Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczną (część 2.) - źródła zasilania

W systemie elektroenergetycznym znajduje się kilka elektrowni, duża liczba linii przesyłowych, stacji transformatorowo-rozdzielczych oraz odbiorników połączonych w jeden złożony układ elektryczny. Na rysunku 1. przedstawiono fragment systemu elektroenergetycznego.

Linie elektroenergetyczne pracujące na napięciu 110 kV i wyższym są liniami przesyłowymi. Rozdział energii realizowany jest na napięciu SN z wykorzystaniem stacji transformatorowych SN/nn, z których napięcie o wartości 230/400 V doprowadzone jest do odbiorców. W przypadku zasilania obiektów przemysłowych lub innych o podobnym charakterze, wysokość napięcia zasilającego zależy od mocy zainstalowanych odbiorników:

• P?0,25 MW zasila się napięciem 230/400 V,
• 0,25 MW<P<5 MW zasila się napięciem SN,
• P=(5÷50) MW zasila się napięciem SN lub napięciem 110 kV,
• 50<P<150 MW zasila się napięciem 220 kV,
• P>150 MW zasila się napięciem 220 kV lub wyższym.

Podstawowym źródłem zasilania obiektów budowlanych jest sieć elektroenergetyczna. Ponieważ w wyniku różnych zdarzeń losowych następują przerwy w dostawie energii elektrycznej lub jej jakość jest niewystarczająca, w uzasadnionych technicznie lub ekonomicznie przypadkach należy instalować urządzenia zasilania awaryjnego i gwarantowanego. Do tych źródeł należą:

• druga linia elektroenergetyczna (zasilanie rezerwowe),
• zespół prądotwórczy (zasilanie awaryjne),
• zasilacz UPS (zasilanie gwarantowane),
• siłownia telekomunikacyjna (zasilanie gwarantowane) – stosowana w systemach łączności.

Podział odbiorników energii elektrycznej na kategorie zasilania i schemat układu zasilania obiektu budowlanego

Przystępując do opracowania układu zasilania obiektu budowlanego projektant musi przeprowadzić szczegółową analizę w zakresie wymagań pewności zasilania przez poszczególne odbiorniki planowane do zainstalowania w projektowanym obiekcie budowlanym.

Zróżnicowane wymagania dotyczące pewności zasilania wymusiły wprowadzenie klasyfikacji odbiorników energii elektrycznej na kategorie zasilania, które można sklasyfikować zgodnie z kryterium przyjętym w gospodarce energetycznej:

a) odbiorniki III kategorii zasilania – odbiorniki, w których dowolnie długa przerwa w dostawie energii elektrycznej nie spowoduje żadnych negatywnych skutków,

b) odbiorniki II kategorii zasilania – odbiorniki, w których krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej (do kilku minut) nie spowoduje negatywnych skutków,

c) odbiorniki I kategorii zasilania – odbiorniki, w których nawet krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej może spowodować zagrożenie życia ludzi lub znaczne straty materialne spowodowane np. przerwaniem procesu produkcyjnego.

Przykładowy układ zasilania obiektu budowlanego, w którym występują wszystkie kategorie zasilania, przedstawia rysunek 2.

Dobór mocy i liczby transformatorów

Moc jednostek transformatorowych w danej stacji, ich liczba i lokalizacja są głównie uzależnione od następujących czynników:

• wielkości i rozkładu obciążeń,
• wymaganego stopnia rezerwowania,
• rozmieszczenia urządzeń technologicznych i warunków terenowych. W ogólnym przypadku moc stacji transformatorowej musi wynosić co najmniej

gdzie:

S_Tr – moc transformatora, w [kVA],

k_r – współczynnik rezerwy stacji (dla odbiorników III kategorii zasilania k_r = (1,1–1,2); dla odbiorników I kategorii kr=2, w [-],

cosφ_z – współczynnik mocy, w [-],

P_S – moc czynna szczytowa, w [kW].

Moc pojedynczego transformatora musi pokryć zapotrzebowanie mocy zasilanych odbiorników oraz straty mocy transformatora:

gdzie:

P_z – wartość mocy czynnej zapotrzebowanej, w [kW],

Q_z – wartość mocy biernej zapotrzebowanej, w [kvar],

Q_k – wartość mocy biernej baterii kondensatorów, w [kvar].

Straty mocy czynnej w transformatorze, w [kW]:

Straty mocy biernej w transformatorze, w [kvar]:

gdzie:

S_nT – moc znamionowa transformatora, w [kVA],

ΔP_{obc_zn} – znamionowe straty obciążeniowe mocy czynnej, w [kW],

ΔQ_{obc_zn} – znamionowe straty obciążeniowe mocy biernej, w [kvar],

ΔP_o – straty mocy czynnej stanu jałowego transformatora, w [kW],

ΔQ_o – straty jałowe bierne transformatora, w [kvar].

Liczba transformatorów w stacjach transformatorowych jest uzależniona od mocy zapotrzebowanej przez zasilany obiekt oraz przewidywanego przebiegu obciążenia. Przedstawiony tok rozumowania jest właściwy przy zasilaniu odbiorników liniowych. Przy zasilaniu odbiorników nieliniowych oprócz mocy czynnej P i biernej Q pojawia się dodatkowo moc deformacji V. Moc pozorną zapotrzebowaną przez odbiornik nieliniowy należy określić wzorem:

Moc czynna przebiegu odkształconego jest sumą mocy czynnych harmonicznych napięcia i prądu o tej samej częstotliwości, czyli:

Moc bierną przebiegu odkształconego obliczamy z powszechnie akceptowalnego wzoru:

Moc pozorna obwodu liniowego jest określona następującym wzorem:

W tym przypadku moc deformacji V=0.

Ilustrację graficzną mocy P, Q, V, S1 i S przedstawia rysunek 3. Rysunek 3. wyjaśnia również, że dla obwodów nieliniowych współczynnik mocy nie może zostać określony wzorem (7), który jest słuszny dla obwodów liniowych:

W obwodach nieliniowych współczynnik mocy jest definiowany jako (rys. 3.):

gdzie:

sinφ_k – współczynnik mocy k-tej harmonicznej, w [-]:

φ_k – przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem dla harmonicznej rzędu k, w [°].

Prąd znamionowy urządzenia trójfazowego pobierającego prąd odkształcony należy wyrazić wzorem:

Z równań (8) oraz (9) wynika, że przy ustalonej wartości prądu znamionowego In urządzenia i wzroście odkształcenia prądu rzeczywiście przepływającego przez to urządzenie zmniejsza się moc znamionowa czynna, którą można je obciążyć.

Zatem odbiorniki nieliniowe pobierające prąd zniekształcony z transformatora powodują zwiększone zapotrzebowanie mocy, które należy uwzględnić na etapie doboru mocy transformatora. Producenci odbiorników energii elektrycznej są zobowiązani do podania współczynnika odkształceń THDi%, który należy uwzględnić przy obliczaniu mocy zapotrzebowanej.

Współczynnik ten jest definiowany w normach i przepisach z wykorzystaniem wzoru:

gdzie:

I_k – wartość skuteczna k-tej harmonicznej prądu, w [A],

I₁ – wartość skuteczna harmonicznej podstawowej prądu, w [A],

k – rząd harmonicznej, w [-].

Zamiast posługiwać się współczynnikiem odkształceń prądu THDi%, można wprowadzić współczynnik zniekształceń W:

Przykładowe wartości współczynnika W, w zależności od wartości współczynnika THDi%, przedstawia tabela 1.

Definiowany dla pojedynczego odbiornika współczynnik THD_i% stanowi podstawę do obliczenia jego wartości zastępczej widzianej przez transformator zasilający. W przypadku obiektów istniejących jego wartość należy zmierzyć. Natomiast na etapie projektowania jego przybliżoną wartość można wyznaczyć jako średnią ważoną:

gdzie

P_in – moc znamionowa n-tego odbiornika, w [kW],

THD_i%n – współczynnik odkształceń prądu dla n-tego odbiornika, w [%],

n – liczba odbiorników (grup odbiorników o takim samym współczynniku THD_i%).

Zatem moc transformatora należy określić wzorem:

Optymalizacja położenia pojedynczej stacji elektroenergetycznej

Metody optymalizacji położenia pojedynczej stacji transformatorowej:

• lokalizacja stacji w środku obciążenia elektrycznego,
• lokalizacja stacji według minimum kosztów sieci,
• wyznaczenie strefy rozrzutu środka obciążenia elektrycznego.

Najprostszym sposobem określenia położenia stacji transformatorowej jest wyznaczenie środka obciążenia elektrycznego. Polega to na:

• umieszczeniu obszaru, który ma zasilać stacja w układzie współrzędnych 0XY,
• wówczas środek obciążenia elektrycznego o współrzędnych x i y można wyznaczyć ze wzorów:

gdzie:

P_i – moc czynna szczytowa i-tego odbioru, w [W],

x_iy_i – współrzędne położenia i-tego odbioru, w [m],

n – liczba odbiorów na rozpatrywanym obszarze, w [-],

Jeżeli odbiory są rozmieszczone na różnych wysokościach lub możliwe jest zlokalizowanie stacji na różnych wysokościach oraz spełniona jest nierówność: l≥1,5 h, gdzie:

l – odległość środka obciążenia elektrycznego oddziału od środka obciążenia całego zakładu (od GSZ), mierzona w płaszczyźnie poziomej, w [m],

h – największa różnica wysokości położenia odbiorników, w [m],

należy uwzględnić trzecią współrzędną z:

W miejsce mocy czynnej we wzorach (14) i (15) można wprowadzić:

• moc bierną – uzyskamy miejsce lokalizacji źródeł mocy biernej,
• moc pozorną – minimalne koszty związane z budową sieci,
• przekroje przewodów poszczególnych linii,
• jednostkowe koszty roczne linii zasilających.

W przypadku projektowania układu zasilania z wykorzystaniem większej liczby stacji transformatorowych należy podczas doboru ich liczby i sposobu rozmieszczenia kierować się następującymi zasadami:

• minimalizować długości linii niskiego napięcia, a więc budować stację transformatorową jak najbliżej zasilanych odbiorników,
• najmniejsze straty przesyłowe występują, gdy odległość odbiornika, w [m], od stacji transformatorowej stanowi w przybliżeniu połowę napięcia zasilającego ten odbiornik, w [V],
• należy ograniczać liczbę transformacji do niezbędnego minimum.

Przykład 1.

Rozwiązanie:

Przedstawiona metoda posiada bardziej charakter teoretyczny, gdyż w praktyce na końcowe położenie pojedynczych stacji nakłada się szereg innych czynników, takich jak plan zagospodarowania przestrzennego, możliwości techniczne, warunki eksploatacyjne itp. Niemniej należy dążyć do lokalizacji stacji w optymalnym miejscu.

Dobór mocy zespołu prądotwórczego

Za podstawę doboru mocy zespołu prądotwórczego należy przyjąć wartość mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej przez odbiorniki, które mają zostać objęte systemem zasilania awaryjnego. Moc czynną zapotrzebowaną należy wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

P_z – moc czynna zapotrzebowana, w [kW],

k_z – współczynnik zapotrzebowania, w [-],

P_i – moc czynna i-tego odbiornika objętego systemem zasilania awaryjnego, w [kW].

Kolejnym krokiem jest obliczenie mocy biernej zapotrzebowanej, którą należy wyznaczyć w następujący sposób:

gdzie:

Q_Z – moc bierna zapotrzebowana, w [kvar]

cosφ_i – współczynnik mocy tego odbiornika objętego systemem zasilania gwarantowanego, w [-].

Na podstawie obliczonej wartości mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej należy obliczyć współczynnik mocy cos?Z:

gdzie:

cosφ_Z – współczynnik mocy obliczony na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej, w [-].

Kolejnym krokiem jest obliczenie minimalnej mocy czynnej, jaką musi dysponować generator zespołu prądotwórczego. Ponieważ generator zespołu prądotwórczego musi pokryć zapotrzebowanie mocy czynnej P_z oraz mocy biernej Q_Z, w przypadku, gdy generator wytwarza energię przy współczynniku mocy cosφ_z<cosφ_nG, zmniejsza się zdolność wykorzystania mocy czynnej generatora ze względu na obciążalność cieplną stojana.

Silnik spalinowy napędzający generator jest dostosowany do mocy czynnej generatora, czyli do pracy generatora przy znamionowym współczynniku mocy cosφ_nG, zatem w przypadku wytwarzania energii elektrycznej przy współczynniku cosφ_z<cosφ_nG skutkuje zmniejszeniem jego wykorzystania. Względne obciążenie generatora mocą czynną można określić współczynnikiem wykorzystania, który należy obliczyć ze wzoru:

Wymagana minimalna moc czynna zespołu prądotwórczego musi spełniać nierówność:

Obliczony ze wzoru (19) współczynnik wykorzystania p, należy podstawić do wzoru (20). W przypadku, gdy p≥1, do wzoru (20) należy wstawić wartość 1. Wartość współczynnika mocy cosφ_nG należy przyjąć zgodnie z DTR zespołu prądotwórczego.

W przypadku braku informacji w tym zakresie można przyjmować cosφ_nG=0,8. Moc pozorna zespołu prądotwórczego musi spełniać nierówność:

gdzie:

P_Gmin – minimalna moc czynna, jaką musi pokryć generator zespołu prądotwórczego, w [kW].

Odbiorniki nieliniowe pobierające prąd zniekształcony z generatora powodują zmniejszenie możliwości wykorzystania mocy czynnej generatora zespołu prądotwórczego. W celu pokrycia mocy zapotrzebowanej przez te odbiorniki moc generatora musi ulec zwiększeniu.

Minimalną moc czynną generatora niezbędną do pokrycia mocy zapotrzebowanej przez te odbiorniki należy wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

p – współczynnik wykorzystania określony wzorem (19), w [-],

P_Z – moc czynna zapotrzebowana przez odbiorniki objęte systemem zasilania awaryjnego, w [kW],

P_Gmin – wymagana minimalna moc czynna generatora zespołu prądotwórczego, w [kW].

Współczynnik zniekształcenia:

gdzie:

THD_i% – współczynnik odkształcenia prądu, w [-].

Natomiast moc zespołu prądotwórczego określamy zgodnie ze wzorem (21).

W przypadku zasilania silnika lub grupy silników z zespołu prądotwórczego należy pamiętać, że moc zespołu prądotwórczego musi pokryć zwiększone zapotrzebowanie mocy powodowane przez prądy rozruchowe:

gdzie:

I_r – prąd rozruchowy silnika, w [A],

k – współczynnik rozruchu silnika, w [-],

I_n – prąd znamionowy silnika, w [A],

U_n – napięcie znamionowe silnika, w [V],

P_G – moc generatora zespołu prądotwórczego, w [W],

P_rs – moc czynna zapotrzebowana przez silnik podczas rozruchu, w [W].

Silniki indukcyjne podczas rozruchu charakteryzują się również mniejszym niż znamionowy współczynnikiem mocy, który dla silników klatkowych przyjmuje wartość w granicach (0,1–0,4). Wartości mniejsze odnoszą się do jednostek większej mocy, natomiast wartości większe do jednostek mniejszej mocy.

Zasilacze bezprzerwowe (UPS)

Zasilacz UPS to urządzenie przeznaczone do zapewnienia bezprzerwowej pracy urządzeń komputerowych, łączności oraz innych wrażliwych na przerwy w zasilaniu, wahania napięcia i inne zakłócenia występujące w sieci zasilającej. Jest on urządzeniem energoelektronicznym, umożliwiającym zasilanie odbiorników z baterii lub innego magazynu energii elektrycznej, w przypadku zaniku napięcia w sieci zasilającej. Eliminuje zakłócenia pochodzące z sieci elektroenergetycznej, utrzymuje stałą wartość napięcia i w razie potrzeby izoluje dołączone do niego urządzenia od sieci elektroenergetycznej. Dzięki temu wyklucza się możliwość uszkodzenia sprzętu i oprogramowania, a także nieprzewidywalnego działania urządzeń. Na rynku dostępne są następujące typy zasilaczy UPS:

• pracujące w trybie VFD (off-line),
• pracujące w trybie VI (line-interactive – sieciowo interaktywne),
• pracujące w trybie VFI (on-line).

Dobór mocy zasilaczy UPS

Podstawą doboru mocy zasilacza UPS jest moc czynna i bierna zapotrzebowana przez odbiorniki, które mogą być zasilane z dobieranego zasilacza UPS.

Moc czynną zapotrzebowaną należy wyznaczyć ze wzoru (16), natomiast moc bierną zapotrzebowaną należy obliczyć ze wzoru (17). Kolejnym krokiem jest obliczenie minimalnej mocy pozornej na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej ze wzoru (24):

W przypadku, gdy systemem zasilania gwarantowanego zostaną objęte silniki, zasilacz UPS musi zapewnić pokrycie zwiększonego zapotrzebowania mocy wynikającego z rozruchu zasilanych silników. W przypadku zasilania odbiorników nieliniowych wyznaczenie mocy czynnej zapotrzebowanej należy obliczyć ze wzoru:

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 bypass zewnętrzny, co z kolei 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. 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.

Ponieważ zasilacz UPS musi pokryć zapotrzebowanie mocy czynnej PZ oraz mocy biernej QZ, w przypadku, gdy UPS konwertuje energię przy współczynniku mocy cosφ_Z<cosφ_nUPS, zmniejsza się zdolność wykorzystania mocy czynnej UPS ze względu na możliwości przełączeniowe układu półprzewodnikowego falownika.

Falownik zasilacza UPS zasilający odbiorniki posiada ograniczenia wydajności mocy czynnej związanej z kształtowaniem przebiegu napięcia przy poborze prądu odbiorników zarówno o charakterze pojemnościowym, jak i indukcyjnym, czyli cos?nUPS. Zatem w przypadku wytwarzania energii elektrycznej przy współczynniku cosφ_Z<cosφ_nUPS skutkuje zmniejszeniem jego wykorzystania. Względne obciążenie zasilacza UPS mocą czynną można określić współczynnikiem wykorzystania, który należy obliczyć ze wzoru:

Wymagana minimalna moc czynna zespołu prądotwórczego musi spełniać następującą nierówność:

Obliczony ze wzoru (26) współczynnik wykorzystania p należy podstawić do wzoru (27). W przypadku, gdy p≥1, do wzoru (27) należy wstawić wartość 1. Wartość współczynnika mocy cosφnUPS należy przyjąć zgodnie z DTR zasilacza UPS.

W przypadku braku informacji w tym zakresie można przyjmować cosφnUPS=0,8 dla zasilaczy UPS o konstrukcji transformatorowej lub cosφnUPS=0,9 dla zasilaczy beztransformatorowych z falownikiem IGBT. Moc pozorna zasilacza UPS musi spełniać następującą nierówność:

gdzie:

P_UPSmin – minimalna moc czynna, jaką musi pokryć generator zespołu prądotwórczego, w [kW],

cosφ_nUPS – znamionowy współczynnik mocy zasilacza UPS, w [-] (wartość cosφ_nUPS należy przyjmować na podstawie DTR producenta UPS; w przypadku braku danych można przyjmować wartość 0,8.

Mała wartość współczynnika mocy cos?Z powoduje przeciążenie falownika, a w konsekwencji może doprowadzić do jego wyłączenia lub przełączenia zasilacza UPS na wewnętrzny tor obejściowy. Jeżeli zasilacz UPS oddaje większą moc bierną niż znamionowa, ze względu na konieczność utrzymania napięcia znamionowego i nieprzeciążanie falownika należy zmniejszyć moc czynną obciążenia.

Zatem wytwarzanie energii elektrycznej przez zasilacz UPS przy współczynniku mocy cosφ_Z<cosφ_nUPS skutkuje koniecznością zwiększenia jego mocy do wartości umożliwiającej pełne pokrycie mocy czynnej zapotrzebowanej PZ oraz mocy biernej zapotrzebowanej Q_Z. Wprowadzanie układów kompensacji mocy biernej (szczególnie indukcyjnej) jest niewskazane ze względu na charakter pracy źródła zasilającego i w konsekwencji może doprowadzić do przedwczesnego zniszczenia kondensatorów.

W przypadku, gdy zasilacz służy do zasilania urządzeń z dużym prądem rozruchowym, za podstawę doboru mocy należy przyjmować prądy rozruchowe tych urządzeń, które nie mogą przekraczać wartości prądu znamionowego zasilacza UPS z uwzględnieniem jego chwilowego przeciążenia określonego w DTR producenta. W przypadku, gdy zasilacz UPS zasila odbiorniki nieliniowe, powstają zniekształcenia prądu pobieranego ze źródła. Zniekształcenia te powodują pojawianie się w sieci zasilającej oraz instalacji odbiorczej harmonicznych, interharmonicznych i subharmonicznych, które na ogół nie są w fazie z napięciem.

Zjawisko wyższych harmonicznych powoduje, że oprócz mocy czynnej i biernej pojawia się moc deformacji V, co oznacza, że moc pozorna nie może być określona jako iloczyn prądu i napięcia podstawowej harmonicznej. Wartość mocy deformacji V zależy od stopnia odkształcenia przebiegów napięcia i prądów, czyli od zawartości wyższych harmonicznych, a w układach wielofazowych również od stopnia asymetrii. W przypadku obciążeń asymetrycznych współczynnik mocy cosφ nie jest jednakowy dla poszczególnych faz. W każdej fazie jego wartość może być różna i uzależniona od wartości mocy czynnej i biernej obciążającej fazę.

Oszacowanie wartości mocy deformacji powodowanej niesymetrycznym obciążeniem jest dość trudne, jednak współczesne zasilacze UPS beztransformatorowe z falownikiem wykonanym w technologii IGBT są odporne na niesymetrię obciążenia wyjściowego.

Zasilacze dc – siłownie telekomunikacyjne (STK)

Siłownia telekomunikacyjna jest to zasilacz stałoprądowy, którego zasada działania jest podobna do działania zasilacza UPS. Zasilacz ten służy do wytworzenia napięcia 48V dc i jest przeznaczony do zasilania central telekomunikacyjnych. W przypadku zaniku napięcia zasilającego w sieci elektroenergetycznej, energia czerpana jest z baterii stanowiących element składowy zasilacza.

Dobór STK polega na przyjęciu określonego typu urządzenia i wyznaczeniu liczby niezbędnych zasilaczy, w które należy wyposażyć dobieraną siłownię. Liczba dobieranych zasilaczy N, ze względów eksploatacyjnych musi zostać powiększona o jeden moduł, czyli:

Podstawą wszelkich obliczeń jest moc czynna zapotrzebowana przez centrale (PC), która będzie zasilana przez dobieraną STK. W celu ułatwienia prowadzenia tych obliczeń niżej zostaną podane niezbędne wzory:

gdzie:

P_wejSTK – moc czynna wejściowa siłowni telekomunikacyjnej, w [W],

P_wejSTK – moc czynna wejściowa siłowni telekomunikacyjnej niezbędna do pokrycia mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki, w [W],

P_C – moc zapotrzebowana przez centralę, w [W],

N – liczba wymaganych zasilaczy dc, w [-],

P_ŁB – moc ładowania baterii, w [W],

I_Ł – prąd ładowania baterii, w [A],

P₁ – moc pojedynczego zasilacza, w [W],

I_nc – całkowity prąd pobierany przez centralę, w [A],

T_p – czas podtrzymania zasilania przy pracy bateryjnej, w [h],

TŁ – czas ładowania baterii (przyjmuje się 10 h), w [h],

Unc – napięcie znamionowe STK, w [V].

Wartość 52 we wzorze (31) stanowi wartość napięcia, przy którym ładowane są baterie.

Na rysunku 5. został przedstawiony algorytm doboru siłowni telekomunikacyjnej. Moc wejściową STK, której znajomość jest niezbędna przy bilansie mocy zapotrzebowanej przez zasilany obiekt budowlany, należy wyznaczyć ze wzorów:

gdzie:

cosφ_wejSTK – współczynnik mocy wejściowej STK, w [-],

Q_wejSTK – moc bierna zapotrzebowana przez STK, w [var].

W przypadku zasilania STK z zespołu prądotwórczego, gdy THDi zbliża się do 8%, a moc generatora zespołu prądotwórczego nie została przewymiarowana, należy mieć świadomość, że długotrwałe obciążenie w tym stanie spowoduje przedwczesne wyeksploatowanie zespołu. Należy zatem w takim przypadku unikać długotrwałej pracy pełnym obciążeniu generatora.

Tandem UPS – zespół prądotwórczy

W celu uzyskania większej niezawodności do systemu zasilania gwarantowanego wprowadza się dodatkowe źródła zasilania awaryjnego, tj. zespół prądotwórczy. Taki układ daje bardzo duże bezpieczeństwo i pewność, że w razie awarii systemu zasilania podstawowego urządzenia o znaczeniu krytycznym będą zasilane bez przerw, co uchroni odbiorców od wielu, niejednokrotnie poważnych strat, a tym samym strat spowodowanych przerwami w dostawie energii elektrycznej.

Zasilacz UPS powinien być dobierany do oszacowanej mocy odbiorników. Należy pamiętać, by sumaryczna moc odbiorników nie przekraczała ani wyjściowej mocy czynnej, ani wyjściowej mocy pozornej zasilacza. Wskazane jest niewielkie przewymiarowanie zasilacza (10–20%), które stanowiłoby rezerwę na okresowy wzrost lub błędy w szacowaniu mocy odbiorników.

UPS przeznaczony do współpracy z zespołem prądotwórczym powinien stanowić barierę między odbiorami a zespołem. Chodzi o maksymalne wyeliminowanie wpływu na zespół odkształconych prądów pobieranych przez odbiory nieliniowe (np. urządzenia komputerowe). Powinien to być UPS, który nie wiąże kształtu prądu wejściowego z kształtem prądu pobieranego przez odbiory.

Zespół prądotwórczy powinien bezpiecznie pokrywać zapotrzebowanie zasilacza UPS i odbiorników kategorii II. Jego moc jest sumą mocy pobieranej przez UPS w stanie pełnego obciążenia i mocy odbiorników kategorii II.

gdzie:

P_UPSwy – moc wejściowa zasilacza UPS, w [kW],

η – moc sumaryczna odbiorników kategorii II, w [kW].

Moc wejściową zasilacza UPS obliczamy korzystając z zależności:

gdzie:

P_UPSwy – wyjściowa moc czynna zasilacza UPS, w [kW],

η – sprawność zasilacza UPS, w [-],

W – współczynnik przewymiarowania mocy zespołu biorący pod uwagę między innymi odkształcenie prądu wejściowego zasilacza UPS (wzór 11),

P_B – dodatkowa moc wejściowa zasilacza związana z ładowaniem baterii (co najmniej 25% mocy znamionowej zasilacza), w [kW].

Jeżeli zasilacz UPS ma możliwość rozbudowy (zwiększenie mocy wyjściowej przewidziane w konstrukcji urządzenia), należy brać pod uwagę największą moc wyjściową zasilacza. Zalecane jest też stosowanie zasilaczy wyposażonych w specjalny interfejs do współpracy z zespołem prądotwórczym, pozwalający aktywnie ograniczyć prąd wejściowy przez zablokowanie funkcji ładowania baterii do chwili powrotu napięcia sieci. Wówczas można zrezygnować z 25-procentowej nadwyżki mocy zespołu, niezbędnej do ewentualnego ładowania baterii.

Do współpracy z zespołem prądotwórczym zaleca się stosowanie zasilaczy UPS wyposażonych w filtr redukujący zawartość harmonicznych w prądzie wejściowym do poziomu około 10% (głębsza redukcja jest bezcelowa, nie wpływa znacząco na poprawę charakterystyki współpracy zasilacza z zespołem prądotwórczym, nie jest więc uzasadniona ekonomicznie). Nie powinno się stosować innych topologii zasilaczy niż online, gdyż tylko taka gwarantuje, że poprawność współpracy zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym nie zachwieje się w wyniku zmiany charakterystyki odbiorników.

Przykład 2.

Należy dobrać moc zespołu prądotwórczego przeznaczonego do awaryjnego zasilania następujących odbiorników:

a) 2 silniki indukcyjne klatkowe o następujących parametrach: P_ns=10 kW; k_r=6; cosφ=0,8; η=0,8; U_n=3×400 V; s_n=5%; k_Mr=2,3,

b) zasilacz UPS o następujących parametrach: P_n=20 kW; cosφ=0,95; THD_i=8%; U_n=3×400/230 V; η=0,9,

c) odbiorniki oświetleniowe o łącznej mocy P=6 kW; cosφ=0,7; U_n=230 V (odbiorniki pogrupowane są symetrycznie, co zapewnia jednakowe obciążenie poszczególnych faz).

Moc znamionowa pojedynczego silnika:

Prąd rozruchowy przy połączeniu w trójkąt:

Jest to duży prąd, który należy ograniczyć. Jednym ze sposobów jest zastosowanie przełącznika gwiazda/trójkąt, dzięki czemu uzyskuje się 3-krotne zmniejszenie prądu rozruchowego, zatem:

Ze względu na znaczny prąd rozruchowy pojedynczego silnika należy zastosować układ uniemożliwiający jednoczesny rozruch wszystkich silników.Zatem przy założeniu sekwencyjnego rozruchu silników, moc szczytowa obciążenia wyniesie:

Moc zapotrzebowana przez zasilacz UPS:

Całkowita moc czynna zapotrzebowana:

Na podstawie katalogu producenta zespołów prądotwórczych warunki spełnia zespół o mocy 80 kVA.

Literatura

1. N SEP-E-002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania.
2. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wydanie 4, DW MEDIUM, Warszawa 2010.
3. H. Markiewicz, Instalacje elektryczne, wyd. 3, WNT, Warszawa 2003.
4. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, COSiW SEP, Warszawa 2007.
5. M. Kochel, S. Niestępski, Elektroenergetyczne sieci i urządzenia przemysłowe, OWPW, Warszawa 2003.
6. E. Musiał, Współczynnik jednoczesności a współczynnik zapotrzebowania, INPE, nr 68-69/2005.
7. H. Markiewicz, A. Klajn, Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania i obliczeń – podręczniki INPE dla elektryków, zeszyt 7/ 2005.
8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
9. PN-B-02852:2001 Ochrona pożarowa budynków. Obliczanie gęstości obciążenia ogniowego oraz wyznaczanie względnego czasu trwania pożaru.
10. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 listopada 2005 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać bazy i stacje paliw płynnych, rurociągi przesyłowe dalekosiężne służące do transportu ropy naftowej i produktów naftowych i ich usytuowanie (DzU nr 243/2005, poz. 2063).
11. Katalogi stacji transformatorowych produkcji Elektromontaż Lublin Sp. z o.o.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!