Особенности функционирования : МАСТЕРАМ : Статьи : ElectroMaster

Режим работы электрических сетей бесперебойного электроснабжения характеризуется преобладающим характером нелинейной нагрузки.

Основную часть электроприемников СБЭ составляет информационно-вычислительная техника и средства телекоммуникаций с импульсными блоками питания, представляющие собой нелинейную нагрузку, в которой протекают несинусоидальные токи (см. рис. 2.7). При этом в нейтральном проводнике (нулевой рабочий проводник) даже симметрично загруженной трёхфазной сети протекает ток, приблизительно в 1,7 раза превышающий ток в линейном проводнике (рис. 3.35.). Ток имеет частоту 150 Гц и состоит преимущественно из 3-й гармоники промышленной частоты.

Рис. 3.35. Осциллограмма тока в нейтральном проводнике (масштаб 2 мс/деление)

По определению, квадрат действующего значения тока в фазном проводнике 1_ф выражается следующим образом:

где i — мгновенное значение тока.

Ток в нейтральном проводнике представляет собой сумму токов фазных проводников. Тогда квадрат тока в нейтральном проводнике I_Н за период промышленной частоты 20 мс, учитывая, что он представляет собой 3-ю гармонику, равен

Отсюда следует, что

Полученное соотношение определяет тот факт, что нейтральный проводник должен быть рассчитан на протекание именно такого тока. В случае применения ИБП, построенного по принципу двойного преобразования в режиме работы on-line, токи в нейтральном проводнике будут протекать только в сети бесперебойного электроснабжения на участке после ИБП, но в случае работы ИБП в режиме «байпас» такие токи протекают также и в линиях, питающих ИБП от сети общего назначения (рис. 3.36). Следовательно, в этих линиях тоже требуется увеличение сечения нейтрального проводника. Это приводит к необходимости на этапе проектирования выполнять проверку проводимости тех существующих проводок зданий, по которым могут протекать данные токи.

Рис. 3.36. Токи в нейтральном проводнике: а) инвертор работает, байпас разомкнут; б) инвертор остановлен, байпас замкнут

Например, подлежит обязательной проверке сечение нулевого рабочего проводника от трансформаторной подстанции (ТП) до вводно-распределительного устройства (ВРУ), от которого питается СБЭ. Как правило, замены существующих линий не требуется, так как мощность СБЭ меньше той мощности, на которую рассчитаны ТП и ВРУ, а нейтральный проводник при симметричной нагрузке обычными потребителями (освещение, электродвигатели и т. д.) практически не загружен.

Кроме особенностей протекания токов в нормальном режиме, существуют особенности отключения токов короткого замыкания в цепи ИБП. Дело в том, что токи короткого замыкания соизмеримы с рабочими токами. Управляемый инвертор ИБП в первый момент ограничивает ток КЗ, что затрудняет селективное срабатывание защиты. Необходимо пояснить понятие селективности. Под селективностью срабатывания устройств защиты электрической сети понимается отключение поврежденного участка сети без отключения неповрежденных участков. Селективность достигается выбором уставок срабатывания и времени отключения защитных устройств. В случае несогласованного выбора автоматов защиты короткое замыкание будет отключаться неселективно. На рис. 3.37 приводится иллюстрация к понятию селективности отключения короткого замыкания.

Рис. 3.37. Селективное (а) и неселективное (б) отключение короткого замыкания

Существуют пять вариантов отключения короткого замыкания в цепи ИБП:

1. Короткое замыкание отключается селективно защитным аппаратом поврежденного участка сети. Это наиболее благоприятный вариант.

2. Короткое замыкание отключается неселективно вводным защитно-коммутационным аппаратом электрического щита, от которого отходит поврежденная линия. При этом обесточиваются потребители, питающиеся от этого щита. ИБП остается в работе и питает потребителей от других оставшихся включенных щитов.

3. Короткое замыкание не успевает отключиться в цепи ИБП. Это вызывает перегрузку инвертора и срабатывание его защиты. Обесточиваются все потребители данного ИБП.

4. Короткое замыкание не успевает отключиться в цепи ИБП. Перегрузка инвертора вызывает переход на байпас. Ток короткого замыкания в цепи байпаса отключается селективно, так как он уже не ограничивается инвертором, и появляются предпосылки для селективного отключения. ИБП на короткое время теряет функцию бесперебойного электроснабжения, по сети возможно прохождение помех от короткого замыкания. Оставшиеся потребители остаются в работе.

5. Короткое замыкание не успевает отключиться в цепи ИБП. Перегрузка инвертора вызывает переход на байпас. Ток КЗ в цепи байпаса не удается отключить селективно. Все потребители обесточиваются.

Общие принципы расчета селективности не отличаются от расчетов в сетях общего назначения, но проектировщикам необходимо иметь в виду сделанные замечания.

Другой особенностью режимов работы сетей СБЭ является наличие технологических токов утечки. Импульсный блок питания имеет симметричный LC-фильтр для подавления помех, средняя точка которого соединена с корпусом устройства. По требованиям безопасности корпус устройства заземлен. Возникает цепь через емкость фильтра на землю, что и приводит к технологической (не от повреждения изоляции) утечке. Требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ) определена необходимость применения устройств защитного отключения (УЗО) в групповых розеточных сетях. Соблюдение этого требования без учета токов утечки в цепях с импульсными блоками питания может приводить к ложным срабатываниям УЗО и отключениям нагрузки.

В некоторых публикациях приводится значение тока утечки 2...3 мА на одно устройство. Удельная величина тока утечки по специально проведенным замерам составляет около 2 мА на 1 А тока нагрузки. Это значение удельной величины тока утечки характерно для рабочих станций, принтеров и других офисных средств информатизации. Согласно ГОСТ Р 50807-94 отключающее значение тока УЗО находится в диапазоне 0,5... 1 номинального значения, а суммарное значение тока с учетом присоединяемых электроприемников не должно превышать 1/3 номинального тока УЗО. На рис. 3.38 показаны баланс токов в линии питания компьютера и осциллограмма тока утечки в защитном проводнике. Разность между прямым током I_П и обратным током I₀ составляет ток утечки I_У. Импульсный характер потребляемого тока I_П не влияет на форму тока утечки, которая близка к синусоидальной. Это следует учитывать при выборе параметров устройства защитного отключения. В общем случае ток утечки складывается из утечки через изоляцию и утечки, обусловленной схемой входного LC-фильтра блока питания. В нормальном режиме основную долю составляет утечка через фильтр.

Рис. 3.38. Баланс токов в линии питания компьютера