Как это ни странно, но спрос на устройства, обеспечивающие бесперебойную работу компьютерных систем, растет не только в странах с так называемой нестабильной экономикой, но и на Западе. Правда, причины этого роста несколько различны. Если в высокоразвитых странах на первый план выходит поддержание стабильности параметров электропитания, то, скажем, у нас — это наличие его самого как такового. Вопросы же обоснованного выбора и правильного построения систем гарантированного электропитания (СГЭ) в соответствующих документах до сих пор во многом остаются нерешенными.
Прежде чем переходить к рекомендациям, в основе которых лежит практика, рассмотрим последовательно базовые понятия, связанные с электрообеспечением ЛВС, такие, как качество электроэнергии, надежность, система гарантированного электроснабжения, сети электроснабжения и их виды.
Надежность электроснабжения
Понятие надежности в электротехнике можно трактовать как свойство объекта сохранять в установленных пределах в процессе эксплуатации значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. Согласно ныне действующим правилам в отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на три категории и особую группу.
К электроприемникам категории I принадлежат устройства, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего оборудования, нарушение сложного технологического процесса или функционирования особо важных объектов. Их электроснабжение должно осуществляться от двух взаимно резервирующих источников питания (ИП) с допустимым перерывом на время автоматического восстановления питания.
Из категории I выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства. Для их электроснабжения должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего ИП. Его роль могут выполнять бензиновые (БЭС), дизельные (ДЭС) электростанции или другие энергогенерирующие источники.
К электроприемникам II и III категорий относятся менее ответственные установки, и их рассмотрение не представляет для нас интереса.
Следует обратить внимание, что автоматическое включение резерва (АВР), позволяющее за время 3—30 с восстановить питание электроприемников категории I и даже особой группы, приводит только к возобновлению электроснабжения, но не к продолжению их нормального функционирования. Таким образом, обусловленные действующими руководствами категории надежности, не решают проблемы обеспечения ЛВС электроэнергией нужного качества. Поэтому предлагается ввести дополнительную группу, назвав ее "критическая группа электроприемников категории I к надежности электроснабжения". При этом будем исходить из того, что устройства, относящиеся к критической группе, должны выдерживать перерыв питания до 20 мс.
Эти электроприемники по режимам работы можно разделить на два вида: устройства с нормальным режимом работы и с особым. Первые должны обеспечиваться защитой от неполадок питания в течение рабочей смены (суток) или времени, необходимого для завершения соответствующего технологического цикла; вторые — защитой от неполадок питания 24 часа в сутки и 365 дней в году. К последним принадлежат устройства, обеспечивающие непрерывный технологический процесс в реальном режиме времени, когда прерывание недопустимо, или те электроприемники, сбой в работе которых приводит к потере трудно восстанавливаемой информации или к большим финансовым убыткам.
Для электроснабжения потребителей критической группы рекомендуется использовать СГЭ в составе агрегата бесперебойного питания (АБП) и автономного источника питания в виде ДЭС или БЭС. В здании следует предусматривать электропомещения с установкой в них вводных и распределительных щитов (электрощитовой), помещения для АБП и для ДЭС. При этом питающие и распределительные линии силовых, осветительных и компьютерных сетей должны быть разнесены с обязательным формированием автономной сети электроснабжения потребителей ЛВС.
Система гарантированного электроснабжения
Определим систему гарантированного электроснабжения как набор устройств и схемных решений, предназначенных для обеспечения бесперебойным электропитанием необходимого качества электроприемников критической группы во всех режимах работы сети (нормальном, аварийном или режиме профилактического обслуживания входящих в систему узлов и блоков). Заметим, что СГЭ является важнейшей и неотъемлемой составной частью общей системы электропитания здания и обеспечивает необходимую надежность всей цепи. В состав СГЭ обычно входят средства АВР, силовые коммутационные устройства электрощитовой, выполненная по особой схеме распределительная сеть, АБП, ДЭС, автономная электрическая сеть, а также устройства молниезащиты и заземления.
Сети электроснабжения и их виды
В настоящее время существует несколько способов выполнения сетей электроснабжения для питания электроприемников критической группы.
Сеть общего назначения (обычная сеть электропитания здания) — одно- или трехфазная распределительная сеть, в которой все электроприемники питаются от одного магистрального щитка или линии с нулевым (защитным) проводником, присоединенным к основному контуру заземления здания. По нашему мнению, описанная организация сети недопустима для проектирования ЛВС, однако в связи с тем что она не противоречит действующим нормативным документам, такие сети продолжают появляться в решениях большинства проектных институтов.
Выделенная сеть ЛВС (выполняется без дополнительного монтажа распределительной сети) — схема, когда электроприемники ЛВС подключаются на одну выделенную фазу трехфазного магистрального щитка или линии, а все остальные электроприемники — к двум другим фазам. Для защиты электроприемников ЛВС АБП обычно размещают между магистральным щитком и выделенной фазой. Такой способ организации сети — это только первый шаг к разделению электропитания ЛВС для обеспечения возможности подключения АБП — и не больше. Описанная организация распределительной сети для крупной ЛВС не рекомендуется.
Разделенная сеть ЛВС (дополнительно смонтированная сеть при реконструкции) — способ построения, при котором электроприемники ЛВС получают питание по одно- или трехфазной радиально-магистральной сети, отделенной от остальной сети общего назначения. Вводные фидеры разделенной сети подключаются непосредственно к главному распределительному (вводному) устройству здания. Для защиты электроприемников ЛВС АБП обычно размещают у распределительных щитков в узлах разделенной сети. Такой способ организации сети питания электроприемников ЛВС может быть вполне оправдан, а его стоимость практически соответствует стоимости автономной сети.
Автономная сеть электроснабжения ЛВС (дополнительно смонтированная при реконструкции или новом строительстве) — схема монтажа, при которой электроприемники ЛВС получают питание по радиально-магистральной пятипроводной сети, гальванически отделенной от сети общего назначения. Обычно она выполняется на базе АБП, имеющего выходной изолирующий трансформатор со вторичной обмоткой типа звезда, нейтраль которой соединяется со специальным контуром технологического заземления с сопротивлением R =< 0,5 Ом.
Из перечисленных выше четырех видов сетей только автономная сеть электроснабжения ЛВС позволяет обеспечить питание электроприемников электрической энергией необходимого качества за счет устранения блуждающих, импульсных и прочих токов в нейтральных проводниках.
Схемотехнические решения СГЭ
В настоящее время практически реализуются две основные схемы СГЭ: распределенная и централизованно-смешанная. Для всех вновь строящихся или реконструируемых объектов наиболее подходящим решением является схема централизованно-смешанной защиты ЛВС. В случаях, если реконструкция системы электроснабжения не выполняется, или при значительных технических сложностях реализации схемы централизованно-смешанной защиты как временное решение допустимо выполнение схемы распределенной защиты ЛВС.
Рассмотрим область применения, преимущества и недостатки схемы распределенной защиты. Она может быть рекомендована для ЛВС небольшого масштаба (20—40 рабочих мест) в пределах одного или нескольких этажей здания. При этом используются АБП архитектуры on-line со стандартным набором аккумуляторных батарей (на 20—30 минут поддержания электроснабжения при нагрузке 100%) и общим автономным резервным источником электропитания с автоматическим запуском при исчезновении питания городской электросети и устройством АВР. Рекомендуемая схема — разделенная сеть.
К преимуществам распределенной схемы защиты можно отнести:
- простоту установки и наращивания;
- рациональное планирование средств на приобретение АБП;
- возможность маневра при распределении АБП;
- отсутствие требований по специальной подготовке персонала.
Недостатками же следует считать:
- относительно высокую стоимость защиты одного рабочего места;
- невысокий уровень качества защиты и низкие сервисные возможности;
- необходимость при выборе АБП закладывать запас мощности для пусковых токов оборудования;
- сложность централизованного управления;
- отсутствие гибкости в использовании энергии аккумуляторных батарей всех АБП;
- уязвимость оборудования вследствие доступности АБП.
Выполнение схемы централизованно-смешанной защиты ЛВС возможно, по крайней мере, в двух вариантах. В первом — защита всего электронного оборудования осуществляется с помощью центрального мощного АБП архитектуры on-line со стандартным набором аккумуляторных батарей на 15—30 минут поддержания 100%-ной нагрузки и автономным резервным источником электропитания с автоматическим запуском и устройством АВР. При этом электроприемники ЛВС критической группы с нормальным режимом работы дополнительно защищаются расположенными рядом менее мощными АБП. Рекомендуемая суммарная мощность источников 15—80 кВ*А, а в отдельных случаях — и более. Способ выполнения — автономная сеть.
Данный вариант характеризуется следующими преимуществами:
- все оборудование ЛВС постоянно подключено к источнику высокостабильного напряжения;
- перенапряжения, электромагнитные помехи и импульсы напряжения во внешних сетях не оказывают воздействия на оборудование ЛВС;
- при необходимости осуществляется автономная работа от ДЭС, продолжительность которой ограничивается только емкостью топливного бака;
- предоставляются широкие возможности по использованию энергии центральной аккумуляторной батареи (значительное увеличение времени работы от АБП наиболее ответственных приемников при отключении в аварийной ситуации менее ответственных).
Во втором варианте централизованная защита всего электронного оборудования выполняется с помощью параллельного включения нескольких (линейки) АБП архитектуры on-line и автономного резервного источника электропитания с автоматическим запуском при исчезновении питания от городской электросети и АВР. Рекомендуется при наличии электроприемников критической группы с особым режимом работы. При этом такие устройства дополнительно защищены расположенными рядом менее мощными АБП. Рекомендуемая суммарная мощность нагрузки — от 80 кВ*А и выше, способ выполнения — автономная сеть.
К преимуществам второго варианта следует отнести:
- постоянное подключение оборудования ЛВС к источнику высокостабильного напряжения;
- отсутствие воздействия на оборудование ЛВС перенапряжения, электромагнитных помех, импульсов напряжения во внешних сетях и внутренних сетях общего назначения;
- повышение надежности работы системы в целом (при выходе из строя одного из АБП) за счет выполнения ремонтных работ, без прерывания электропитания в автономной сети;
- применение системы управления параллельной работой, что дает возможность изменения суммарной мощности работающих АБП за счет включения/отключения одного или нескольких из них;
- использование энергии центральной аккумуляторной батареи, позволяющей в аварийной ситуации отключить малоответственные электроприемники.
Практические рекомендации по построению СГЭ
Наиболее важными требованиями и рекомендациями, которыми следует руководствоваться при реализации системы гарантированного электроснабжения, можно считать следующие:
- проектирование, поставка, монтаж, техническое обслуживание СГЭ необходимо выполнять комплексно, с учетом параметров всех элементов, входящих в нее, взаимосогласованных режимов работы и максимально возможной унификацией;
- схема автономного питания устройств ЛВС АБП должна иметь выходной изолирующий трансформатор со вторичной обмоткой типа звезда, нейтраль которой соединяется со специальным контуром технологического заземляющего устройства с R =< 0,5 Ом. При этом необходимо, чтобы распределительные щитки автономной сети имели защиту от поражения электрическим током согласно IEC 439-1-85 или ГОСТ 22789—94;
- схема централизованно-смешанной защиты СГЭ должна предусматривать шкаф байпаса (ШБ) и шкаф управления нагрузкой дизель-генератора (ШУН ДГ) для возможности выполнения ремонтных и обслуживающих работ на ДЭС и наладки его работы с АБП без перерыва подачи питания;
- коммутационные аппараты АВР должны иметь механические блокировки от одновременности включения;
- автономность электропитания ЛВС следует обеспечивать не только путем разделения силовых электрических сетей, но и за счет устранения связей между контурами заземления, которые могут возникать по информационным каналам;
- информационные (воздушные) линии ЛВС, прокладываемые снаружи здания или между зданиями, должны быть защищены специальными устройствами ограничения перенапряжения.
Практический опыт работы показывает, что только автономная сеть позволяет в полном объеме обеспечить надежное и высококачественное электропитание ЛВС.