, цементные заводы и т.д.) и оказываемыми услугами (например, освещение туннелей, освещение взлетно-посадочных полос аэропортов и т.д.).
Резервные источники питания
Среди многих областей, в которых не допустимы нарушения электроснабжения, можно выделить следующие (см. Рис. Е18):
Установки информационных систем (защита информации, касающейся страхования, банков, профессиональных практик, государственных органов и т.д.)
Производственные процессы (бесперебойная подача сырья для непрерывной обработки, насосы питательной воды котлов на электростанциях, производство бумаги, опреснительные установки и т.д.)
Пищевая промышленность (холодильные установки, инкубаторные цеха и т.д.)
Телекоммуникации
Научные исследования
Хирургические отделения
Продажа и покупка билетов, бронирование авиабилетов, расчетно-кассовые аппараты и т.д.
установки военного назначения
Следует отметить, что при наличии нескольких резервных аварийных источников питания, они могут использоваться в качестве резервных при условии, что в любое время один из них готов и способен обеспечивать питание защитных и аварийных цепей, а также при условии, что отказ одного из них не повлияет на нормальное функционирование других источников.
Выбор и характеристики резервных источников питания
Кроме ощутимых (хотя и коротких) отключений электропитания, неощутимые нарушения электропитания продолжительностью несколько миллисекунд достаточны для нарушения работы определенного оборудования. Как указывается выше, системы гарантированного энергоснабжения ИБП особо важны в таких случаях, и используются вместе с резервными источниками для обеспечения максимальной безопасности.

Рис. Е18: Примеры резервных источников питания: центральная аккумуляторная батарея (слева) и дизель- генераторная установка (справа)

Основные технические требования
Следующие требования являются, как правило, обязательными по экономическим причинам:
Перерывы в энергоснабжении не допускаются:
В информационных системах (системы IT)
В режимах непрерывной работы за исключением высокоинерционных нагрузок, для которых допускаются нарушения электропитания продолжительностью порядка 1 секунды
Время сохранения данных в информационных системах (системы IT): 10 минут
Период автономности (часто время резервирования) желательно обеспечивать для устройств с резервными источниками питания; такой период зависит от экономических факторов, связанных с эксплуатацией в условиях, не отвечающих минимальным требованиям безопасности персонала
Технические требования в отношении устройств защиты (см. Рис. Е19) Национальные нормы, касающиеся устройств защиты, содержат ряд требований, подлежащих соблюдению в отношении источников питания таких устройств:
Продолжительность нарушения электропитания. Как правило, предъявляются следующие требования в зависимости от причины и страны:
Бесперебойное питание
Перерыв менее 1 с
Перерыв менее 15 с
Период автономности, требуемый для резервных источников: Как правило, соответствует времени, необходимому для завершения всех операций по обеспечению безопасности людей, например, время эвакуации общественного здания (1 час минимум). Для больших многоквартирных домов период автономности источника должен составлять не менее 36 часов.

В зависимости от экономических факторов
Предельное время сохранения данных
Рис. Е1 : Таблица выбора типа резервного источника питания в зависимости от основных эксплуатационных характеристик и допустимой продолжительности перерыва в питании энергоснабжения
Выбор и характеристики различных источников
Несколько возможных решений характеризуются по обеспечиваемой степени эксплуатационной готовности, т.е., незамедлительное переключение нагрузки или с задержкой, а также автономность, т.е., способность питания нагрузки в течение заданного времени без вмешательства персонала (например, для пополнения топливных баков). Кроме того, необходимо учитывать следующее:
Ограничения, накладываемые местом установки: в частности, для специальных объектов и в соответствии с типом источника.
Дополнительное оборудование
Эксплуатационные ограничения, например, необходимость соблюдения инструкций изготовителя по эксплуатации или местных установленных законом правил и т.д.
Требования в отношении регламентных работ, которые могут накладывать далеко не идеальные ограничения в течение периодов, отводимых под такие работы.
Общий анализ многих возможностей и сопутствующих ограничений часто приводит к оптимальному решению, основанному на схеме гарантированного энергоснабжения с использованием установки бесперебойного питания (ИБП) и резервного дизель-генератора. Аккумуляторные батареи обеспечивают бесперебойное питание в течение пуска резервной генераторной установки и переключения на нее нагрузки (см. Рис. 20).

Монтажные ограничения

Двигатель-генераторный агрегат непрерывного режима работы с высокоинерционным маховиком При нарушении режима электропитания переключение нагрузки занимает, как правило, менее 1 с.
Больше при аккумуляторной батарее негерметичного типа
До капремонта
Анализ требований ТБ позволяет определить оптимальную схему
В зависимости от предварительного прогрева агрегата
Комплект ИБП и местной генераторной установки - оптимальное решение для обеспечения длительной автономии.
Рис. Е2(: Характеристики различных источников
Местные генераторные установки
На определенных объектах требуется электропитание, независимое от коммунальной сети. В таких случаях обеспечивается местный генератор (как правило, с приводом от дизельного двигателя) и ИБП. При этом время обеспечения резервного питания аккумуляторной батареей ИБП должно быть достаточным для пуска дизельного двигателя и подключения генератора к нагрузке.
Время, требуемое для переключения с одного источника на другой, зависит от характеристик конкретной установки, таких как последовательность пуска двигателя, возможность сброса несущественных нагрузок и т.д.

Как правило, такое переключение осуществляется на главном низковольтном распределительном щите посредством системы автоматического переключения источника, такой как на Рис. Е21.

(1) Необходим в некоторых случаях, например, выравнивание напряжения Рис. Е2 : Пример комплекта ИБП/генератор с автоматической системой переключения
E16

В течение работы ИБП в нормальном режиме питание переменного тока поступает в секцию выпрямителя, и лишь крайне малая часть питания постоянного тока на выходе выпрямителя используется для поддержания батареи в полностью заряженном состоянии. Остальная часть питания постоянного тока преобразуется в питание переменного тока исключительно для нагрузки. В случае переключения с питания нормального режима на питание от резервного генератора, важно (особенно в случае большой нагрузки в сравнении с номиналом генератора) избежать повреждения вала и муфт генератора из-за больших моментов на валу генератора, возникающих в переходном режиме.
Величина этих моментов определяется алгебраической суммой статического момента от приложенной нагрузки и момента сил упругости.
Причина появления последних - «крутильные колебания» вала, которые возникают из-за скручивания упругого вала под действием разности моментов приложенных к его концам (конец связанный с нагрузкой и конец подсоединенный к двигателю) и возвращение его в исходное состояние под действием моментов сил упругости. Для предотвращения такого явления выпрямитель обеспечивается электронной настройкой для первоначального прохождения слабого тока с последующим постепенным увеличением тока до полного питания нагрузки от генератора. Такой режим длится 10-15 с.
Отключение ИБП также осуществляется постепенно посредством аналогичных регуляторов в цепях выпрямителя.
Кроме того, постепенное приложение нагрузки позволяет предотвратить возможность возникновения больших переходных токов и колебаний частоты, вызываемых инерционностью системы регулирования скорости первичного двигателя.
Выпрямитель в преобразовательной системе генерирует гармонические токи, что означает, как правило, необходимость снижения мощности резервного генератора (т.е., может требоваться установка генератора большей мощности, чем требует нагрузка). Данный вопрос подлежит обсуждению с изготовителем источников бесперебойного питания (ИБП). В примере на Рис. Е21, питание от ИБП синхронизировано с питанием выпрямителя таким образом, что в случае перегрузки или отказа инвертера ИЮП мгновенное включение статического выключателя на два направления позволит поддержать питание.