6. Структура системы электроснабжения компьютерного и телекоммуникационного оборудования

Структурная схема электроснабжения офиса (центра обработки данных), включающего компьютерные и телекоммуникационные устройства, показана на рис. 8, а граф функционирования основных подсистем – представлен на рис. 9.

Рис. 8. Структура системы электроснабжения офиса:

АВР – устройство автоматического ввода резервного питания; ДГУ – дизель генераторная установка; группа А – потребители, перерыв в электроснабжении которых не допустим; группа В – потребители, допускающие перерыв в электроснабжении на время автоматического ввода резервного питания; группа С –прочие потребители

Рис. 9. Граф функционирования основных подсистем:

СОЭ – система общего электроснабжения; СБЭ – система бесперебойного электроснабжения; СГЭ – система гарантированного электроснабжения

Характер взаимодействия отдельных подсистем показан на диаграмме, приведенной на рис. 10.

Рис. 10. Временная диаграмма работы СБЭ и СГЭ

Выбор конкретного типа ИБП. Выбирается ИБП GP OMEGA (рис. 10а) мощностью 120 кВ·А, построенный с использованием технологии двойного преобразования энергии VFI-SS-111.

Рис. 10а. ИБП GP OMEGA

Основные характеристики устройства АВР. Основные требования, предъявляемые к устройствам автоматического ввода резерва (АВР) при построении СОЭ офиса:

1. При использовании АВР должны быть приняты меры, исключающие возможность замыкания между собой двух независимых источников питания друг на друга, причем в дополнение к требованиям ПУЭ службы энергонадзора, как правило, требуют наличия не только электрической, но и механической блокировки коммутирующих элементов.

2. Для исключения ложных срабатываний при переключениях АВР на стороне высокого напряжения должна быть предусмотрена возможность регулировки задержки переключения при неисправностях одной из сетей.

3. Важное значение имеет наличие регулировки порогов срабатывания АВР в диапазоне контролируемого напряжения для каждого ввода. Так, например, в случае подключения к выходу АВР ИБП согласование между собой диапазонов входных напряжений обоих устройств позволяет обеспечить своевременное переключение на резервную сеть при отклонении напряжений основной питающей сети за заданные значения и тем самым исключить длительную работу ИБП на батареях при исправной резервной сети.

4. Желательно наличие индикации состояния и возможности ручного управления АВР.

Анализ конструктивных особенностей различных типов АВР.

Тиристорные (электронные) АВР. Аппараты этого типа имеют минимально возможное время переключения при синфазных сетях (не более 3мс), а при несинфазных сетях могут обеспечивать включение резервного ввода в момент перехода его входного напряжения через нуль (с целью ограничения возможных бросков тока при коммутации). Отсутствие в схеме механических элементов позволяет получить высокую надежность электронных АВР.

В то же время при больших токах нагрузки тепловыделение тиристорных АВР может достигать нескольких киловатт (потребуются принудительная вентиляция или кондиционирование помещения электрощитовой), а блокировка от возможных замыканий двух входов между собой может быть только электронной.

Кроме того, стоимость тиристорных АВР примерно в два раза выше, чем стоимость электромеханических аппаратов той же мощности.

Электромеханические АВР на контакторах. Эти устройства наиболее распространены и имеют достаточно высокое быстродействие среди электромеханических аппаратов (десятки - сотни миллисекунд), уступая только тиристорным. При двухвходовой схеме АВР существует возможность ввести в дополнение к электрической механическую блокировку контакторов.

Электромеханические АВР на автоматических выключателях с электроприводом. Такие АВР несколько уступают предыдущим по быстродействию и также позволяют осуществить механическую и электрическую блокировки при двухвходовой схеме.

К недостаткам можно отнести более сложную схему и более высокую стоимость этих устройств.

Электромеханические АВР на управляемых переключателях с электроприводом. Характеризуются наибольшим временем переключения, по сравнению с предыдущими типами аппаратов (до 2,5 с). К достоинством этих АВР можно отнести конструктивную невозможность замыкания между собой двух входов, а также наличие ручного управления, которое выполняется независимо от напряжения на сетевых вводах.

Стоимость АВР на управляемых переключателях при мощностях более 100 кВ·А значительно ниже, чем стоимость аппаратов на контакторах и автоматических выключателях.

У всех рассмотренных типов АВР при необходимости могут быть реализованы функции контроля верхнего и нижнего уровня напряжений, введены элементы регулировки задержек и схемы управления работой ДЭС.

На основе изложенного можно сделать следующие выводы:

Для проектируемой СБЭ, имеющей два независимых ввода электроснабжения, целесообразно использовать АВР электромеханического типа, которое может быть выполнено на контакторах. Схема АВР должна предусматривать регулировки задержек переключения, порогов срабатывания во всем диапазоне входных напряжений. Необходимо наличие механической блокировки, исключающей возможность замыкания двух входов друг на друга.

Структура СБЭ. Для СБЭ выбирается централизованная структура. Преимущества этой системы (рис. 11) определяются концентрацией запаса мощности и емкости батарей. Такая система менее чувствительна к локальным перегрузкам и даже выдерживает короткие замыкания, переходное сопротивление которых превышает некоторую величину, определяемую запасом выходной мощности ИБП. Увеличение времени автономности достигается простым отключением менее ответственных потребителей.

Другим преимуществом централизованной СБЭ, построенной на базе мощного трехфазного ИБП, является исключение перегрузок нейтрального проводника на входе ИБП, что повышает надежность всей сети электропитания, и, что существенно, не требует проведения работ по перекладке кабельных линий, по которым осуществляется энергоснабжение здания.

Стоимость аппаратных средств централизованной системы при равной мощности и одинаковых схемотехнических решениях ИБП ниже по сравнению с распределенной системой.

Рис. 11. Обобщенная схема централизованной СБЭ

Система гарантированного электроснабжения. Система гарантированного электроснабжения (СГЭ) строится на основе дизельной н0генераторной установки. Выбирается ДГУ Aksa APD 200 C мощностью 180 кВ·А, рис. 11а.

В нормальных условиях, т.е., при сохранении основного энергопитания здания по городским линиям, оборудование функционирует в следующем режиме:

Контактор в блоке управления и коммутации нагрузки ДГУ находится в положении "Mains", т.е. основная сеть. Энергоснабжение потребителей группы "В" осуществляется через этот контактор напрямую от основной сети. ИБП (или параллельный комплекс ИБП) запитан также от основной сети через контактор БУ КН ДГУ (рис. 12). Работая в режиме двойного преобразования энергии, ИБП обеспечивает стабильно высокие показатели качества электроэнергии на выходе. Аккумуляторные батареи находятся в режиме поддерживающего заряда, тем самым обеспечивается их максимальный ресурс при отключении внешнего питания ИБП.

Рис. 11а. ДГУ Aksa APD 200 C

Рис. 12. Схема энергоснабжения нагрузки в нормальном режиме работы СГЭ

При возникновении аварийной ситуации (отключение электроснабжения от ТП 1) исчезает питание на входе ИБП, который переходит в режим работы от аккумуляторных батарей. Перерыва в энергоснабжении потребителей группы "А" не происходит (рис. 13).

Рис. 13. Схема энергоснабжения нагрузки в аварийном режиме работы СГЭ

По команде от датчика наличия входной сети, встроенного в БУ КН ДГУ, начинается отсчет времени (длительность интервала программируется), после окончания которого блок управления дает команду на запуск ДГУ. Если первая попытка запуска была неудачной, блок автоматики повторяет команду на запуск. После выхода ДГУ на рабочий режим (частота и напряжение в пределах допуска), блок управления обеспечивает переключение контактором нагрузки на выход генератора (рис. 14). Блок микропроцессорного управления ИБП имеет алгоритм "мягкого старта", с помощью которого увеличение потребления по входу при возобновлении питания ИБП происходит не скачкообразно, а постепенно (длительность этого интервала увеличения нагрузки до максимального значения составляет не менее 10 секунд). Эта функция ИБП позволяет не перегружать генератор при подключении нагрузки большой мощности и сохранять показатели качества электроэнергии на его выходе в пределах номинальных значений.

Рис. 14. Схема работы в аварийном режиме

В автономном режиме СГЭ может функционировать в течение длительного промежутка времени, определяемого количеством топлива в топливном баке ДГУ и удельным расходом топлива (величина этого параметра зависит от нагрузки). Если энергоснабжение от ТП 1 не восстанавливается по окончании ресурса топлива в штатном топливном баке, то блок автоматики ДГУ останавливает генератор, не вырабатывая минимальный резерв топлива, необходимый для гарантированного запуска ДГУ в дальнейшем. В этом случае дежурный персонал должен принять решение о прекращении работы оборудования и отключении ИБП, либо о продолжении работы до исчерпания ресурса аккумуляторных батарей и автоматического отключения ИБП. Время автономной работы ИБП является функцией от величины текущей потребляемой мощности, поэтому уменьшение энергопотребления путем отключения менее ответственной нагрузки (рабочих станций) позволяет существенно продлить время автономной работы.

Каскадная структура построения СГЭ обеспечивает дополнительный ресурс автономной работы для наиболее ответственного оборудования (серверные комплексы, активное сетевое оборудования, а также системы связи). Поэтому даже при отключении центрального ИБП файловые структуры на серверах не нарушаются, поскольку специальное программное обеспечения связи с ИБП инициирует процесс закрытия серверов в автоматическом режиме при отключении центрального ИБП.

При устранении аварии до исчерпания ресурса топлива ДГУ блок управления ДГУ по команде от датчика состояния входной сети переключает контактором нагрузку на основной вход (рис. 15). После этого (через 120 секунд после отключения нагрузки от генератора) происходит автоматическое глушение двигателя. Этот промежуток времени, в течение которого ДГУ работает без нагрузки, позволяет быстро охладить генератор и двигатель, что гарантирует более надежный запуск ДГУ при следующих авариях.

Рис. 15. Схема энергоснабжения нагрузки при устранении аварии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан система электроснабжения объекта, включающий 4 трансформаторные подстанции 10/0.4 кВ с суммарной мощностью 3.34 МВ·А. Все подстанции приняты двухтрансформаторными.

2. Электроснабжение подразделений объекта осуществляется кабельными линиями 10 кВ с суммарной протяженностью кабельных трасс 0.54 км.

3. Для компенсации реактивной мощности на шинах 0.4 кВ ТП устанавливаются автоматически регулируемые конденсаторные установки суммарной мощностью 1230 квар.

4. Для электроснабжения компьютерного и телекоммуникационного оборудования офиса разработана СЭС, включающая три подсистемы: СОЭ, СБЭ и СГЭ. СБЭ построена по централизованному принципу, мощность ИБП составляет 125 кВ·А. ИБП выполнен по принципу VFI.

4. Гарантированное электроснабжение осуществляется с помощью дизельной генераторной установки мощностью 140 кВ·А.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Крюков А.В. Методы расчета электрических нагрузок предприятий железнодорожного транспорта. – Иркутск, 2004. -131 с.

2. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. - Иркутск: Иркут. ун-т. – 2005. – 273 с.

3. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Соколов В.Ю. Моделирование систем электроснабжения с мощными токопроводами: монография / под ред. А.В. Крюкова. – Иркутск: ИрГУПС. – 2010. – 80 с.

4. Воробьев А.Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. - М.: ЭкоТрендз, 2002. – 280 с.

2. Дополнительная литература

1. Климов В.П., Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания // Практическая силовая электроника. – М.: ММП-Ирбис, 2002.– Вып 5.

3. Климов В.П. Тенденции развития UPS // Банковские системы и оборудование, №3, 1994, С.40-46.

3. Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В. Топологии источников бесперебойного питания переменного тока // Электронные компоненты. – №7.– 2003.

4. Климов В.П., Смирнов В.Н. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания // Практическая силовая электроника, 2002. – Вып. 5. – С..21-23.

5. Гейтенко Е.Н. Проектирование устройств электроснабжения систем телекоммуникаций. – Самара: Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2009. ­– 74 с.

And_kryukov@mail.ru

1