Pomiar impedancji pętli zwarciowej w obwodach zasilanych z UPS-ów typu online oraz zasada oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej (część 1.)
Rys. 1. Schemat zasilania dwóch obwodów o różnej impedancji przez zasilacz pracujący w trybie podwójnego przetwarzania energii, rys. J. Katarzyński, M. Olesz
Zasilacze UPS są obecnie najpopularniejszym środkiem przeciwdziałającym zaburzeniom w sieci energetycznej i chroniącym odbiorniki przed skutkami tych zaburzeń [1]. Wyposażone w magazyn energii elektrycznej, najczęściej w postaci akumulatorów kwasowo-ołowiowych w technologii AGM VRLA (Absorbe Glass Mat Valve Regulated Lead Acid) [2], są w stanie zapewnić bezprzerwowe zasilanie odbiornikom wymagającym ciągłości zasilania. Skutki utraty danych, przerwania ciągu technologicznego czy utraty życia ludzkiego z powodu przerwy w zasilaniu, są czasami trudne do oszacowania, a obecność zasilacza UPS w takiej sytuacji bezcenna [3]. W zakresie mocy od 10 kVA do ponad 6 MVA (w pracy równoległej) zasilacze UPS produkuje się w technologii podwójnego przetwarzania energii AC-DC-AC, nazywając je popularnie zasilaczami typu online [1, 3].
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 instalacjach niskiego napięcia występują zaburzenia w postaci zwarć i przeciążeń obwodów elektrycznych, ale dostępna szeroka wiedza umożliwia odpowiednie zabezpieczanie obwodów elektrycznych w tym zakresie [4, 5]. Każda instalacja elektryczna podlega procedurze sprawdzania podczas pierwszego uruchomienia, po modyfikacjach oraz sprawdzeniom okresowym pod kątem spełniania wymagań normy [6]. Ideą weryfikacji instalacji elektrycznych jest ochrona człowieka przed porażeniem prądem elektrycznym oraz bezpieczna praca instalacji elektrycznej oraz odbiorników z niej zasilanych. Dotyczy to również obwodów elektrycznych zasilanych z UPS-a.
Jedną z najważniejszych metod sprawdzania instalacji jest pomiar impedancji pętli zwarciowej (IPZ), który umożliwia weryfikację zabezpieczeń pod kątem samoczynnego wyłączenia zasilania w przypadku wystąpienia zwarcia [4–6]. Wybór przyrządów do pomiaru IPZ jest duży, a ich cena zróżnicowana, jednak wszystkie techniki pomiarowe bazują na pomiarze spadku napięcia podczas wymuszenia prądu probierczego miernika w badanym obwodzie. W zależności od wartości wymuszanego prądu, techniki pomiarowej oraz algorytmu obliczeniowego osiąga się różną dokładność pomiaru. Wykonując pomiary IPZ miernikami różnych producentów rozbieżność wyników sięga około 10%. Zupełnie inaczej jest w przypadku wykonywania pomiarów IPZ w obwodach zasilanych z UPS. Tutaj wyniki pomiarów mogą różnić się nawet 10-krotnie. Jak zatem właściwie zmierzyć IPZ w obwodzie zasilanym z UPS i na jego podstawie prawidłowo ocenić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej? Jest to pytanie, na które w tym artykule znajdujemy odpowiedź.
Podczas testów wykonano około 200 prób zwarć i pomiarów IPZ w obwodach zasilanych z zasilaczy UPS o mocy 30 i 40 kVA [7, 8] przy zastosowaniu sześciu przyrządów różnych producentów wymuszających prądy probiercze w zakresie od 3 do 140 A. Zróżnicowane wyniki pomiarów IPZ wykazały, że konieczne są badania w tym zakresie w celu wyjaśnienia przyczyn występujących rozbieżności. W tym celu przedstawiono zasadę działania zasilaczy UPS typu online w przypadku zwarć w obwodzie zasilanym z UPS-a. Zmieniano długość obwodu tak, aż zasilacz ze stanu zwarcia przechodził w stan przeciążenia. Stwierdzono istotne różnice w działaniu zasilacza UPS, kiedy wymuszano stan zwarcia w obwodzie zasilanym z UPS podczas jego pracy w trybie podwójnego przetwarzania energii, przy obecnej sieci zasilającej oraz podczas pracy bateryjnej po wyłączeniu zasilania sieciowego. Zrozumienie zjawisk w zasilaczu UPS typu online w czasie zwarć w obwodach wyjściowych UPS pozwoliło na wyjaśnienie rozbieżności w wynikach pomiarów IPZ. Na podstawie analizy wyników pomiarów IPZ oraz zachowania zasilaczy UPS typu online w czasie zwarć w obwodach wyjściowych [9] zaproponowano sposób właściwego pomiaru IPZ w obwodach zasilanych z UPS w postaci algorytmu, który jednocześnie umożliwia poprawną ocenę skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania. Podany algorytm staje się bardzo dobrym i w obecnej chwili jedynym narzędziem do poprawnej oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania w obwodach zasilanych z UPS.
Odniesienia do istniejącej literatury są skromne, ponieważ nie ma publikacji nawiązujących jednoznacznie do analizowanego przez autorów tematu. Idea pomiaru impedancji pętli zwarcia została dokładnie opisana matematycznie, a zjawiska towarzyszące pomiarowi precyzyjnie wyjaśnione w [4, 5, 10]. Zwarcia i ich skutki w instalacjach niskiego napięcia szczegółowo opisano w [4, 11–13], dzięki czemu powstały różne modele matematyczne, symulujące zwarcia w obwodach elektrycznych. Dzięki tym modelom oraz normie [6] powstały programy wspomagające dobór odpowiednich zabezpieczeń instalacji elektrycznej, gwarantujących bezpieczeństwo ludzi przed porażeniem elektrycznym oraz ochronę instalacji i odbiorników [4, 14]. Pracujące w zasilaczach UPS falowniki i prostowniki dokładnie przebadano pod kątem skutków zewnętrznych zwarć, przeciążeń i przepięć, co umożliwiło zaprojektowanie właściwych zabezpieczeń w postaci wkładek topikowych szybkich oraz programowego ograniczania prądu [15, 16]. Dzisiejsze konstrukcje przekształtników są bezpieczne w eksploatacji i odporne na czynniki zewnętrzne, takie jak zwarcia, przeciążenia oraz przepięcia [7, 8, 15]. Mimo literatury i programów [17], które wspierają inżynierów w projektowaniu instalacji elektrycznej, wciąż występuje problem pomiarów elektrycznych w obwodach zasilanych z UPS. Waga prezentowanego w tym artykule problemu jest znacząca. Codziennie wykwalifikowany personel wykonuje pomiary elektryczne, aby zweryfikować, czy badana instalacja elektryczna może być dopuszczona do eksploatacji zgodnie z wymaganiami normy [6]. W przypadku negatywnego wyniku mogą zostać wydane niewłaściwe zalecenia, które są wynikiem braku wiedzy w zakresie opisanym w tym artykule.
Rys. 1. Schemat zasilania dwóch obwodów o różnej impedancji przez zasilacz pracujący w trybie podwójnego przetwarzania energii, gdzie: Zs – impedancja pętli zwarciowej, Zlim – graniczna impedancja pętli zwarciowej, Tr – transformator, A, B, C, D – zabezpieczenia, BR – tor bypassu ręcznego, BE – tor bypassu elektronicznego, P – prostownik, F – falownik, BAT – bateria akumulatorów. PRZYPADEK 1 bez efektu przełączenia na tor BE podczas zwarcia odległego (Zs>Zlim) rys. J. Katarzyński, M. Olesz
Rys. 2. Schemat zasilania dwóch obwodów o różnej impedancji przez zasilacz pracujący w trybie podwójnego przetwarzania energii. PRZYPADEK 2 z efektem przełączenia na tor BE podczas zwarcia pobliskiego (Zs<Zlim). rys. J. Katarzyński, M. Olesz
W artykule:
|
Streszczenie W artykule wskazano na istotny problem niejednoznaczności pomiaru impedancji pętli zwarciowej (IPZ) w obwodach zasilanych z zasilaczy UPS typu online (double conversion AC-DC-AC). Poprawnie zmierzona wartość impedancji pętli zwarciowej, na podstawie której wyznacza się spodziewany prąd zwarciowy, jest kluczowa w ocenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania i dopuszczeniu instalacji elektrycznej do eksploatacji. Wykonanie prób pomiarów impedancji pętli zwarciowej w obwodach zasilanych z UPS zgodnie z przyjętą metodyką, w różnych trybach pracy zasilacza, pozwoliło na zdefiniowanie zasad pomiaru, które ograniczają błąd w ocenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania. Na podstawie przeprowadzonych prób i analiz zaproponowano autorski algorytm wyznaczania impedancji pętli zwarciowej w obwodach zasilanych z UPS-a oraz opracowano i zweryfikowano w praktyce procedurę sprawdzania skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania w obwodach zasilanych z UPS. |
Abstract Fault Loop Impedance Measurement in Circuits Fed by UPS and Principle of Safety ProtectionThe paper indicates a significant problem of uncertainty of Fault Loop Impedance (FLI) measurement in circuits powered from UPS (double-conversion AC-DC-AC). The correctly determined value of this impedance, related to the short-circuit current disconnection time and to the reference value, is one of the most important elements that determines the approval of an electrical installation and its receivers for operation. To define the principles of FLI measurement, several hundred measurements of the short-circuit loop impedance in the circuits fed by the UPS, in various UPS operation modes and with various FLI instruments, were made, which allowed for the definition of measurement rules that reduce the error in assessing the effectiveness of protection against electric shock by automatic disconnection of supply. Based on the analysis of voltage and current waveforms recorded during the real short-circuit tests in the circuit fed by the UPS, a proprietary algorithm for determining the short-circuit loop impedance has been proposed. Keywords: Uninterruptible Power Supply (UPS), short-circuit, protection for safety, Earth fault loop impedance measurement, UPS power supply reliabiliy. |
Zwarcie w linii zasilanej z UPS-ów typu online
Zasilacze UPS typu online (podwójne przetwarzanie energii AC-DC-AC) stanowią zdecydowaną większość produkcji zasilaczy średnich i dużych mocy na świecie [1, 2]. W zakresie od 10 do 1000 kVA UPS-y produkuje się w wersji trójfazowej, przy czym istnieje możliwość zwiększenia mocy systemu bezprzerwowego zasilania przez dołączanie jednostek równoległych [3]. Wystąpienie zwarcia w obwodzie zasilanym z UPS powoduje reakcję zależną od trybu pracy (podwójne przetwarzanie energii, aktywny bypass elektroniczny, tryb autonomiczny czyli praca z baterii), impedancji pętli zwarciowej (zależnej od odległości miejsca zwarcia w instalacji od zacisków wyjściowych UPS, parametrów oprzewodowania, rozwiązań konstrukcyjnych układów przełączających). Podane w literaturze prace [9, 10, 18] analizują problematykę pomiaru impedancji w sposób częściowy, bez pełnej analizy stanów nieustalonych, które mają miejsce w czasie zwarć w obwodach zasilanych z UPS i które są kluczowym elementem do jednoznacznej oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania w instalacjach bezprzerwowych systemów zasilania UPS.
Zwarcie w linii zasilanej z UPS-ów typu online podczas jego pracy w trybie podwójnego przetwarzania energii (AC-DC-AC)
Zasilacz UPS typu online, uznawany jest za produkt najwyższej klasy według normy [19] (punkt 5.3.4.), która przez oznaczenie VFI-SS-111, określa parametry jakościowe napięcia uzyskiwanego z UPS, możliwe do spełnienia jedynie przez konstrukcje zasilaczy o podwójnym przetwarzaniu energii. Konstrukcja zasilacza online umożliwia w sposób ciągły przetwarzanie energii przez połączone w szereg przetwornice typu prostownik i falownik (rys. 1.). Podłączona do szyn DC, między prostownikiem P, a falownikiem F zasilacza bateria akumulatorów BAT (lub inne źródło DC, np. magazyn energii kinetycznej Fly Wheel) pozwala na bezprzerwową pracę falownika w przypadku przerwy w zasilaniu układu prostownika. W przypadku przekroczenia wartości prądu falownika, typowej dla danego zasilacza, następuje dla trybu pracy podwójnego przetwarzania energii bezprzerwowe przełączenie zasilania odbiorników chronionych na tor obejścia elektronicznego BE (Bypass Elektroniczny), natomiast kiedy zasilacz pracuje z baterii przekroczenie pewnej wartości prądu falownika spowoduje jego ograniczenie przez określony czas. Przepływ prądu zwarciowego w linii zasilanej z UPS-a może, ale nie musi, powodować ograniczenie prądu falownika. Reakcja zasilacza UPS na zwarcie w obwodzie wyjściowym zależy od impedancji pętli zwarciowej Zs (całkowita impedancja począwszy od miejsca zasilania do punktu zwarcia). Z punktu widzenia cech konstrukcyjnych zasilacza można obliczyć graniczną impedancję Zlim, powyżej której prąd płynący do miejsca zwarcia w trybie podwójnego przetwarzania energii nie spowoduje przełączenia zasilacza na tor BE, a co najwyżej spowoduje jego przeciążenie. Na rysunku 1. przedstawiono schemat zasilania dwóch obwodów o różnej impedancji, wynikających z podłączonych do wyjścia UPS-a przewodów, zależnych od ich długości i przekroju. Zasilacz UPS pracuje w trybie podwójnego przetwarzania energii przy obecnym napięciu z sieci zasilającej, a przedstawiony PRZYPADEK 1 dotyczy zwarcia odległego (Zs>Zlim), bez skutku przełączenia na tor BE.
Rys. 3. Przebieg napięcia i prądu na wyjściu UPS-a o mocy 30 kVA w czasie zwarcia pobliskiego L-PE, wyłączonego zabezpieczeniem nadprądowym D (widocznym na rysunku 2.): a) początek zwarcia, b) moment przełączania z falownika na tor BE, c) koniec zwarcia rys. J. Katarzyński, M. Olesz
Przykładowo, dla trójfazowego zasilacza UPS o mocy 30 kVA zwarcie metaliczne na końcu przewodu o przekroju 2,5 mm2 i długości co najmniej 250 m nie powoduje przełączenia zasilacza na BE. Występuje wówczas stan zwarcia odległego, kiedy wartość impedancji obwodu zasilanego z UPS jest większa od wartości granicznej Zlim, a wymuszony prąd zwarciowy jest mniejszy od maksymalnego prądu falownika,
dla którego zasilacz wciąż stabilizuje napięcie wyjściowe z dokładnością do 1% (stan przeciążenia UPS). Wartość graniczną impedancji pętli zwarciowej Zlim, powyżej której zasilacz nie przełączy się na BE i umożliwi zasilanie z falownika obwodu w miejscu zwarcia (rys. 1.), można opisać wzorem:
gdzie:
Zlim – graniczna wartość impedancji pętli zwarciowej, powyżej której napięcie falownika jest stabilizowane do wartości znamionowej z tolerancją ±1%,
UnUPS – znamionowe napięcie fazowe UPS dla pracy falownikowej (typowo UL-N = 230 V),
Iinvmax – maksymalny prąd wyjściowy falownika, przy którym napięcie jest jeszcze stabilizowane z tolerancją ±1% (typowo Iinvmax= 150% ·InUPS, InUPS – prąd znamionowy UPS).
W takiej sytuacji wartość prądu zwarciowego określa iloraz napięcia na wyjściu UPS-a (praktycznie napięcie znamionowe UPS) i impedancji pętli zwarciowej obwodu liczonego od zacisków wyjściowych UPS-a do miejsca zwarcia. W przypadku zwarcia odległego (Zs>Zlim) impedancja falownika i pozostałych składowych impedancji przed zasilaczem UPS w takiej sytuacji nie ma wpływu na prąd zwarciowy, ponieważ napięcie stabilizowane jest na zaciskach wyjściowych UPS-a przez falownik. Ze względu na niewielką moc zwarciową falownika UPS i bliskie odległości urządzeń chronionych od zacisków UPS (Zs<Zlim) w praktyce nie występuje podtrzymywanie prądu zwarciowego przez falownik przy obecnej sieci zasilającej, z powodu przełączenia na BE, wymuszonego prądem większym od Iinvmax.
Zwarcie pobliskie, którego impedancja wymusi prąd powodujący przełączenie zasilacza na BE jest typowym, najczęstszym przypadkiem zwarcia w obwodzie zasilanym z UPS, kiedy ten przed zdarzeniem pracował w trybie podwójnego przetwarzania energii. Na rysunku 2. przedstawiono PRZYPADEK 2, odpowiadający warunkowi Zs<Zlim.
Dla zwarć, które wymuszą przełączenie zasilacza na tor BE (Zs<Zlim), impedancja pętli zwarciowej wynosi (2):
gdzie:
Zs – impedancja całkowita mierzona od źródła do miejsca zwarcia,
ZQ – impedancja systemu,
ZTr – impedancja transformatora,
Zk1 – impedancja zastępcza toru kablowego wraz z rezystancją połączeń między transformatorem a UPS,
ZBE – impedancja toru bypassu elektronicznego UPS,
Zk2 – impedancja zastępcza toru kablowego wraz z rezystancją połączeń między UPS-em a miejscem zwarcia.
Z przedstawionego wzoru wynika, że impedancja pętli zwarciowej Zs jest wartością typową dla zwarcia w instalacji elektrycznej bez zasilacza UPS, powiększoną jedynie o wartość dodatkowej impedancji toru BE, w której główną składową jest impedancja tyrystora. Ze względu na wartości impedancji tyrystora (od kilku lub kilkudziesięciu mΩ dla prądów zwarciowych dopuszczalnych dla tyrystora) prąd spodziewany w obwodzie zasilanym z UPS, wynikający z impedancji Zs, jest zbliżony do tej samej wartości bez udziału zasilacza UPS. Dysproporcja między prądami spodziewanymi jest zauważalna dopiero przy zainstalowaniu zasilacza w bliskiej odległości od transformatora, kiedy Zs dąży do 0 Ω, a udział impedancji tyrystora w całkowitej impedancji Zs zaczyna mieć istotny wpływ.
Zjawisko przełączania z falownika na tor BE podczas zwarcia pobliskiego na wyjściu UPS jest typowe dla konstrukcji zasilaczy online i zachodzi po przekroczeniu zdolności przeciążeniowej falownika [3, 13, 14], zazwyczaj powyżej 150% wartości znamionowej prądu UPS. Czas przełączenia na tor BE trwa około 3÷5 ms (czas typowy dla większości zasilaczy różnych producentów UPS). Przykładowy przebieg napięcia i prądu na wyjściu UPS-a w momencie zwarcia pobliskiego dla PRZYPADKU 2 przedstawiono na rysunku 3.
Tuż przed zwarciem zasilacz pracuje w trybie podwójnego przetwarzania energii zasilając urządzenia odbiorcze z falownika (dla PRZYPADKU 2). W momencie zwarcia falownik wciąż zasila obwód z punktem zwarcia za zabezpieczeniem D (rys. 2.), pracując na ograniczeniu prądowym o wartości ok. 100 A (wartość fabryczna ograniczenia prądowego dla testowanego zasilacza UPS). Stan taki utrzymuje się przez czas 3,3 ms, po którym zostają załączone w stan przewodzenia tyrystory BE (znacznik „b”) oraz zablokowane tranzystory IGBT falownika. Przez tyrystor przepływa prąd zwarciowy o wartości szczytowej 320 A, wyłączony przez zabezpieczenie D. Ograniczony przez falownik prąd może, ale nie musi wyzwolić zabezpieczenia D, natomiast prąd płynący po przełączeniu na tor BE powinien spowodować zadziałanie urządzenia zabezpieczającego D, ewentualnie B lub A w przypadku ograniczonej wybiorczości aparatów lub nieprawidłowego doboru zabezpieczenia D [14]. Z punktu widzenia niezawodności systemu bezprzerwowego zasilania oraz ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania istotna jest wartość prądu po przełączeniu na BE, a ta wynika z impedancji pętli Zs z uwzględnieniem impedancji ZBE toru BE.
Zwarcie w linii zasilanej z UPS-ów typu online podczas jego pracy autonomicznej (praca z baterii DC-AC)
W trybie autonomicznym występują podobnie jak dla trybu podwójnego przetwarzania energii dwa przypadki zwarć. Przypadek zwarcia odległego w trybie autonomicznym UPS będzie identyczny jak PRZYPADEK 1, opisywany w punkcie 2.1. z tą różnicą, że falownik będzie zasilany z baterii akumulatorów na skutek wyłączenia prostownika. Zwarcie odległe w takim przypadku spowoduje co najwyżej przeciążenie falownika. Zwarcie pobliskie w trybie autonomicznym UPS będzie różniło się znacząco od analogicznej sytuacji w trybie podwójnego przetwarzania energii, opisanej jako PRZYPADEK 2.
Na rysunku 4. przedstawiono zwarcie pobliskie (oznaczone jako PRZYPADEK 3), odpowiadające warunkowi zwarcia Zs<Zlim, podczas pracy autonomicznej zasilacza UPS.
Zwarcie w punkcie, w którym impedancja pętli zwarciowej mierzona od zacisków UPS do punktu zwarcia jest mniejsza od wartości granicznej Zlim skutkuje ograniczeniem prądowym przez falownik zasilacza w trybie jego pracy autonomicznej. Brak możliwości przełączenia na BE, w przeciwieństwie do przypadku pracy zasilacza przy obecnym napięciu z sieci zasilającej, wymusza na UPS pracę falownika przez krótki czas, zależny od typu zasilacza i jego producenta. Typowo zasilacze UPS podtrzymują prąd zwarciowy na poziomie od 150 do 300% wartości znamionowej prądu UPS przez czas od 50 do 2000 ms [3, 20]. Występują konstrukcje specjalne UPS, które mogą mieć znacząco różne od podanych parametry zdolności zwarciowej falownika, np. podtrzymywanie prądu zwarcia przez czas 5 s.
Rys. 4. Schemat zasilania dwóch obwodów o różnej impedancji przez zasilacz pracujący w trybie autonomicznym (praca z baterii). PRZYPADEK 3 z efektem ograniczenia prądu przez falownik podczas zwarcia pobliskiego (Zs<Zlim) rys. J. Katarzyński, M. Olesz
Jeżeli w warunkach zwarcia, wartościami stałymi są prąd ograniczony falownika Iinvlim oraz impedancja pętli zwarciowej Zs, to przy założeniu Zs<Zlim, zmieniać się może jedynie napięcie UUPS na zaciskach wyjściowych UPS, które osiągnie wartość wg wzoru (3):
gdzie:
UUPS – napięcie fazowe na wyjściu UPS,
Iinvlim – prąd ograniczony falownika (typowo od 150 do 300% · InUPS),
Zs – impedancja pętli zwarciowej przy założeniu Zs<Zlim; korzystając ze wzoru (2) Zs ≈ Zk2, ponieważ tyrystory toru EB są w stanie blokowania (ZEB→∞).
Na rysunku 5. przedstawiono przykładowe przebiegi napięcia i prądu w czasie zwarcia w obwodzie zasilanym z UPS podczas jego pracy autonomicznej bez zadziałania zabezpieczeń.
Dla zwarcia pobliskiego iloraz prądu w torze aktywnego BE przy obecnym napięciu sieci do prądu ograniczonego falownika w czasie pracy autonomicznej UPS może wynosić od kilku do nawet kilkudziesięciu razy [16, 17]. Jeśli dobór zabezpieczeń nie przewidywał stosunkowo niewielkich prądów spodziewanych podczas pracy autonomicznej UPS, to może okazać się, że dobrane zabezpieczenia podczas zwarcia w trybie pracy UPS z baterii nie zadziałają. Oznacza to, że po czasie przewidzianym przez producenta UPS-a, jeżeli przyczyna zwarcia nie ustanie, nastąpi automatyczne wyłączenie falownika i przerwa w zasilaniu na wyjściu UPS-a. Podtrzymywanie prądu ograniczonego falownika podczas zwarcia przez czas t = 100 ms (tak jak na rysunku 5.) [21] i brak zadziałania zabezpieczenia w tym określonym czasie nie stanowi problemu z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania, ponieważ falownik wyłączy się samoczynnie w czasie krótszym niż wymagany normą [6]. Taka sytuacja może jednak stanowić istotny problem z punktu widzenia niezawodności systemu bezprzerwowego zasilania. Brak zadziałania odpowiedniego zabezpieczenia w określonym czasie może być bezpośrednim zagrożeniem dla odbiorników zasilanych z tego samego zasilacza, ale z innych równoległych obwodów, w których żadne zaburzenie w postaci zwarcia nie wystąpiło.
Większość budowanych obecnie konstrukcji UPS podtrzymuje prąd zwarciowy w trybie pracy autonomicznej przez czas około 500 ms. Oznacza to, że w niektórych rozwiązaniach brak zadziałania zabezpieczenia spowoduje wyłączenie prądu zwarciowego w czasie dłuższym niż wymaga tego norma [6], a do oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej należy dołączyć sprawdzenie warunku, czy napięcie dotykowe Ud w instalacji odbiorczej UPS jest nie większe, niż określone normą [6] jako dopuszczalne. Ryzyko pojawienia się napięcia dotykowego wyższego niż dopuszczalne powinno skłaniać do takiego doboru zabezpieczeń, aby dla PRZYPADKU 3 zabezpieczenie skutecznie wyłączyło prąd zwarciowy w czasie nie dłuższym niż określony normą, tzn. 0,4 s dla instalacji niskiego napięcia do 230 V. Na rysunku 6. przedstawiono przykład zadziałania prawidłowo dobranego wyłącznika instalacyjnego typu S o charakterystyce B16 podczas zwarcia na wyjściu zasilacza UPS o mocy 30 kVA pracującego w trybie autonomicznym.
Rys. 5. Przebieg prądu i napięcia w czasie zwarcia L-PE na wyjściu zasilacza UPS
o mocy 30 kVA podczas jego pracy autonomicznej bez zadziałania zabezpieczeń
rys. J. Katarzyński, M. Olesz
Rys. 6. Przebieg prądu i napięcia w czasie zwarcia L-PE, wyłączonego przez wyłącznik
typu S o charakterystyce B16, podczas pracy autonomicznej zasilacza
UPS o mocy 30 kVA. Prąd zwarciowy zostaje wyłączony w czasie t < 9 ms. Znacznikiem
1 oznaczono moment zapłonu łuku w aparacie typu S. rys. J. Katarzyński, M. Olesz
Artykuł jest polską wersją artykułu pt. „Fault Loop Impedance Measurement in Circuits Fed by UPS and Principle of Safety Protection”, który ukazał się w czasopiśmie SUSTAINABILITY w dniu 5.12.2020 (link do wersji oryginalnej: https://www.mdpi.com/2071-1050/12/23/10126).
Literatura:
1. Global Uninterruptable Power System (UPS) Market Research Report 2020. 360 Research Reports. March 2020.
2. Cruz, C.M.T.; Bascopé, R.P.T.; Bezerra, L.D.S.; de Sousa, J.M.; Gomes, I.S.F.; Sampaio, F.C.; Borges, F.A.; Ramos, R.L. Comparison of VRLA-AGM batteries lifetime charging with different currents waveforms for use on low power UPS. 2015 IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference, 2015.
3. Rajani, G.N. Emerging trends in Uninterrupted Power Supplies: Patents view. 2016 Biennial International Conference on Power and Energy Systems: Towards Sustainable Energy (PESTSE).
4. Mitolo, M. Electrical Safety of Low-Voltage Systems. The McGraw–Hill Publisher, 2009.
5. Neamt, L.; Balan, H.; Chiver, O.; Hotea, A. Considerations about Fault Loop Impedance Measurement in TN Low-Voltage Network. 8th International Conference on Modern Power Systems (MPS), 2019.
6. IEC 60364-6:2016. Low-voltage electrical installations - Part 6: Verification.
7. Arab Tehrani, K.; Andriatsioharana, H.; Rasoanarivo, I.; Sargos, F. M. A Novel Multilevel Inverter Model. 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference. Ecole Polytechnique of Tananarive, University of Madagascar.
8. Arab Tehrani, K.; Rasoanarivo, I.; Andriatsioharana, H.; Sargos, F.M. A new multilevel inverter model NP without clamping diods. 2008 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics. Groupe Recherche en Electronique et Electrotechnique de Nancy.
9. Olesz, M.; Katarzyński, J. Transient States Associating Loop Impedance Measurement in the Output Line of UPS. Zeszyty Naukowe PG 2018, No. 61, 2018.
10. Aigner, M.; Schmautzer, E.; Sigl, C. Fault loop impedance determination in low-voltage distribution systems with non-linear sources. IEEE PES ISGT Europe, 2013.
11. Fiorina, J-N. Uninterruptible static power supplies and the protection of persons. Schneider Electric, Cahier technique, No. 129, 2004.
12. IEC 60364-4-41:2017. Low-voltage electrical installations – Part 4-41: Protection for safety – Protection against electric shock.
13. Hagen, R.; Hernandez, D. UPS short circuit withstand rating. GE Digital Energy – Power Quality, 2010.
14. Cosse, R.E.; Dunn, D.G.; Śpiewak, R.M. Is my UPS distribution system coordinated? IEEE PCIC Conference, 2006.
15. Liang, Z.; Xinchun, L.; Kang, Y.; Gao, B.; Lei, H. Short Circuit Current Characteristics Analysis and Improved Current Limiting Strategy for Three-phase Three-leg Inverter under Asymmetric Short Circuit Fault. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018.
16. Wang, H.; Pei, X.; Chen, Y.; Kang, Y.; Liu, Y-F. Short-circuit fault protection strategy of parallel three-phase inverters. 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 20-24 Sept. 2015, Montreal, QC, Canada.
17. Modelling uninterruptible power supply (UPS) in SIMARIS® design for use in data centers. Technical Series, Edition 3, Siemens AG, 2016.
18. Czapp, S. Selected problems of Earth Fault Loop Impedance Testing in Circuits Fed from UPS. Automatyka – Kontrola – Zakłócenia, Volume 28, No. 3 (29), 2017.
19. IEC 62040-3, 2011. Uninterruptible power systems (UPS) - Part 3: Method of specifying the performance and test requirements.
20. IEC 62040-1, 2019. Uninterruptible power systems (UPS) - Part 1: General and safety requirements for UPS.