Авторы: Воробьев А.В.
Источник: http://www.electric-house.ru/kachestvo.htm
Источник: http://www.electric-house.ru/kachestvo.htm
Качество и надежность электроснабжения
Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем, сокращенно инфокоммуникаций, имеет во многом те же особенности, что и электроснабжение технических средств вообще.
Электроснабжение характеризуется надежностью и качеством. К понятию качества в первую очередь относится качество электроэнергии, на которое влияют различные нарушения и искажения формы питающего напряжения. Эти нарушения могут поступать из энергосистемы: например, грозовые импульсы, коммутационные перенапряжения вследствие коммутации участков электрической сети, провалы и отклонения напряжения во время автоматического включения резерва (АВР) и переключения потребителей на другие источники питания.
Искажения в электрическую систему нередко вносят и сами электроприемники с резкопеременным и нелинейным характером нагрузки: всевозможные преобразователи, промышленные потребители, электрический транспорт и т. д. Подобные свойства электроприемников относятся к электромагнитной совместимости — способности технических средств функционировать с требуемым качеством в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.
Требования по надежности электроснабжения потребителей изложены прежде всего в таком основополагающем нормативном документе, как «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ). В качестве главного показателя надежности электроснабжения вводится категория надежности. В правилах различают три категории (с третьей по первую) в зависимости от требований к надежности и времени устранения неисправностей, при этом в первой категории выделяют особую группу. В Таблице 1 приведены сведения о количестве независимых, взаиморезервирующих источников электроснабжения и соответствующих категориях надежности. Следует иметь в виду, что энергосистема предоставляет потребителю не более двух источников электроснабжения, т. е. подключе ние обеспечивается не более чем к двум электрическим подстанциям. Прочие источники, ДЭС или ИБП, не являются объектами энергосистемы.
Качество электроэнергии влияет на работоспособность и эффективность функционирования питаемого оборудования. Применительно к инфокоммуникационным системам его следует рассматривать как воздействие кондуктивных помех (электромагнитных помех, распространяющихся по элементам электрической сети) на оборудование. Если уровень помех (показатели качества электроэнергии) не превышает устанавливаемых стандартом норм, то оборудование функционирует исправно, и нарушений (сбоев, снижения эффективности) инфокоммуникационных систем не происходит.
Качество электроэнергии (качество напряжения) нормируется в ГОСТе 13109–97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». В стандарте определяются показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках присоединения электрических сетей, находящихся в собственности различных потребителей электроэнергиии.
Различные показатели качества электроэнергии влияют на работоспособность инфокоммуникационных систем по–разному. Стандартом установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения показателей. Ниже мы рассмотрим основные из них.
Отклонение напряжения. Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Для него определены нормально допустимые и предельно допустимые значения отклонения на выводах приемников электроэнергии, соответственно, в +5 и +10% от номинального напряжения электрической сети.
Колебания напряжения. Для систем значимым показателем колебания напряжения является диапазон изменения напряжения. Предельно допустимый диапазон изменения напряжения имеет достаточно сложную функциональную зависимость от частоты повторения и формы огибающей. Данные зависимости приводятся в ГОСТе 13109–97.
Сумма установившегося отклонения напряжения и диапазона изменений напряжения в точках присоединения к электрическим сетям в 380/220 В не должна превышать +10% от номинального напряжения.
Провал напряжения. Провал напряжения характеризуется длительностью провала напряжения, величина которого в электрических сетях с напряжением до 20 кВ не должна превышать 30 с. Провал напряжения, так же как и его полное отключение, представляет наибольшую опасность для электроснабжения.
Несинусоидальность напряжения. Несинусоидальность напряжения включает следующие показатели:
– коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
– коэффициент n–й гармонической составляющей напряжения.
Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения должны быть не более 8% в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением 380/220 В. Этот показатель не оказывает непосредственного влияния на качество электроснабжения. Вместе с тем, несинусоидальное напряжение способно оказать вредное воздействие на обеспечивающее оборудование, например на двигатели компрессоров и вентиляторов систем кондиционирования технологических помещений. Следует также заметить, что данный вид искажений характерен для сетей электроснабжения промышленных предприятий, но не для жилых и офисных зданий.
Несимметрия напряжений. Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:
– коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.
Отклонение частоты. Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены нормально допустимое и предельно допустимое значения: +0,2 и +0,4 Гц, соответственно. Частота — общесистемный параметр, т. е. она одинакова во всех точках объединенной энергосистемы. При возникновении существенных отклонений частоты в действие вводится противоаварийная автоматика энергосистемы.
Импульс напряжения. Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения. Значения импульсных напряжений для грозовых импульсов, возникающих в электрических воздушных и кабельных сетях 380/220 В энергоснабжающей организации, не превышают 10 и 6 кВ, соответственно. Для коммутационных импульсов в сетях 380 В значение импульса — не более 4,5 кВ. Появление грозового импульса в кабельной сети возможно, если он проникает в нее из воздушной. Например, если питание на трансформаторную подстанцию 10/0,38 кВ подается посредством воздушной линии, что характерно для сельских сетей, то появление грозового импульса в сети низшего напряжения 380/220 В не столь уж невероятно. Обеспечение качества электроснабжения и его надежность достигаются различными схемными решениями и применением специального оборудования. Широкое распространение получило наиболее универсальное средство обеспечения качества и надежности электроснабжения — источники бесперебойного питания (ИБП — Uninterruptible Power Supplу, UPS).
В последние годы на повестку дня выдвинулись отказоустойчивые системы. Под отказоустойчивостью системы бесперебойного электроснабжения на базе ИБП понимают сохранение способности осуществлять бесперебойное снабжение потребителей током в случаях проведения плановых (регламентных, сервисных) и ремонтных (восстановительных) работ.
Функции отказоустойчивости напрямую зависят от эксплуатационной готовности системы. Длительная эксплуатационная готовность оценивается как вероятность того, что система при определенных условиях будет в полном объеме выполнять свои задачи.
На практике решающим фактором является длительность перерыва в подаче электроэнергии к потребителям. В этой связи при электроснабжении инфокоммуникационных систем эксплуатационная готовность системы электроснабжения должна быть не ниже эксплуатационной готовности технических средств инфокоммуникаций. По отношению к инфокоммуникационным системам эксплуатационную готовность электроснабжения будем характеризовать коэффициентом доступности электроснабжения.
Доступность системы зависит от ее надежности. А что является количественной характеристикой надежности? Наиболее часто прибегают к таким показателям, как среднее время между сбоями или среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failure, MTBF). Однако к ним надо подходить с осторожностью. Дело в том, что производитель той или иной техники указывает величину MTBF равной, скажем, 30 тыс. ч, т. е. примерно 10 лет. При этом само устройство производится в течение всего трех лет. Да и срок его реальной эксплуатации ввиду морального устаревания вряд ли превысит, допустим, пять лет. Как же было определено приводимое значение MTBF? Речь идет о хорошо известном в статистике «усреднении по ансамблю»: если для 1000 работающих устройств за год произошло в общей сложности 100 сбоев, то на этом основании среднее время между сбоями вычисляется как 1000 х 1 год/100 = 10 лет. Очевидно, что определяемая таким образом величина MTBF является статистическим параметром и справедлива для большого количества работающих устройств, а отнюдь не для отдельного устройства. Иными словами, устройство, значение MTBF которого составляет 10 лет, может запросто выйти из строя на следующий день после ввода в эксплуатацию. Просто кому–то не повезет.
Подытоживая сказанное в статье, отметим: во–первых, электроснабжение инфокоммуникаций зависит от качества электроэнергии и надежности электроснабжения; во-вторых, согласно сложившейся технической практике, основным средством обеспечения надежности и качества электроснабжения являются источники бесперебойного питания; в–третьих, наилучшие показатели надежности электроснабжения можно получить, используя резервируемые системы с архитектурой «энергетический массив».
Электроснабжение характеризуется надежностью и качеством. К понятию качества в первую очередь относится качество электроэнергии, на которое влияют различные нарушения и искажения формы питающего напряжения. Эти нарушения могут поступать из энергосистемы: например, грозовые импульсы, коммутационные перенапряжения вследствие коммутации участков электрической сети, провалы и отклонения напряжения во время автоматического включения резерва (АВР) и переключения потребителей на другие источники питания.
Искажения в электрическую систему нередко вносят и сами электроприемники с резкопеременным и нелинейным характером нагрузки: всевозможные преобразователи, промышленные потребители, электрический транспорт и т. д. Подобные свойства электроприемников относятся к электромагнитной совместимости — способности технических средств функционировать с требуемым качеством в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.
Требования по надежности электроснабжения потребителей изложены прежде всего в таком основополагающем нормативном документе, как «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ). В качестве главного показателя надежности электроснабжения вводится категория надежности. В правилах различают три категории (с третьей по первую) в зависимости от требований к надежности и времени устранения неисправностей, при этом в первой категории выделяют особую группу. В Таблице 1 приведены сведения о количестве независимых, взаиморезервирующих источников электроснабжения и соответствующих категориях надежности. Следует иметь в виду, что энергосистема предоставляет потребителю не более двух источников электроснабжения, т. е. подключе ние обеспечивается не более чем к двум электрическим подстанциям. Прочие источники, ДЭС или ИБП, не являются объектами энергосистемы.
Качество электроэнергии влияет на работоспособность и эффективность функционирования питаемого оборудования. Применительно к инфокоммуникационным системам его следует рассматривать как воздействие кондуктивных помех (электромагнитных помех, распространяющихся по элементам электрической сети) на оборудование. Если уровень помех (показатели качества электроэнергии) не превышает устанавливаемых стандартом норм, то оборудование функционирует исправно, и нарушений (сбоев, снижения эффективности) инфокоммуникационных систем не происходит.
Качество электроэнергии (качество напряжения) нормируется в ГОСТе 13109–97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». В стандарте определяются показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках присоединения электрических сетей, находящихся в собственности различных потребителей электроэнергиии.
Различные показатели качества электроэнергии влияют на работоспособность инфокоммуникационных систем по–разному. Стандартом установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения показателей. Ниже мы рассмотрим основные из них.
Отклонение напряжения. Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Для него определены нормально допустимые и предельно допустимые значения отклонения на выводах приемников электроэнергии, соответственно, в +5 и +10% от номинального напряжения электрической сети.
Колебания напряжения. Для систем значимым показателем колебания напряжения является диапазон изменения напряжения. Предельно допустимый диапазон изменения напряжения имеет достаточно сложную функциональную зависимость от частоты повторения и формы огибающей. Данные зависимости приводятся в ГОСТе 13109–97.
Сумма установившегося отклонения напряжения и диапазона изменений напряжения в точках присоединения к электрическим сетям в 380/220 В не должна превышать +10% от номинального напряжения.
Провал напряжения. Провал напряжения характеризуется длительностью провала напряжения, величина которого в электрических сетях с напряжением до 20 кВ не должна превышать 30 с. Провал напряжения, так же как и его полное отключение, представляет наибольшую опасность для электроснабжения.
Несинусоидальность напряжения. Несинусоидальность напряжения включает следующие показатели:
– коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
– коэффициент n–й гармонической составляющей напряжения.
Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения должны быть не более 8% в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением 380/220 В. Этот показатель не оказывает непосредственного влияния на качество электроснабжения. Вместе с тем, несинусоидальное напряжение способно оказать вредное воздействие на обеспечивающее оборудование, например на двигатели компрессоров и вентиляторов систем кондиционирования технологических помещений. Следует также заметить, что данный вид искажений характерен для сетей электроснабжения промышленных предприятий, но не для жилых и офисных зданий.
Несимметрия напряжений. Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:
– коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.
Отклонение частоты. Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены нормально допустимое и предельно допустимое значения: +0,2 и +0,4 Гц, соответственно. Частота — общесистемный параметр, т. е. она одинакова во всех точках объединенной энергосистемы. При возникновении существенных отклонений частоты в действие вводится противоаварийная автоматика энергосистемы.
Импульс напряжения. Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения. Значения импульсных напряжений для грозовых импульсов, возникающих в электрических воздушных и кабельных сетях 380/220 В энергоснабжающей организации, не превышают 10 и 6 кВ, соответственно. Для коммутационных импульсов в сетях 380 В значение импульса — не более 4,5 кВ. Появление грозового импульса в кабельной сети возможно, если он проникает в нее из воздушной. Например, если питание на трансформаторную подстанцию 10/0,38 кВ подается посредством воздушной линии, что характерно для сельских сетей, то появление грозового импульса в сети низшего напряжения 380/220 В не столь уж невероятно. Обеспечение качества электроснабжения и его надежность достигаются различными схемными решениями и применением специального оборудования. Широкое распространение получило наиболее универсальное средство обеспечения качества и надежности электроснабжения — источники бесперебойного питания (ИБП — Uninterruptible Power Supplу, UPS).
В последние годы на повестку дня выдвинулись отказоустойчивые системы. Под отказоустойчивостью системы бесперебойного электроснабжения на базе ИБП понимают сохранение способности осуществлять бесперебойное снабжение потребителей током в случаях проведения плановых (регламентных, сервисных) и ремонтных (восстановительных) работ.
Функции отказоустойчивости напрямую зависят от эксплуатационной готовности системы. Длительная эксплуатационная готовность оценивается как вероятность того, что система при определенных условиях будет в полном объеме выполнять свои задачи.
На практике решающим фактором является длительность перерыва в подаче электроэнергии к потребителям. В этой связи при электроснабжении инфокоммуникационных систем эксплуатационная готовность системы электроснабжения должна быть не ниже эксплуатационной готовности технических средств инфокоммуникаций. По отношению к инфокоммуникационным системам эксплуатационную готовность электроснабжения будем характеризовать коэффициентом доступности электроснабжения.
Доступность системы зависит от ее надежности. А что является количественной характеристикой надежности? Наиболее часто прибегают к таким показателям, как среднее время между сбоями или среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failure, MTBF). Однако к ним надо подходить с осторожностью. Дело в том, что производитель той или иной техники указывает величину MTBF равной, скажем, 30 тыс. ч, т. е. примерно 10 лет. При этом само устройство производится в течение всего трех лет. Да и срок его реальной эксплуатации ввиду морального устаревания вряд ли превысит, допустим, пять лет. Как же было определено приводимое значение MTBF? Речь идет о хорошо известном в статистике «усреднении по ансамблю»: если для 1000 работающих устройств за год произошло в общей сложности 100 сбоев, то на этом основании среднее время между сбоями вычисляется как 1000 х 1 год/100 = 10 лет. Очевидно, что определяемая таким образом величина MTBF является статистическим параметром и справедлива для большого количества работающих устройств, а отнюдь не для отдельного устройства. Иными словами, устройство, значение MTBF которого составляет 10 лет, может запросто выйти из строя на следующий день после ввода в эксплуатацию. Просто кому–то не повезет.
Подытоживая сказанное в статье, отметим: во–первых, электроснабжение инфокоммуникаций зависит от качества электроэнергии и надежности электроснабжения; во-вторых, согласно сложившейся технической практике, основным средством обеспечения надежности и качества электроснабжения являются источники бесперебойного питания; в–третьих, наилучшие показатели надежности электроснабжения можно получить, используя резервируемые системы с архитектурой «энергетический массив».