ukŁady i systemy zapewnienia ciĄgŁoŚci zasilania ... · określone w normie pn-en 60947-6-1...
TRANSCRIPT
UKŁADY I SYSTEMY ZAPEWNIENIA
CIĄGŁOŚCI ZASILANIA
OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH I
UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ
Gdańsk 2011
Plan wykładu
1. Ograniczona niezawodności zasilania
2. Urządzenia zasilania rezerwowego
3. Automatyczne urządzenia przełączania niskiego
napięcia
4. Systemy SZR - ATSE
Projektowanie elektroenergetycznego układu zasilania, zwłaszcza odbiorców przemysłowych, jest kompromisem pomiędzy: niezawodnością zasilania i jakością dostarczanej energii
a nakładami na inwestycje i kosztami eksploatacji.
Zakłócenia w pracy urządzeń spowodowane przerwami w zasilaniu bądź niedostateczną jakością energii są zawsze niepożądane i mogą mieć różne, czasem bardzo poważne konsekwencje:
• przerwanie procesu technologicznego, straty surowca;
• uszkodzenia urządzeń, koszty ponownego uruchomienia;
• zagrożenie życia i zdrowia!
Ograniczona niezawodności zasilania odbiorców
Główne przyczyny przerw w zasilaniu w sieciach niskiego napięcia:
• Zapady napięcia i krótkie przerwy w rozdzielczych SN o czasie nie
przekraczającym 3 sekundy - wyładowania atmosferyczne i
występujące po nich zadziałanie układów samoczynnego
powtórnego załączenia (SPZ) w czasie od 0,3 do 3 sekund.
• Trwałe zwarcia i uszkodzenia w urządzeniach sieci SN i nn o czasie
trwania od pojedynczych minut do godzin, a nawet dni.
Czas trwania przerw w zasilaniu niskiego napięcia (EMC EN 61000)
Podstawowe funkcje automatycznych urządzeń przełączających
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002r. w sprawie warunków technicznych
jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr75/2002 poz.690 z późn.zm.) :
„budynek, w którym zanik napięcia w elektrycznej sieci zasilającej może
spowodować
zagrożenie życia lub zdrowia ludzi,
poważne zagrożenie środowiska,
a także znaczne straty materialne,
należy zasilać z co najmniej z dwóch niezależnych, samoczynnie załączających
się źródeł energii elektrycznej.”
Wymagane jest aby w budynkach o wysokości powyżej 55m jednym ze źródeł był
zespół prądotwórczy.
Określone w normie PN-EN 60947-6-1 automatyczne urządzenia przełączające
(ATSE, ang. Automatic Transfer Switching Equipment)
mogą pełnić następujące funkcje automatyki elektroenergetycznej:
SZR - samoczynne załączanie rezerwy zasilania, powolne lub szybkie,
również z kontrolą napięcia resztkowego,
SPP – samoczynne powrotne przełączenie, synchroniczne - bezprzerwowe lub
powolne z przerwą napięciową,
PPZ/B – planowane przełączenie zasilania bez przerwy napięciowej
(synchroniczne), również z kontrolą napięcia resztkowego,
PPZ/P - planowane przełączenie zasilania z przerwą napięciową, z kontrolą
napięcia różnicowego i krótkotrwałą pracą równoległą źródeł,
AZZ – automatyczne załączanie zasilania.
Kategorie niezawodności zasilania odbiorców
Kategoria (umowna)
Dopuszczalne
przerwy w
zasilaniu
Źródło zasilania (przykłady rozwiązania)
Odbiorcy (przykłady)
I – podstaw.
dziesiątki minut pojedyncza linia
promieniowa z sieci
elektroenergetycznej
domy jednorodzinne na terenach
wiejskich i w rzadkiej zabudowie
miejskiej, nieduże
budynki mieszkalne
II – średnia dziesiątki sekund
pojedyncza linia +
agregat prądotwórczy
wysokie budynki mieszkalne
III – wysoka sekundy
dwie niezależne linie +
ew. agregat
prądotwórczy
duże hotele, szpitale, stacje
radiowe i TV, dworce kolejowe i
porty lotnicze, procesy
technologiczne (papierniczy,
cukrowniczy, hutnictwo,
chemiczny, nuklearny)
IV –
najwyższa
zasilanie
bezprzerwowe
zasilacze bezprzerwowe
do długotrwałego
obciążenia + agregat
prądotwórczy
sale operacyjne szpitali, systemy
sterowania ruchem lotniczym i
kolejowym, stacje bazowe
telefonii, systemy komputerowe
banków i giełd
Urządzenia zasilania rezerwowego
1. Niezależna (druga) linia elektroenergetyczna WN, SN lub ew. nn
2. Agregaty prądotwórcze
3. Baterie akumulatorów
4. Układy zasilania bezprzerwowego (UPS)
5. Koła zamachowe
6. Super-kondensatory
7. Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii
8. Kompresyjne zasobniki energii
Niezależna linia energetyczna
M M
Aut./Ręcz.
Linia zasilania
podstawowego Linia zasilania
rezerwowego
SN SN
nn nn
Agregaty prądotwórcze
Uruchomienie i przełączenie
automatyczne w czasie
0,5 –2 s
Oznaczenia:
1. silnik spalinowy z
rozrusznikiem
2. sprzęgło
3. generator
4. rozdzielnica z
automatyką ATSE
5. koło zamachowe
6. silnik elektryczny do
napędu generatora i
koła zamachowego
Uruchomienie i
przełączenie ręczne
Uruchomienie i przełączenie
automatyczne w czasie
od 10 s do ok. 180 s
Bezprzerwowe przejęcie
obciążenia
Bateria akumulatorów
jako autonomiczne źródło zasilania rezerwowego
Przełączenie automatyczne Bezprzerwowe przejęcie obciążenia
Podstawowe rodzaje baterii akumulatorów
Rodzaj akumulatora Szczelny
ołowiowo-
kwasowy
NiCd NiMH Li ion
Koszt niski średni wysoki bardzo
wysoki
Stopień kondensacji energii 30 Wh/kg 50 Wh/kg 75 Wh/kg 100 Wh/kg
Napięcie celki 2,27 V 1,25 V 1,25 V 3,6 V
Minimalny czas ładowania 8 -16 h 1,5 h 2–3 h 3 - 6 h
Liczba cykli
ładowania/rozładowania
200 - 2000 1500 500
300-500
Maksymalny czas przestoju
bez obciążenia
180 dni 30 dni 90 dni Bez
ograniczeń
Zagrożenie dla środowiska wysokie wysokie niskie wysokie
Układy zasilania bezprzerwowego
UPS (ang. Uninterruptible Power Supply)
Moc:
200VA - 50kVA w wykonaniu jednofazowym
10kVA - 4000kVA w wykonaniu trójfazowym
VFD - o biernej gotowości
(ang. output Voltage and Frequency Dependent from mains supply)
VI - liniowo interaktywne (ang. output Voltage Independent from mains supply)
VFI - o podwójnej konwersji (ang. output Voltage and Frequency independent from mains supply)
Układ VFD o biernej gotowości
1 – tryb pracy w normalnych warunkach
zasilania
2 – ładowanie baterii akumulatorów w
normalnych warunkach zasilania
3 – tryb zasilania rezerwowego
Cechy:
niezerowy czas przełączania,
brak separacji
typowy czas zasilania rezerwowego – 3 h
czas ładowania – 6 h
Układ VI liniowo interaktywny z
pojedynczym przetwarzaniem energii
1 – pętla sterowania modulacją fazy i amplitudy
2 – pętla sterowania ładowaniem akumulatorów
Cechy:
separacja odbiorów od sieci zasilającej,
ograniczona separacja od zakłóceń
Klasyfikacja wg
EN 50091-3
VFD
Układy o biernej
gotowości
VI
Układy liniowo
interaktywne
VFI
Układy o podwójnej
konwersji
Czas
przełączenia
krótki zero zero
Koszt niski średni wysoki
Regulacja
napięcia
brak ograniczona pełna
Regulacja
częstotliwości
brak brak pełna
Ograniczanie
zakłóceń
1, 2, 3 1, 2, 3, 4, 5 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Oznaczenia zakłóceń:
1 – przerwy w zasilaniu >10ms; 2 – szybkie zmiany napięcia <16ms;
3 – krótkotrwale przepięcia 4-16ms; 4 - zapady napięcia;
5 – przepięcia długotrwałe; 6 – przepięcia atmosferyczne;
7 – impulsy przepięciowe <4ms; 8 – wahania częstotliwości;
9 – odkształcenia krzywej napięcia.
Cechy układów UPS
Włókna węglowe Flywheel
Upper Radial Electro Magnet
Lower Radial Electro Magnet
Synchronous Reluctance
4 pole M-G Rotor
Obudowa
M-G Stator
System Próżni
Układ chłodzenia cieczą
Axial Electro Magnet
Koła zamachowe do magazynowania energii
Wysokoobrotowe: 10 000 -100 000 obr/min, do 250kW, do 8MWs,
Schemat strukturalny zestawu Flywheel
Tem
pera
ture
Sen
so
rs
Po
sit
ion
Sen
so
rs
Do wejścia bateryjnego
UPS
Przetwornica IGBT
Zdalne sterowanie
Magnetic Levitation Module
Sen
so
rs
Panel sterujący
Sp
eed
Flywheel Module
Soft Start
DC Monitoring Drivery IGBT
Sterownik konwersji mocy
Flywheel – przykład konfiguracji UPS
Flywheel
SZR
Sieć zawodowa
Agregat prądotwórczy
UPS
Zastosowania podstawowe
Odbiory
krytyczne
Produkcja półprzewodników
Produkcja form plastikowych
Produkcja żywności
Farmacja, Poligrafia
Produkcja związana z dużym
kosztem zależnym od ciągłości
zasilania
Działy przemysłu, komunikacji,
bankowości, gdzie zanik napięcia
powoduje długi proces ponownego
rozruchu
DC
AC
Zasilanie odbiorów o najwyższej kategorii
DC
AC SZR UPS
D
C
AC
Zaawansowane Data
Centers
ISPs / Web Hosting
Network Ops Centers
TV na żywo
Koszty inwestycji i eksploatacji Flywheel
w stosunku do baterii
UPS 160 kVA FLYWHEEL BATERIA
Koszty
inwestycyjne
4 do 5 x 1 x
Zużycie energii (kW)
< 0,2x 1x
Koszty
eksploatacji
< 0,5x 1x
Koszty
klimatyzacji
0,5x
do 40 °C
1x
20 do 25 °C
Koszty
powierzchni
(m2)
0,5x 1x
Koszty
wymiany w
przeliczeniu na
1 rok
4 (na rok) 20 (na rok)
Cost
Przy pierwszej wymianie baterii koszty inwestycyjne i
eksploatacyjne wyrównują się.
Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE)
ATSE szybkie ATSE powolne
Czas zadziałania <0,25s
Czas przerwy w zasilaniu <60ms
Czas zadziałania >0,4s
Podstawowy podział
SZR → ATSE - ang. Automatic Transfer Switching Equipment
PN-EN 60947-6-1
Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE)
ATSE z rezerwą jawną ATSE z rezerwą ukrytą
Tor zasilania rezerwowego w układzie pracy
normalnej nie przenosi żadnego obciążenia,
natomiast podczas zaniku zasilania w torze
zasilania podstawowego może przejąć
całkowite obciążenie
Źródła zasilania nie są w pełni obciążone i
mogą czasowo przejąć całkowite obciążenie
Q1 Q2
1 0
0 1
Q1 Q3 Q2
1 0 1
1 1 0
0 1 1
Q1 Q3 Q2
1 1 0
0 0 1
Przykłady układów ATSE - dwa źródła zasilania
Przykłady układów ATSE - trzy źródła zasilania
Aparaty wykonawcze
Cecha Styczniki
Wyłączniki Rozłączniki
Prąd obciążenia 20A – 450A 40A – 6300A 40A – 6300A
Zdolność wyłączania
prądu zwarciowego
brak
(klasa PC)
pełna
(klasa CB)
brak
(klasa PC)
Wymagana moc układu
sterowania*:
•chwilowa w czasie
przełączania
•ciągła w czasie gotowości
•chwilowa po zapadzie w
zasilaniu obwodów
sterowania
~1000VA
~100VA
~1500VA
~600VA
~0VA
~0VA
~600VA
~0VA
~0VA
Reakcja na zapad
napięcia sterowania
(>10ms)
przerwa w
zasilaniu
brak brak
* - dla przykładowego układu o trzech aparatach wykonawczych
Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE)
Blokady przed jednoczesnym załączeniem źródeł (zasilaczy) na te same szyny (PN-EN 60947-6-1)
1. mechaniczne
2. elektryczne
3. elektryczno-programowe
Odbiory kategorii II/III
T
G
Odbiory kategorii I
UPS
Odbiory kategorii IV
Blokady w układach ATSE Blokada elektryczna bierna
Q1
Zasilacz 1
(trafo)
Zasilacz 2
trafo, generator
L2
L1
L3
Q2
N
1L1
Napię
cie
ste
row
ania
St.ręczne
S2
S5
S1
K1 K2
E1
E2
E1
E2
St.autom.
Elektromagnesy załączające
Blokady w układach ATSE Blokada elektryczna czynna
Q2 Q1
Zasilacz 1
(trafo)
Zasilacz 2
(trafo, generator)
L2
L1
L3
N
1L1
Napię
cie
ste
row
ania
Wyzwalacze napięciowe
S3 S5
St.ręczne
S4
K3 K4
1A1
1A2
1A1
1A2
St.autom.
Przeciwpożarowe wyłączniki prądu
Q1
GWP
D1
D2
Wyzwalacz zanikowy
(podnapięciowy)
bezzwłoczny
U<
Q1
GWP
D1
D2
Wyzwalacz zanikowy
(podnapięciowy)
zwłoczny
U<
Q1
GWP
Wyzwalacz zanikowy
zwłoczno-
bezwłoczny
U<
Q1
GWP
1A1
1A2
Wyzwalacz
Wzrostowy
(napięciowy)
Zgodnie z Rozporządzeniem w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000m3 lub
zawierających strefy zagrożone wybuchem należy stosować
przeciwpożarowy wyłącznik prądu (GWP - główny wyłącznik prądu),
odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalację
i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru.
Zasilanie automatyki ATSE
Warianty zasilania obwodów sterowania wyłącznikami z zasilacza UPS:
A. Gwarantuje wyłączenie jednej linii (źródła) po wykryciu nieprawidłowego napięcia,
niezależnie od stanu pozostałych linii zasilających.
Moc zasilacza UPS i jego prąd maksymalny musi być dobrany z uwzględnieniem
mocy i prądu rozruchowego napędów wszystkich wyłączników w torach
zasilających.
Przeciętna moc pobierana przez napędy wyłączników wynosi kilkaset VA.
B. Załączanie i wyłączanie wyłączników oraz uruchamianie ich napędów tylko w
czasie obecności napięcia przynajmniej jednej linii zasilającej.
Moc zasilacza UPS musi pokryć tylko zapotrzebowanie jednostki logicznej
urządzenia ATS, np. sterownika programowalnego, sygnalizacji optycznej oraz
wyzwalaczy pełniących rolę wyłącznika przeciwpożarowego.
Przeciętna moc pobierana przez wyzwalacze zanikowe i wzrostowe
wyłączników wynosi od kilku VA do kilkudziesięciu VA.
24V DC 230V AC Pomocniczy SZR
UPS
Systemy ATSE
Duża liczba i różnorodność funkcji realizowanych przez
ATSE
Systemy budowane „pod zamówienie”
Systemy SZR - ATSE
Realizowane funkcje:
1. Automatyka wielokrotnych ATSE
2. Automatyka odciążeń energetycznych – analizatory parametrów
sieci
3. Wyłączenia pożarowe – GWP
4. Automatyka ATSE zasilania pożarowego – wentylatory, klapy
dymowe, windy pożarowe itp.
5. Sygnalizacja miejscowa położenia łączników i trybu pracy ATSE
6. Wizualizacja stanów zasilania i zakłóceń sterowania
7. Archiwizacja zdarzeń - alarmów
8. Komunikacja z BMS
Przykład systemu ATSE
Centrum Handlowe BLUE CITY w Warszawie
otwarte w kwietniu 2004r.
System sterowania i monitorowania wielokrotnego układu ATSE,
wyłączeń pożarowych i odciążeń
System ATSE zasilania obiektu o powierzchni 220 000 m2 (7 poziomów) z dwóch linii
15kV :
• obejmuje zasilanie z 10 transformatorów (10x2000kVA=20MVA) i
zespołów prądotwórczych (3x900kVA=2,7MVA);
• steruje 53 wyłącznikami głównymi oraz ponad 300 wyłącznikami odbiorów;
• zapewnia załączanie zasilania rezerwowego wg 70-ciu wariantów;
• umożliwia wyłączenia pożarowe wg 9-ciu wariantów pożar. wyłączników prądu:
• steruje odciążaniem przy przeciążeniu transformatorów oraz przy przekroczeniu mocy
zamówionej;
• realizuje wizualizację położeń wyłączników oraz stanu zasilania rozdzielnic głównych i
strefowych;
• wyświetla bieżące oraz historyczne komunikaty alarmowe o zakłóceniach;
• przesyła do BMS po 32 parametry z 18 analizatorów parametrów sieci.
Galeria Bałtycka w Gdańsku
otwarcie w końcu 2007r.
Układ zasilania obiektu o powierzchni 105 000 m2 z jednej linii 15kV:
• obejmuje zasilanie z transformatora (2000kVA) dla „chłodu” i
• 3 transformatorów (3x1000kVA) pracujących równolegle oraz
• agregatu prądotwórczego (2400kVA), który jest uruchamiany automatycznie tylko w przypadku pożaru;
• automatyka ATSE obejmuje zasilanie pomp tryskaczowych, wentylacji, wind oraz baterii oświetlenia awaryjnego;
• automatyka ATSE steruje 2 wyłącznikami – pozostałe przełączenia są realizowane przez obsługę.
Unifikacja modułów automatyki ATSE
Uniwersalne układy automatyki ATSE (SZR) wielu wytwórców oraz
specjalizowane sterowniki - dedykowane dla jednego toru zasilania z sieci i
jednego agregatu prądotwórczego i do obsługi od 3 do 5 wyłączników w
rozdzielnicy dwu-sekcyjnej.
Realizują funkcje SZR, PPZ/B, PPZ/P, SPP i AZZ według jednego algorytmu
wybranego z wielu oferowanych.
Np.: RZR-Mikro produkcji ZAE Wrocław, ATL20 i ATL30 produkcji Lovato Electric,
YAZ53P produkcji Elektrobudowa Katowice, Automat SZR 4.1 produkcji
Instytutu Tele- i Radio-technicznego oraz Need produkcji Relpol.
Nieliczne, np. Automat przełączania zasilań ATZ produkcji Energotest-
Energopomiar przystosowane do wykonywania najbardziej wyrafinowanych
przełączeń zasilania w układach wielo-wyłącznikowych.
Blokady „elektryczno-programowe”
Q1
I1.3 I1.4
Q2 Q2 Q1
I2.1 I2.2
Jednostka logiczna B Jednostka logiczna A
Q1.1 Q1.2 Q2.1 Q2.2
Q1 Q2
1A1 1A1
1A2 1A2
Na
pię
cie
ste
row
an
ia
Elektromagnesy załączające
1L1
N
U1
I1.1 I1.2
U2
redundancja redundancja
dywersyfikacja dywersyfikacja
W ramach dostawy modułu automatyki MAX o cenie katalogowej w granicach
5000-8000 zł wykonawca rozdzielnicy otrzymuje:
• zintegrowany oprogramowany moduł automatyki o masie nie przekraczającej
10kg i wymiarach 375x480mm,
• zasilacz bezprzerwowy UPS,
• panel operatorski
• elementy sygnalizacyjno-sterownicze do montażu na elewacji rozdzielnicy,
• dokumentację techniczno-ruchową i deklaracje zgodności z odpowiednimi
normami.
Zamówienie przygotowanego do montażu w wyznaczonym polu rozdzielnicy
modułu automatyki pozwala na zmniejszenie nakładu prac elektromontażowych.
Późniejsze opracowania zunifikowanych modułów automatyki ATSE:
Rok 2006 - Siemens
Rok 2008 - Schneider Electric Polska