Możliwości zwiększenia niezawodności przy zastosowaniu zasilacza UPS
Autor pisze o powszechnym znaczeniu niezawodności zasilania w energię elektryczną, realnych skutkach awarii w zasilaniu, o przebiegu współpracy zespołu prądotwórczego z UPS-em oraz o sposobach magazynowania energii
Zaniki i zapady napięcia oraz
inne zaburzenia, które występują w sieciach elektroenergetycznych,
powodują w zakładach przemysłowych lub innych przedsiębiorstwach straty
w wyniku zatrzymania linii produkcyjnych bądź zakłóceń w pracy
układów elektronicznych.W przypadku częstego występowania trwających kilka-kilkadziesiąt
sekund zakłóceń zasilania urządzenia o mocy rzędu kilkudziesięciu-kilkuset
kVA wymagają zastosowania specjalizowanych układów zasilania gwarantowanego,
np. zasilaczy UPS, tandemów zasilacz UPS-zespół prądotwórczy lub
dynamicznych układów zasilania wyposażonych w kinematyczny zasobnik
energii [1, 7].
Zobacz także
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
Riello Delta Power Sp. z o.o. Projekt przygotowania zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w elektrowni
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków...
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w jednej z kluczowych dla polskiego systemu energetycznego elektrowni w Polsce północno-zachodniej.
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
W artykule:• Prawda o skutkach awarii zasilania w energię elektryczną• Ważność niezawodności zasilania • Współpraca zespołu prądotwórczego z UPS-em • Sposoby magazynowania energii |
Rosnące zapotrzebowanie rynku w zakresie bezprzerwowych zasilaczy UPS dużych mocy pracujących w systemach o zwiększonej niezawodności powoduje, że producenci mają w ofercie urządzenia w zakresie mocy od 10 do 900 kVA [1, 8].
Skutki awarii
Warto przytoczyć przykład Szczecina, gdzie 8 kwietnia 2008 r. doszło do awarii, w wyniku której w mieście nie było zasilania przez ponad 20 godzin. Awarię systemu elektroenergetycznego w rejonie aglomeracji szczecińskiej spowodowały ekstremalne opady, w szczególnych warunkach powodujące osadzanie się mokrego śniegu na przewodach linii i innych elementach infrastruktury elektroenergetycznej. Nastąpił totalny paraliż komunikacyjny, nie pracowały żadne instytucje, szkoły, sklepy, banki oraz stacje benzynowe.
Niestety, nie można wykluczyć, że podobne przypadki nie wydarzą się w innych polskich miastach. Tym bardziej że takie zdarzenia miały już miejsce, choć w mniejszej skali.
W sierpniu 2017 roku gwałtowne nawałnice i inne gwałtowne zjawiska atmosferyczne doprowadziły w kilku województwach do zerwania linii wysokiego, średniego i niskiego napięcia oraz uszkodzenia stacji transformatorowych. Według informacji z WCZK, stan na dzień 12.08 godz. 11:00, na terenie Polski bez dostaw prądu było około 177,9 tys. odbiorców. W kulminacyjnym momencie nawałnic bez dostaw energii elektrycznej było około 480 tys. odbiorców.
Przerwy w dostawach energii prowadzą do konkretnych i wymiernych strat. Mogą również powodować uszkodzenia poszczególnych urządzeń w przypadku choćby chwilowego zatrzymania linii produkcyjnej.
Nawet milion złotych strat może spowodować godzinny postój linii produkcyjnej zakładów produkcyjnych. Ale przecież w firmach nie pracują jedynie linie produkcyjne, ale też wszelkiego rodzaju elektroniczny sprzęt biurowy, systemy monitoringu czy centrale abonenckie.
Niezawodność zasilania
Wszystkie urządzenia charakteryzują się współczynnikiem pewności pracy na poziomie zbliżonym do jedności.
Istnieje wiele różnych miar niezawodności pracy urządzeń. Jednym z nich jest współczynnik MTBF (Mean Time Between Failures) definiowany jako średni okres między awariami, czyli wartość oczekiwana czasu między uszkodzeniami elementów powodujących utratę zdolności do realizacji funkcji, do których został zbudowany. Jest on wyrażany w jednostkach czasu, np. godzinach [1, 3].
Natomiast średni czas naprawy urządzenia rozumiany jako wartość oczekiwana czasu między wystąpieniem awarii a chwilą ponownej zdolności do realizacji funkcji określa współczynnik MTTR (Mean Time To Repair). Najczęściej jest wyrażany w jednostkach czasu, np. godzinach.
Zasilacze UPS charakteryzują się najczęściej bardzo wysokim współczynnikiem MTBF. Jednak aby określić współczynnik MTBF w jednostkach względnych dla konkretnej instalacji zasilacza UPS, konieczna jest nie tylko bezwzględna wartość określona przez producenta, ale również czas naprawy w rzeczywistych warunkach. Czas naprawy zależy bowiem od:
- czasu reakcji serwisu na awarię,
- czasu dojazdu do urządzenia,
- dostępności części zamiennych,
- czasu naprawy
- oraz czasu na wykonanie potrzebnych testów [1, 3].
Wartość MTBF dla urządzeń produkowanych przez różnych producentów jest różna. Można przyjąć, że dla pojedynczego urządzenia UPS dobrej marki wartość MTBF wynosi 99,99970%. Jednak zmienia się wartość współczynnika MTBF dla grupy UPS-ów pracujących równolegle z redundancją, w zależności od liczby jednostek w grupie.
Wydawać by się mogło, że im większa liczba jednostek w zestawie, tym wartość MTBF większa. W tym przypadku awaria jednej jednostki UPS nie powoduje przerwy w zasilaniu odbiorników.
Tak jednak nie jest, ponieważ przy większej liczbie jednostek UPS rozbudowany jest układ sterowania tymi jednostkami, który jest wspólny dla całego układu. Ponadto przy większej liczbie jednostek w układzie wzrasta prawdopodobieństwo awarii kolejnej jednostki w czasie, gdy jedna już uległa awarii i jest niesprawna.
Nadmierne zwiększanie liczby jednostek w układzie może spowodować, że wypadkowa wartość MTBF dla układu będzie mniejsza niż wartość MTBF dla pojedynczej jednostki [1, 3].
Należy tu jednak zaznaczyć, że współczynniki MTBF podawane przez producentów UPS-ów dotyczą jedynie urządzeń UPS, bez uwzględnienia pozostałych elementów układu zasilania, takich jak: układy rozdzielnic przed i za UPS-ami, aparatury stosowanej w rozdzielnicach, automatyki rozdzielnic, połączeń kablowych itp.
Na niezawodność zasilania odbiorników duży wpływ ma również struktura i aparatura zastosowana w układzie dystrybucji energii oraz w obwodach odbiorczych zasilania odbiorników. Z tego powodu dokładna analiza niezawodności całego układu jest często bardzo złożona i trudna do przeprowadzenia.
Współpraca zespołu prądotwórczego z UPS-em
Moc zespołu prądotwórczego należy dobierać do mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki. Jej wartość należy oszacować drogą analityczną lub przeprowadzić pomiary tygodniowych obciążeń, na podstawie których można ustalić wartości szczytowych obciążeń danej sieci [2].
W przypadku zasilacza awaryjnego moc pobierana z sieci energetycznej jest większa od jego mocy znamionowej dostępnej na zaciskach wyjściowych.
Przy zastosowaniu zespołu prądotwórczego jego moc powinna być wyższa co najmniej o sprawność zasilacza UPS oraz o moc potrzebną na ładowanie baterii akumulatorów.
W przypadku zasilaczy True On-Line sprawność waha się w granicach od 80 do 97%, w zależności od wielkości urządzenia, a moc potrzebna na ładowanie baterii akumulatorów może dochodzić do kilkunastu procent mocy zasilacza. W takim przypadku moc zespołu powinna być co najmniej równa mocy pobieranej przez UPS i powiększona o współczynnik przewymiarowania zespołu. Jest to konsekwencją zniekształceń THDi wprowadzanych do sieci przez zasilacz oraz zależy od charakteru obciążeń odbiorników [2, 3].
Fot. 1. Przykład zabezpieczeń obwodów wejściowych i wyjściowych zasilacza UPS o mocy 20 kVA; fot. K. Kuczyński
Uwzględnienie prądów rozruchowych oraz odkształconych przy doborze mocy zasilacza UPS jest niezbędne do jego poprawnego funkcjonowania.
UPS o zbyt małej mocy przeznaczony do zasilania odbiorników nieliniowych lub silników elektrycznych przy wzroście obciążenia automatycznie przejdzie na by-pass zewnętrzny, co będzie skutkowało pozbawieniem układu zasilania funkcji napięcia gwarantowanego.
Przy doborze zasilacza UPS należy również zwrócić uwagę na znamionowy współczynnik szczytu, który określa, ile może zostać przekroczona chwilowa wartość szczytowa prądu w stosunku do rzeczywistej wartości skutecznej tego prądu.
W produkowanych obecnie zasilaczach UPS współczynnik szczytu wynosi na ogół 3:1. Jeżeli wartość współczynnika szczytu w przebiegu prądu pobieranego z UPS-a przekroczy wartość znamionowego współczynnika szczytu, to mogą wystąpić zakłócenia w pracy zasilacza, łącznie z jego wyłączeniem [1, 3].
Magazynowanie energii
W ostatnich latach pojawiło się szereg nowych rozwiązań, pozwalających na gromadzenie energii w układach zasilania rezerwowego. Urządzenia te mogą przykładowo zastąpić baterię akumulatorów w układach UPS. Są one wynikiem prowadzonych wciąż na świecie badań, mających na celu poszukiwanie nowych rozwiązań w tym zakresie.
Zasadniczym celem tych poszukiwań jest opracowanie możliwie prostych metod eliminacji krótkich przerw w zasianiu bądź krótkotrwałych zapadów napięcia [4].
Wyniki badań wskazują na to, że około 97% wszystkich przerw w zasilaniu i zapadów napięcia w sieciach rozdzielczych średniego napięcia to przerwy trwające nie dłużej niż 3 sekundy. Ich przyczyną są najczęściej wyładowania atmosferyczne i związane z tym działanie układów samoczynnego ponownego załączenia, czy też inne czynności łączeniowe w sieci.
Przerwy w zasilaniu dłuższe niż 3 sekundy, to jedynie 3% zakłóceń w sieci, a ich czas trwania jest zdecydowanie dłuższy, rzędu dziesiątek sekund, minut, a nawet godzin. Sytuacja taka uzasadnia potrzebę poszukiwań takich urządzeń, które nie muszą magazynować bardzo dużych ilości energii, lecz które byłyby w stanie w krótkim czasie pokryć zapotrzebowanie na znaczne wartości mocy w chwili zapadów napięcia bądź krótkotrwałych przerw w zasilaniu.
Ich drugie zadanie to ciągłe wspomaganie podstawowego źródła zasilania i łagodzenie wszelkich innych zakłóceń napięcia zasilającego. Ze względu na tę cechę, urządzenia te nazywane są też dynamicznymi zasobnikami energii. Są to:
- koła zamachowe (flywheels),
- superkondensatory,
- nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (superconducting magnetic energy storage, SMES).
Koła zamachowe to konstrukcje zupełnie inne od tradycyjnego zastosowania kół zamachowych w zespołach prądotwórczych. Różnica polega na tym, że w zespole prądotwórczym koło zamachowe gromadzi jedynie energię potrzebną do szybkiego rozruchu silnika napędowego, natomiast energia ta nie jest przeznaczona do zamiany na energię elektryczną w celu zasilania odbiorów.
Szacuje się, że jedynie ok. 5% energii koła zamachowego jest oddawanej w postaci energii elektrycznej.
W kołach zamachowych używanych jako dynamiczne zasobniki energii, energia zgromadzona jako energia kinetyczna koła jest zamieniana na energię elektryczną i przeznaczona do zasilania odbiorników w chwilach zaniku napięcia.
Koło zamachowe jest sprzęgnięte z generatorem, który w czasie prawidłowej pracy sieci zasilającej pracuje jako silnik, stale napędzając koło z określoną prędkością obrotową. W chwilach zaniku napięcia energia elektryczna wytwarzana w generatorze jest przekształcana na energię o odpowiednich parametrach napięcia i częstotliwości, i służy do zasilenia układu. Szacuje się, że w ten sposób około 50% energii mechanicznej koła zamachowego może być wykorzystane do zamiany na energię elektryczną.
Rozróżnia się dwie zasadnicze konstrukcje kół zamachowych [4]:
- szybkoobrotowe - wykonane ze szkła bądź z włókna szklanego lub węglowego.
Materiały te są materiałami niemagnetycznymi i mają ciężar właściwy ok. 5-krotnie większy od stali.
Prędkości eksploatacyjne kół szybkoobrotowych zawierają się w zakresie od 10 000 do 100 000 obrotów na minutę.
Wirnik generatora jest magnesem stałym, ze względu na trudność wykonania uzwojeń, które wytrzymywałyby działanie sił odśrodkowych przy tak dużej prędkości obrotowej.
Aby ograniczyć siły tarcia zarówno generator, jak i wirnik koła obracają się w próżni i są umieszczone w zamkniętym pojemniku. Współcześnie budowane koła szybkoobrotowe posiadają moce do 750 kW z możliwością zgromadzenia energii nawet 8 MWs. - wolnoobrotowe - pracują przy prędkościach rzędu 7000 obr./min. Ze względu na mniejszą prędkość niż koła szybkoobrotowe, muszą one posiadać znacznie większą masę, aby uzyskać podobne wartości magazynowanej energii.
Wirniki wykonywane są w tym przypadku ze stali i przy prędkościach obrotowych rzędu 7000 obr./min. nie jest już konieczne umieszczanie całego układu w próżni. Stosuje się jednak obniżone ciśnienie otaczającego powietrza lub gaz o gęstości mniejszej niż powietrze w celu zmniejszenia sił tarcia.
Generatory kół wolnoobrotowych mają wirnik uzwojony, co daje możliwość regulacji ich wzbudzenia. Jest to istotną zaletą kół wolnoobrotowych w stosunku do kół szybkoobrotowych.
Moce obecnie produkowanych kół zamachowych wolnoobrotowych są rzędu 10 MW i są zdolne dostarczać energię przez czas od 1 do 30 sekund [4].
Koła zamachowe wolnoobrotowe są stosowane w kombinowanych układach zasilania rezerwowego, gdzie współpracują najczęściej z agregatami prądotwórczymi. Koło jest w sposób ciągły zasilane poprzez silnik/generator napędzany energią pobieraną z sieci elektroenergetycznej, przekształcaną na odpowiednią częstotliwość i napięcie. Koło zamachowe pokrywa zapotrzebowanie na energię w chwilach krótkotrwałych zaników napięcia (do 3 sekund) oraz zasila generator w czasie rozruchu jego turbiny (1–30) sekund. Dłuższe przerwy w zasilaniu pokrywane są przez agregat prądotwórczy.
Superkondensatory (supercapacitors) to kondensatory o specjalnej konstrukcji umożliwiającej uzyskanie dużych pojemności rzędu kilku tysięcy faradów. Duża pojemność jest uzyskana przez zastosowanie odpowiednich materiałów na okładki kondensatorów, takich jak aktywny węgiel bądź włókna pokrywane aktywnym węglem lub dwutlenkiem rutenu (RuO2).
Zaletą takich elektrod jest dużo większa aktywna powierzchnia okładziny w porównaniu z tradycyjnymi materiałami.
Technologia wytwarzania superkondensatorów znajduje się obecnie jeszcze w fazie badań, choć istnieją już produkowane przemysłowo urządzenia wykorzystujące te elementy. Ich zastosowanie w rezerwowym zasilaniu polegać będzie głównie na pokrywaniu zapotrzebowania na energię podczas bardzo krótkich zaników napięcia zasilania.
Przewiduje się też współpracę superkondensatorów z układami UPS, w celu eliminacji ich krótkotrwałych, głębokich przeciążeń. W ten sposób uzyskuje się znaczne wydłużenie okresu eksploatacji baterii UPS.
Czas ładowania zwykłego akumulatora trwa kilka godzin, natomiast w przypadku superkondensatora proces ten trwa maksymalnie kilka minut.
Zaletą superkondensatora jest żywotność szacowana na kilkanaście lat oraz możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur od –40 do 65°C [4].
W przypadku dużych zakładów warto zastanowić się nad tandemem zasilacz UPS–zespół prądotwórczy lub dynamicznym układem zasilania wyposażonym w kinematyczny zasobnik energii.
Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (superconducting magnetic energy storage, SMES) to układy gromadzące energię pola magnetycznego wytwarzanego przez duże cewki przewodzące prąd stały. Cewki te, schłodzone do bardzo niskiej temperatury, znajdują się w stanie nadprzewodnictwa i przepływ prądu odbywa się praktycznie bez strat.
Zgromadzenie energii polega na ciągłym przepływie prądu stałego o dużych wartościach, bez strat. W chwili zapotrzebowania na energię, prąd cewki może być przekształcony na prąd przemienny i dostarczony do układu [4].
Obecnie buduje się już układy chłodzone ciekłym helem, natomiast w fazie badań znajdują się układy nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, czyli chłodzone ciekłym azotem.
Podsumowanie
Aby zapobiegać awariom niezbędne jest zastosowanie zasilaczy UPS, które zapewnią ciągłość zasilania bez względu na stan sieci elektroenergetycznej.
Każda firma powinna zastanowić się nad zakupem zasilaczy napięcia gwarantowanego. Inwestycja taka przeważnie jest mniej kosztowna niż naprawa bądź wymiana sprzętu, który ucierpiał w wyniku niespodziewanego zaniku zasilania, a także strat produkcyjnych.
Natomiast firmy o specyficznych wymaganiach mogą rozważyć inwestycję w zasilacze UPS wyposażone w superkondensator.
Literatura
- Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną, COSiW SEP, Warszawa 2007.
- J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczną, „Niezbędnik elektryka” nr 4, Warszawa 2012.
- K. Kuczyński, Rynek zasilaczy UPS w Polsce a niezawodność zasilania – zagadnienia wybrane, „elektro.info” 4/2013.
- H. Markiewicz, A. Klajn Metody i sposoby zapewniające pożądaną niezawodność zasilania energią elektryczną, 25 listopada 2003 roku, TO SEP, ZE Tarnów.
- Materiały firmy Ever.
- Materiały firmy Eaton.
- Materiały firmy Comex.
- Materiały firmy APC.
