В помощь специалисту: современный подход в построении систем АВР
Современная жизнь, как в быту, так и в промышленности, полностью зависима от бесперебойного энергоснабжения, добиться которого можно при помощи резервных источников питания. Именно на них в случае выхода из строя основного источника электроэнергии ляжет вся нагрузка.
Основная задача инженера, проектирующего систему питания — исключить возможные сбои при переводе на резервные источники электроснабжения. Иначе не избежать опасных последствий, как это было, например, на АЭС в Чернобыле и Фукусиме, когда не удалось ввести электрический резерв для устройств охлаждения реактора.
Сегодня самым распространённым решением для поддержания бесперебойного питания является автоматический ввод резерва (АВР). Данное устройство представляет щит, в котором установлено коммутационное оборудование, осуществляющее переключение с основного источника питания (от которого постоянно работает нагрузка) на «запасной».
При разработке и обустройстве систем ввода резерва часто возникает целый ряд технических вопросов. Разобраться с некоторыми из них помогут эксперты:
Геннадий Горбунов, специалист компании «Электрощит-ЭМ», работающей в сфере энергетики, проектирования и монтажа;
Алексей Визер, специалист компании «ЛВС Инстал», занимающейся созданием энергетических объектов;
Алексей Ремизов, специалист компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.
Что может выступать в роли резервного источника электрической энергии?
Геннадий Горбунов (Г.Г.): На практикев качестве резервного источника, как правило, выступают:
- смежные секции сборных шин, получающие питание от других трансформаторов или линий;
- автономные источники, такие как дизель-генераторы, или источники бесперебойного питания (ИБП) на аккумуляторных батареях.
Выбор того или иного типа резервного источника зависит от технических требований, предъявляемых к системе. Например, для питания потребителей I категории электроснабжения, обесточивание которых может сказаться на безопасности людей и вызвать значительный ущерб, чаще всего применяются независимые источники питания. Ими могут быть близкостоящие трансформаторные подстанции или генераторные установки (как правило, с дизельными двигателями).
Источники бесперебойного питания применяются довольно редко. Мы выполняли несколько проектов центров обработки данных (ЦОД) в аэропортах, там как раз есть необходимость установки ИБП. Но такие решения получаются дорогими и довольно громоздкими, ведь под аккумуляторы выделяется целое помещение.
Алексей Визер (А.В.): В использовании дизель-генераторов (ДГУ) есть один нюанс – оборудованию нужно время, чтобы выйти на номинальный режим работы. Некоторым машинам для запуска необходимо около 1 минуты. Поэтому для ответственных потребителей необходимо применять источники бесперебойного питания. Например, в больницах (помещениях операционных) при аварии ИБП должен обеспечить подачу питания, чтобы врачи могли закончить работу.
Категории электроснабжения
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ):
I категория — электроприёмники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции, расстройство технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Такие потребители должны обеспечиваться энергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. Перерыв их электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания;
В I категории потребителей выделяют особую группу электроприёмников, для электроснабжения которой должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.
II категория — электроприёмники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям рабочих механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Для этой категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. Допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.
Для электроприёмников III категории (все остальные электроприёмники, не подходящие под определения I и II категорий) электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены повреждённого элемента системы электроснабжения, не превышают одних суток.
Какие требования предъявляются к АВР?
Алексей Ремизов (А.Р.): Выделяют следующие общие требования:
- Схема АВР должна приходить в действие при исчезновении напряжения в линии потребителя по любой причине, в том числе при аварийном, ошибочном или самопроизвольном отключении выключателей рабочего источника питания;
- Включение резервного источника питания должно производиться с задержкой по времени, исключающей ложные срабатывания АВР. Либо без задержки, в случаях, когда не допускается даже кратковременная потеря питания: например, больницы, центры обработки данных (ЦОД), аэропорты;
- Устройство АВР не должно приходить в действие до отключения выключателя рабочего источника, чтобы избежать одновременного подключения двух источников, которое может привести к аварии в системе.
Какие бывают схемы автоматического ввода резерва?
Г.Г.: В простейшем варианте подключения используются 2 источника энергии: резервный и основной. Они предназначены для бесперебойного энергоснабжения одного потребителя. Такие схемы принято называть «2 в 1».
Для некоммерческих и промышленных предприятий применяются более сложные схемы и их комбинации. Например, довольно распространённая схема «2 в 2» (два рабочих ввода на две секции шин потребителя) используется в качестве АВР в низковольтных трансформаторных подстанциях на стороне 0,4 кВ и обеспечивает бесперебойное электроснабжение городских объектов инфраструктуры. Для потребителей особой группы, где необходимы три независимых источника, используются схемы «3 в 1» (каскад) и «3 в 2».
Однако не всегда удаётся решить вопрос 100%-го резервирования. В таких случаях следует обеспечить питанием только критически важное оборудование: к примеру, в больнице – аппарат искусственной вентиляции лёгких в отделении реанимации; взлётно-посадочное освещение аэродромов и пр.
А.Р.: Как правило, каждый потребитель подключается к секции шин распределительного устройства низкого напряжения (РУНН) с помощью автоматического выключателя. При переключении такой секции на резервный ввод мощности источника может быть недостаточно для суммарной нагрузки секции шин. В таких случаях часть неприоритетных нагрузок может быть отключена для сохранения энергетического баланса системы.
Если говорить о технической реализации схем, как правило, АВР выполняется на контакторах, автоматических выключателях или реверсивных выключателях нагрузки с моторным приводом и блоками управления. Выбор коммутационного оборудования в схемах АВР в первую очередь зависит от номинальных токов, типа схемы («2 в 1», «2 в 2», «3 в 2»), уровня диспетчеризации и автоматизации потребителя энергоресурсов.
Рис. 1. Решения для ввода резерва от компании АББ
Как реализуются схемы АВР на контакторах?
А.Р.: Такая схема выполняется для АВР типа «2 в 1». Для этого используется два контактора, каждый из которых контролирует параметры своего – основного или резервного – ввода. Иными словами, если происходит обесточивание на шине основного ввода, то первый контактор разрывает сеть, а второй контактор подключает резервное питание, поступающее, допустим, от трансформатора. Причём включить оба контактора нельзя, так как между ними есть механическая и электрическая блокировки. Для защиты оборудования от перегрузки и токов короткого замыкания (КЗ) в таких схемах используются автоматические выключатели или предохранители.
А.В.: Схемы АВР на контакторах являются самыми быстрыми (время переключения может составлять 50 мс) по сравнению с выключателями. А на небольшие токи (до 100 А) ещё и наиболее экономически целесообразными. Однако есть и минусы — это зависимость от напряжения питания. При просадке или потере питающего напряжения контактор отключится и потребитель будет обесточен.
Как реализуется АВР на автоматических выключателях?
Г.Г.: Автоматические выключатели имеют большие возможности и могут использоваться для организации сложных схем АВР. В базовых исполнениях эти аппараты оснащены функциями защиты от перегрузки и токов КЗ. Для дистанционного управления каждому выключателю необходимо предусмотреть моторный привод, а для блокировки от одновременного включения на два источника питания требуется электрическая или механическая блокировка.
А.В.: Хочу согласиться со своим коллегой, схемы АВР на автоматических выключателях являются достаточно сложными и требуют от проектировщиков и монтажников высокой профессиональной подготовки.
А.Р.: Кроме функций АВР, автоматические выключатели позволяют осуществить контроль и управление энергосистемой дистанционно, т.е. построить систему диспетчеризации, что является неотъемлемым требованием для современных систем электроснабжения ответственных потребителей.
Как реализуются решения АВР на базе реверсивных выключателей с блоками управления?
Рис. 2. Контактор А 750-30-11
А.Р.: Такие решения являются самыми простыми и надёжными.Конструкция реверсивного выключателя нагрузки представляет собой два выключателя, сблокированных между собой и исключающих одновременную работу. Для автоматического управления выключатели оснащаются моторным приводом.
Исходя из описанной конструкции аппарата очевидно, что для реализации схемы автоматического ввода резерва достаточно одного коммутирующего устройства, а не нескольких, как в вышеописанных случаях. Также решения на реверсивных выключателях являются самыми компактными. Всё это позволяет значительно уменьшить расходы при выборе и сборке шкафа.
Реверсивные выключатели с моторным приводом могут управляться внешними сигналами от реле или контроллера и могут быть включены в состав сложных систем электроснабжения. Для управления схемой «2 в 1» с ДГУ реверсивные выключатели могут комплектоваться блоками OMD. В одном компактном блоке серии OMD(сегодня доступны три версии: OMD200, OMD300 и OMD800) объединены все функции управления. Он контролирует напряжение и частоту; имеет уставки задержки по времени переключения АВР для пуска и останова генератора; обладает возможностью задания приоритета линий и может работать в одно- и трёхфазных сетях.
Самый многофункциональный блок, OMD800, оснащён ЖК-дисплеем. Устройство имеет возможность индивидуальных настроек параметров основной и резервной линии, а в случае несоответствия им питающего напряжения потребитель будет отключён для исключения аварийного режима работы. Помимо управления источниками питания, блок может управлять нагрузками потребителя и при работе от резервного источника отключать неприоритетные линии. Все необходимые параметры отображаются на экране блока и могут передаваться в цепи диспетчеризации по универсальному протоколу Modbus. Устройство имеет русскоязычный интерфейс.
Преимущества этого решения состоят в простоте выбора, монтажа и настройки. Компактность изделия позволяет уменьшить стоимость решения, а заводская сборка обеспечивает высокую надёжность и безопасность эксплуатации.
Рис. 3. Устройство АВР на основе реверсивных выключателей-разъединителей
с блоками управления серии OMD
Как видно из вышесказанного, каждое оборудование имеет свои достоинства и недостатки, и выбор схемы реализации автоматического ввода резерва остаётся за специалистом. При этом не стоит забывать, что зачастую квадрат с надписью «Блок/Щит АВР» на чертеже в реальности представляет собой десятки пунктов спецификации и несколько часов сборки, монтажа и пуско-наладки. Сегодня же можно легко «переложить» эти задачи на плечи производителя и пользоваться уже укомплектованными решениями.
👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках
Об АВР и стоечных переключателях
АВР – очень широкое понятие. Совершенно одинаково называются устройства, которые трудно назвать одним прибором. Мы видим и однофазный модульный АВР на 16 ампер, и, совсем не похожий на него, АВР на 6 400 А. При этом, оба носят абсолютно одинаковое наименование – автоматический ввод резерва.
Это вполне обосновано, ведь основная их задача — обеспечить резервирование электропитания ответственной нагрузки. АВРы отличаются не только токами, но и большим количеством других электрических и временных параметров, зависящих от того в какой сети и для питания каких нагрузок они предназначаются. Неизменным остается только наличие, как минимум, двух вводов и одного вывода.
С приходом в нашу жизнь импортного телекоммуникационного оборудования и зарубежных стандартов, проникло и новое словосочетание — стоечный переключатель нагрузки. Они могут быть двух основных типов: ATS (Automatic Transfer Switch) и STS (Static Transfer Switch). Статический переключатель (STS) это отдельный класс устройств, мы их касаться не будем. А вот автоматический переключатель (ATS) это и есть наш родной АВР. Тот же самый АВР, только имеющий свои особенности и специфику подключаемой нагрузки, которая располагается на тех же 19-ти дюймовых направляющих по соседству.
Поговорим подробнее о сходствах и различиях ATS и АВР, почему это не одно и тоже? Или, может быть, одно и тоже.
Итак, какие потребители требуют надежного и бесперебойного электроснабжения?
Во многих секторах экономики технология производства или оказания услуг имеет в своей основе непрерывные процессы, перебои в которых не допустимы. Это и медицина, и промышленное производство, и добыча полезных ископаемых, и транспортировка энергоресурсов, и IT-сектор, куда же без него во время всеобщей цифровизации.
Перерывы в электроснабжении некоторого оборудования могут привести не просто к краткосрочной остановке, а вызывают каскад проблем: остановку технологического процесса, рассинхронизацию работы различных систем, потерю ценных данных. Для кого-то это прямые финансовые потери, для кого-то большие репутационные риски.
Повысить надежность электроснабжения ответственного оборудования призваны наши АВРы и ATSы. Чем же они похожи?
И тот, и другой предназначены для обеспечения питания оборудования с одним вводом от двух независимых источников питания. Оба производят переключение электропитания на резервный источник при исчезновении напряжения на основном. Это главное, что их объединяет.
Может ли АВР размещаться на 19-ти дюймовых направляющих? Конечно, может. Как говорится, мой АВР, куда хочу туда и ставлю )) Существует немало модификаций АВРов собранных в 19” корпусах, в том числе выпускаемых серийно.
АВР и ATS, также, могут иметь и схожие характеристики по току нагрузки, например в 32А.
Будет не верным утверждение, что ATSы устанавливают только после ИБП. Не редким является случай, когда на один из входов подается «чистое» питание от ИБП, а на второй «грязное» питание от другого источника. И тут опять они схожи.
В чем же разница?
В нюансах, в небольших нюансах, которые, в большинстве случаев, делают замену одного на другое не только не рекомендуемой, но и недопустимой.
И так, начнём с АВРов, они роднее как-то.
Поскольку мы говорим об АВР и стоечных переключателях, мы не будем рассматривать те АВРы, которые питают «дома, заводы, пароходы». Обратим внимание на те модификации, которые питают потребителей в сфере телекома, автоматизации, центров обработки данных и т.п. Они, как правило, уже адаптированы по своим электрическим и габаритным характеристикам. Но как я писал выше: есть нюансы, которые могут быть чужды ATSам, но очень нужны АВРу.
АВР должен питать нагрузку напряжением, соответствующим «норме» или, как говорят, уставкам. Часто требуется задать уставки для каждого ввода индивидуально. Уставки могут быть не только по напряжению, а также, по времени задержки возвращения на приоритетный ввод. Это требование продиктовано возможными переходными процессами при восстановлении питания в сети.
Иногда необходимо назначить приоритет какому-либо из вводов. И да, периодически этот приоритет может изменяться. Живой пример: летом более надёжен один источник питания, зимой другой (наша страна велика и слабо изучена).
АВР должен, при всех превратностях источника питания, сохранять свою работоспособность. Конечно, снижение напряжения или его исчезновение не способно навредить АВРу, а вот повышение очень даже способно. АВР должен стоически переносить всевозможные скачки напряжения в питающей сети, а также, возможные перекосы напряжения по фазам при различных нештатных ситуациях. По этой причине самые простые схемы АВР, реализованные просто на контакторах и автоматах, являются не очень надежными.
Во-первых, контакторы никогда не отключатся при повышении напряжения и продолжат питать нагрузку «неправильным» напряжением. Во-вторых, их катушки перегреются и сгорят. Бывают особо экстремальные случаи, когда вместо положенных 220В в сети может быть до 380В.
Лирическое отступление. Ранее я работал в компании, которая поставляла комплектные шкафы связи, в том числе в них были установлены и АВРы, собранные по простой схеме: два силовых контактора, реле приоритета и само собой автоматы. На одной из электроподстанций, при работах на щите собственных нужд, все контакторы на основном вводе и катушки реле приоритета ввода нам пожгли, ну и еще кое чего немножко…!
Поскольку АВР установлен в сети «грязного» питания, он должен иметь возможность отключить питание нагрузки. В том числе, при повышении напряжения на вводе и, при этом, сам не сгореть. Поэтому схемы АВРа без надежных реле контроля напряжения на входе, работающих при повышении значения напряжения до линейного, мы бы не рекомендовали применять.
Повредит ли такая устойчивость к «неприятностям» стоечному переключателю? Нет, ни сколько. Просто она ему, как правило, не нужна… Но и мешать она не будет!
Иногда АВРы могут иметь более двух вводов, могут подключать генераторы и управлять ими, что в ATSах обычно не применяется, им это просто не нужно.
Часто АВРы имеют в своем составе автоматические защитные выключатели. Они могут быть включены на входах, могут быть на выходе или там, и там одновременно. Это позволяет избежать как повреждения самого АВРа, так и полного обесточивания нагрузки. При этом надежность схемы повышается наличием у АВРа нескольких выходов, защищенных отдельными автоматами.
У стоечных переключателей коммутация вводов и нагрузки обычно производится шнурами со стандартными вилками, что сводит к минимуму возможность рукотворного КЗ. Блоки питания подключаемого оборудования, как правило, имеют в своей схеме предохранители. Все это делает защиту автоматами не очень актуальной, в большинстве случаев производители ограничиваются «термичками». Помешают ли ATSу автоматы на входах или выходе? Да тоже вряд ли.
В отличие от ATS, которые оптимизированы для применения в современных шкафах с телекоммуникационным и вычислительным оборудованием, АВРы не всегда применяются на такую достаточно стандартную и понятную нагрузку. Нагрузка АВРа может быть весьма разнообразной по характеру. Возможен и емкостной, и индуктивный, и резистивный ее характер, а также их всевозможная смесь.
По этой причине характер переключения АВРа стараются сделать таким, чтобы не провоцировать при переключении серьезных толчков. Самое частое «мероприятие» в этом направлении — это достаточный перерыв в электроснабжении, в течение которого вся накопленная энергия в емкостях и сердечниках нагрузки расходуется. После возобновления питания вся нагрузка подключается к сети заново и возмущения находятся в приемлемых пределах.
Данный способ переключения к тому же не требует дополнительных технических решений и финансовых затрат, обеспечивается за счет низкой скорости работы контакторов. Полученный перерыв электроснабжения в пределах 500мс оказывается вполне достаточным. В более продвинутых АВРах включение резерва может происходить и за более короткое время, но в момент токовой паузы (перехода синусоиды через нулевую точку), это также обеспечивает более плавное переключение.
Более медленное переключение АВРа обеспечивает и еще один важный момент — гарантирует невозможность контакта одного ввода с другим, что чревато аварийными ситуациями. И вот в данном месте принципы работы АВРа и ATSа расходятся. Главной задачей ATSа является, как раз, обеспечить непрерывность работы подключенного к нему оборудования.
Специалисты хорошо знают о существовании объединения производителей компьютерной и другой подобной техники (CBEMA), которое решило, что нужно придерживаться правила — при полном исчезновении питания оборудование должно продолжать работать стабильно еще не менее 20мс, а далее… извините. В связи с этим про существование кривой ITIC знают все, кто так или иначе работает с серверами, коммутаторами, мультиплексорами и т.д. Вот поэтому у ATSа и стоит такая сложная задача: исключить перерыв питания оборудования длительностью более 20мс, а лучше и того менее.
А может можно и АВР заставить переключаться быстрее?
Да, конечно. Если от АВР не требуется искусственно снизить скорость переключения, то он вполне сможет переключиться со скоростью ATS. А можно ли ATS сделать более медленным переключателем? Легко! Замедлить быстрое всегда проще, чем разогнать медленное. Может эта принципиальная разница тоже не так уж принципиальна и разрешаема?
Есть ли еще какие-то различия между этими устройствами? Да есть. Но они больше связаны с привычками и предпочтениями пользователей. Энергетики и Айтишники часто по-разному понимают то, как должно выглядеть электроснабжение. Если энергетикам иногда хватает сигнальных ламп, то привыкшим к монитору хочется наблюдать за работой всего оборудования онлайн.
Разница может быть и в привычках коммутации. Многие уже привыкли к тому, что всё на свете можно соединить между собой стандартными шнурами с вилками C13/C14 на концах, без инструмента, без мороки, без маркировки 😊 АВРы не всегда обладают подобными возможностями и часто энергетики устанавливают после них еще и распределительные панели с автоматическими выключателями. Но опять же все это можно объединить в одной конструкции, главное ведь, что бы всем было привычно и удобно!
Итак, можно ли получить универсальный прибор, сочетающий в себе особенности и преимущества как АВР, так и ATS?
Получается, что в большинстве случаев можно. Хоть они и решают немного разные задачи, не так уж сильно друг от друга отличаются.
А зачем? Зачем такая унификация? Все, кто связан с обслуживанием оборудования? понимает преимущества применения унифицированного оборудования: меньше ЗИПа, проще обучить персонал, меньше производственных инструкций и они тоньше, легче проходит наработка опыта, регулярные закупки одного и того же оборудования обеспечивают лояльность поставщиков и экономию средств.
Недостатком такого унифицированного прибора можно считать большую, чем у «специализированных» собратьев, стоимость. Но в условиях рыночной экономики стоимость далеко не всегда пропорциональна сложности. Часто больше на нее влияют страна происхождения товара, количество посредников, ценовая политика производителя и (или) дистрибьютора, «богатство» потенциального потребителя и другие «рыночные» факторы.
Так что, желаю вам найти наиболее подходящее для ваших условий устройство. Наиболее полно удовлетворяющее запросам технических и коммерческих служб. А будет оно АВРом или ATSом, на самом деле, не так уж и важно!
Источник https://www.elec.ru/publications/peredacha-raspredelenie-i-nakoplenie-elektroenergi/1534/
Источник https://habr.com/ru/articles/586678/