UKŁADY I SYSTEMY ZAPEWNIENIA

CIĄGŁOŚCI ZASILANIA

OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH I

UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ

Gdańsk 2011

Plan wykładu

1. Ograniczona niezawodności zasilania

2. Urządzenia zasilania rezerwowego

3. Automatyczne urządzenia przełączania niskiego

napięcia

4. Systemy SZR - ATSE

Projektowanie elektroenergetycznego układu zasilania, zwłaszcza odbiorców przemysłowych, jest kompromisem pomiędzy: niezawodnością zasilania i jakością dostarczanej energii

a nakładami na inwestycje i kosztami eksploatacji.

Zakłócenia w pracy urządzeń spowodowane przerwami w zasilaniu bądź niedostateczną jakością energii są zawsze niepożądane i mogą mieć różne, czasem bardzo poważne konsekwencje:

• przerwanie procesu technologicznego, straty surowca;

• uszkodzenia urządzeń, koszty ponownego uruchomienia;

• zagrożenie życia i zdrowia!

Ograniczona niezawodności zasilania odbiorców

Główne przyczyny przerw w zasilaniu w sieciach niskiego napięcia:

• Zapady napięcia i krótkie przerwy w rozdzielczych SN o czasie nie

przekraczającym 3 sekundy - wyładowania atmosferyczne i

występujące po nich zadziałanie układów samoczynnego

powtórnego załączenia (SPZ) w czasie od 0,3 do 3 sekund.

• Trwałe zwarcia i uszkodzenia w urządzeniach sieci SN i nn o czasie

trwania od pojedynczych minut do godzin, a nawet dni.

Czas trwania przerw w zasilaniu niskiego napięcia (EMC EN 61000)

Podstawowe funkcje automatycznych urządzeń przełączających

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002r. w sprawie warunków technicznych

jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr75/2002 poz.690 z późn.zm.) :

„budynek, w którym zanik napięcia w elektrycznej sieci zasilającej może

spowodować

zagrożenie życia lub zdrowia ludzi,

poważne zagrożenie środowiska,

a także znaczne straty materialne,

należy zasilać z co najmniej z dwóch niezależnych, samoczynnie załączających

się źródeł energii elektrycznej.”

Wymagane jest aby w budynkach o wysokości powyżej 55m jednym ze źródeł był

zespół prądotwórczy.

Określone w normie PN-EN 60947-6-1 automatyczne urządzenia przełączające

(ATSE, ang. Automatic Transfer Switching Equipment)

mogą pełnić następujące funkcje automatyki elektroenergetycznej:

SZR - samoczynne załączanie rezerwy zasilania, powolne lub szybkie,

również z kontrolą napięcia resztkowego,

SPP – samoczynne powrotne przełączenie, synchroniczne - bezprzerwowe lub

powolne z przerwą napięciową,

PPZ/B – planowane przełączenie zasilania bez przerwy napięciowej

(synchroniczne), również z kontrolą napięcia resztkowego,

PPZ/P - planowane przełączenie zasilania z przerwą napięciową, z kontrolą

napięcia różnicowego i krótkotrwałą pracą równoległą źródeł,

AZZ – automatyczne załączanie zasilania.

Kategorie niezawodności zasilania odbiorców

Kategoria (umowna)

Dopuszczalne

przerwy w

zasilaniu

Źródło zasilania (przykłady rozwiązania)

Odbiorcy (przykłady)

I – podstaw.

dziesiątki minut pojedyncza linia

promieniowa z sieci

elektroenergetycznej

domy jednorodzinne na terenach

wiejskich i w rzadkiej zabudowie

miejskiej, nieduże

budynki mieszkalne

II – średnia dziesiątki sekund

pojedyncza linia +

agregat prądotwórczy

wysokie budynki mieszkalne

III – wysoka sekundy

dwie niezależne linie +

ew. agregat

prądotwórczy

duże hotele, szpitale, stacje

radiowe i TV, dworce kolejowe i

porty lotnicze, procesy

technologiczne (papierniczy,

cukrowniczy, hutnictwo,

chemiczny, nuklearny)

IV –

najwyższa

zasilanie

bezprzerwowe

zasilacze bezprzerwowe

do długotrwałego

obciążenia + agregat

prądotwórczy

sale operacyjne szpitali, systemy

sterowania ruchem lotniczym i

kolejowym, stacje bazowe

telefonii, systemy komputerowe

banków i giełd

Urządzenia zasilania rezerwowego

1. Niezależna (druga) linia elektroenergetyczna WN, SN lub ew. nn

2. Agregaty prądotwórcze

3. Baterie akumulatorów

4. Układy zasilania bezprzerwowego (UPS)

5. Koła zamachowe

6. Super-kondensatory

7. Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii

8. Kompresyjne zasobniki energii

Niezależna linia energetyczna

M M

Aut./Ręcz.

Linia zasilania

podstawowego Linia zasilania

rezerwowego

SN SN

nn nn

Agregaty prądotwórcze

Uruchomienie i przełączenie

automatyczne w czasie

0,5 –2 s

Oznaczenia:

1. silnik spalinowy z

rozrusznikiem

2. sprzęgło

3. generator

4. rozdzielnica z

automatyką ATSE

5. koło zamachowe

6. silnik elektryczny do

napędu generatora i

koła zamachowego

Uruchomienie i

przełączenie ręczne

Uruchomienie i przełączenie

automatyczne w czasie

od 10 s do ok. 180 s

Bezprzerwowe przejęcie

obciążenia

Bateria akumulatorów

jako autonomiczne źródło zasilania rezerwowego

Przełączenie automatyczne Bezprzerwowe przejęcie obciążenia

Podstawowe rodzaje baterii akumulatorów

Rodzaj akumulatora Szczelny

ołowiowo-

kwasowy

NiCd NiMH Li ion

Koszt niski średni wysoki bardzo

wysoki

Stopień kondensacji energii 30 Wh/kg 50 Wh/kg 75 Wh/kg 100 Wh/kg

Napięcie celki 2,27 V 1,25 V 1,25 V 3,6 V

Minimalny czas ładowania 8 -16 h 1,5 h 2–3 h 3 - 6 h

Liczba cykli

ładowania/rozładowania

200 - 2000 1500 500

300-500

Maksymalny czas przestoju

bez obciążenia

180 dni 30 dni 90 dni Bez

ograniczeń

Zagrożenie dla środowiska wysokie wysokie niskie wysokie

Układy zasilania bezprzerwowego

UPS (ang. Uninterruptible Power Supply)

Moc:

200VA - 50kVA w wykonaniu jednofazowym

10kVA - 4000kVA w wykonaniu trójfazowym

VFD - o biernej gotowości

(ang. output Voltage and Frequency Dependent from mains supply)

VI - liniowo interaktywne (ang. output Voltage Independent from mains supply)

VFI - o podwójnej konwersji (ang. output Voltage and Frequency independent from mains supply)

Układ VFD o biernej gotowości

1 – tryb pracy w normalnych warunkach

zasilania

2 – ładowanie baterii akumulatorów w

normalnych warunkach zasilania

3 – tryb zasilania rezerwowego

Cechy:

niezerowy czas przełączania,

brak separacji

typowy czas zasilania rezerwowego – 3 h

czas ładowania – 6 h

Układ VI liniowo interaktywny z

pojedynczym przetwarzaniem energii

1 – pętla sterowania modulacją fazy i amplitudy

2 – pętla sterowania ładowaniem akumulatorów

Cechy:

separacja odbiorów od sieci zasilającej,

ograniczona separacja od zakłóceń

Klasyfikacja wg

EN 50091-3

VFD

Układy o biernej

gotowości

VI

Układy liniowo

interaktywne

VFI

Układy o podwójnej

konwersji

Czas

przełączenia

krótki zero zero

Koszt niski średni wysoki

Regulacja

napięcia

brak ograniczona pełna

Regulacja

częstotliwości

brak brak pełna

Ograniczanie

zakłóceń

1, 2, 3 1, 2, 3, 4, 5 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Oznaczenia zakłóceń:

1 – przerwy w zasilaniu >10ms; 2 – szybkie zmiany napięcia <16ms;

3 – krótkotrwale przepięcia 4-16ms; 4 - zapady napięcia;

5 – przepięcia długotrwałe; 6 – przepięcia atmosferyczne;

7 – impulsy przepięciowe <4ms; 8 – wahania częstotliwości;

9 – odkształcenia krzywej napięcia.

Cechy układów UPS

Włókna węglowe Flywheel

Upper Radial Electro Magnet

Lower Radial Electro Magnet

Synchronous Reluctance

4 pole M-G Rotor

Obudowa

M-G Stator

System Próżni

Układ chłodzenia cieczą

Axial Electro Magnet

Koła zamachowe do magazynowania energii

Wysokoobrotowe: 10 000 -100 000 obr/min, do 250kW, do 8MWs,

Schemat strukturalny zestawu Flywheel

Tem

pera

ture

Sen

so

rs

Po

sit

ion

Sen

so

rs

Do wejścia bateryjnego

UPS

Przetwornica IGBT

Zdalne sterowanie

Magnetic Levitation Module

Sen

so

rs

Panel sterujący

Sp

eed

Flywheel Module

Soft Start

DC Monitoring Drivery IGBT

Sterownik konwersji mocy

Flywheel – przykład konfiguracji UPS

Flywheel

SZR

Sieć zawodowa

Agregat prądotwórczy

UPS

Zastosowania podstawowe

Odbiory

krytyczne

Produkcja półprzewodników

Produkcja form plastikowych

Produkcja żywności

Farmacja, Poligrafia

Produkcja związana z dużym

kosztem zależnym od ciągłości

zasilania

Działy przemysłu, komunikacji,

bankowości, gdzie zanik napięcia

powoduje długi proces ponownego

rozruchu

DC

AC

Zasilanie odbiorów o najwyższej kategorii

DC

AC SZR UPS

D

C

AC

Zaawansowane Data

Centers

ISPs / Web Hosting

Network Ops Centers

TV na żywo

Koszty inwestycji i eksploatacji Flywheel

w stosunku do baterii

UPS 160 kVA FLYWHEEL BATERIA

Koszty

inwestycyjne

4 do 5 x 1 x

Zużycie energii (kW)

< 0,2x 1x

Koszty

eksploatacji

< 0,5x 1x

Koszty

klimatyzacji

0,5x

do 40 °C

1x

20 do 25 °C

Koszty

powierzchni

(m2)

0,5x 1x

Koszty

wymiany w

przeliczeniu na

1 rok

4 (na rok) 20 (na rok)

Cost

Przy pierwszej wymianie baterii koszty inwestycyjne i

eksploatacyjne wyrównują się.

Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE)

ATSE szybkie ATSE powolne

Czas zadziałania <0,25s

Czas przerwy w zasilaniu <60ms

Czas zadziałania >0,4s

Podstawowy podział

SZR → ATSE - ang. Automatic Transfer Switching Equipment

PN-EN 60947-6-1

Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE)

ATSE z rezerwą jawną ATSE z rezerwą ukrytą

Tor zasilania rezerwowego w układzie pracy

normalnej nie przenosi żadnego obciążenia,

natomiast podczas zaniku zasilania w torze

zasilania podstawowego może przejąć

całkowite obciążenie

Źródła zasilania nie są w pełni obciążone i

mogą czasowo przejąć całkowite obciążenie

Q1 Q2

1 0

0 1

Q1 Q3 Q2

1 0 1

1 1 0

0 1 1

Q1 Q3 Q2

1 1 0

0 0 1

Przykłady układów ATSE - dwa źródła zasilania

Przykłady układów ATSE - trzy źródła zasilania

Aparaty wykonawcze

Cecha Styczniki

Wyłączniki Rozłączniki

Prąd obciążenia 20A – 450A 40A – 6300A 40A – 6300A

Zdolność wyłączania

prądu zwarciowego

brak

(klasa PC)

pełna

(klasa CB)

brak

(klasa PC)

Wymagana moc układu

sterowania*:

•chwilowa w czasie

przełączania

•ciągła w czasie gotowości

•chwilowa po zapadzie w

zasilaniu obwodów

sterowania

~1000VA

~100VA

~1500VA

~600VA

~0VA

~0VA

~600VA

~0VA

~0VA

Reakcja na zapad

napięcia sterowania

(>10ms)

przerwa w

zasilaniu

brak brak

* - dla przykładowego układu o trzech aparatach wykonawczych

Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE)

Blokady przed jednoczesnym załączeniem źródeł (zasilaczy) na te same szyny (PN-EN 60947-6-1)

1. mechaniczne

2. elektryczne

3. elektryczno-programowe

Odbiory kategorii II/III

T

G

Odbiory kategorii I

UPS

Odbiory kategorii IV

Blokady w układach ATSE Blokada elektryczna bierna

Q1

Zasilacz 1

(trafo)

Zasilacz 2

trafo, generator

L2

L1

L3

Q2

N

1L1

Napię

cie

ste

row

ania

St.ręczne

S2

S5

S1

K1 K2

E1

E2

E1

E2

St.autom.

Elektromagnesy załączające

Blokady w układach ATSE Blokada elektryczna czynna

Q2 Q1

Zasilacz 1

(trafo)

Zasilacz 2

(trafo, generator)

L2

L1

L3

N

1L1

Napię

cie

ste

row

ania

Wyzwalacze napięciowe

S3 S5

St.ręczne

S4

K3 K4

1A1

1A2

1A1

1A2

St.autom.

Przeciwpożarowe wyłączniki prądu

Q1

GWP

D1

D2

Wyzwalacz zanikowy

(podnapięciowy)

bezzwłoczny

U<

Q1

GWP

D1

D2

Wyzwalacz zanikowy

(podnapięciowy)

zwłoczny

U<

Q1

GWP

Wyzwalacz zanikowy

zwłoczno-

bezwłoczny

U<

Q1

GWP

1A1

1A2

Wyzwalacz

Wzrostowy

(napięciowy)

Zgodnie z Rozporządzeniem w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000m3 lub

zawierających strefy zagrożone wybuchem należy stosować

przeciwpożarowy wyłącznik prądu (GWP - główny wyłącznik prądu),

odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalację

i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru.

Zasilanie automatyki ATSE

Warianty zasilania obwodów sterowania wyłącznikami z zasilacza UPS:

A. Gwarantuje wyłączenie jednej linii (źródła) po wykryciu nieprawidłowego napięcia,

niezależnie od stanu pozostałych linii zasilających.

Moc zasilacza UPS i jego prąd maksymalny musi być dobrany z uwzględnieniem

mocy i prądu rozruchowego napędów wszystkich wyłączników w torach

zasilających.

Przeciętna moc pobierana przez napędy wyłączników wynosi kilkaset VA.

B. Załączanie i wyłączanie wyłączników oraz uruchamianie ich napędów tylko w

czasie obecności napięcia przynajmniej jednej linii zasilającej.

Moc zasilacza UPS musi pokryć tylko zapotrzebowanie jednostki logicznej

urządzenia ATS, np. sterownika programowalnego, sygnalizacji optycznej oraz

wyzwalaczy pełniących rolę wyłącznika przeciwpożarowego.

Przeciętna moc pobierana przez wyzwalacze zanikowe i wzrostowe

wyłączników wynosi od kilku VA do kilkudziesięciu VA.

24V DC 230V AC Pomocniczy SZR

UPS

Systemy ATSE

Duża liczba i różnorodność funkcji realizowanych przez

ATSE

Systemy budowane „pod zamówienie”

Systemy SZR - ATSE

Realizowane funkcje:

1. Automatyka wielokrotnych ATSE

2. Automatyka odciążeń energetycznych – analizatory parametrów

sieci

3. Wyłączenia pożarowe – GWP

4. Automatyka ATSE zasilania pożarowego – wentylatory, klapy

dymowe, windy pożarowe itp.

5. Sygnalizacja miejscowa położenia łączników i trybu pracy ATSE

6. Wizualizacja stanów zasilania i zakłóceń sterowania

7. Archiwizacja zdarzeń - alarmów

8. Komunikacja z BMS

Przykład systemu ATSE

Centrum Handlowe BLUE CITY w Warszawie

otwarte w kwietniu 2004r.

System sterowania i monitorowania wielokrotnego układu ATSE,

wyłączeń pożarowych i odciążeń

System ATSE zasilania obiektu o powierzchni 220 000 m2 (7 poziomów) z dwóch linii

15kV :

• obejmuje zasilanie z 10 transformatorów (10x2000kVA=20MVA) i

zespołów prądotwórczych (3x900kVA=2,7MVA);

• steruje 53 wyłącznikami głównymi oraz ponad 300 wyłącznikami odbiorów;

• zapewnia załączanie zasilania rezerwowego wg 70-ciu wariantów;

• umożliwia wyłączenia pożarowe wg 9-ciu wariantów pożar. wyłączników prądu:

• steruje odciążaniem przy przeciążeniu transformatorów oraz przy przekroczeniu mocy

zamówionej;

• realizuje wizualizację położeń wyłączników oraz stanu zasilania rozdzielnic głównych i

strefowych;

• wyświetla bieżące oraz historyczne komunikaty alarmowe o zakłóceniach;

• przesyła do BMS po 32 parametry z 18 analizatorów parametrów sieci.

Galeria Bałtycka w Gdańsku

otwarcie w końcu 2007r.

Układ zasilania obiektu o powierzchni 105 000 m2 z jednej linii 15kV:

• obejmuje zasilanie z transformatora (2000kVA) dla „chłodu” i

• 3 transformatorów (3x1000kVA) pracujących równolegle oraz

• agregatu prądotwórczego (2400kVA), który jest uruchamiany automatycznie tylko w przypadku pożaru;

• automatyka ATSE obejmuje zasilanie pomp tryskaczowych, wentylacji, wind oraz baterii oświetlenia awaryjnego;

• automatyka ATSE steruje 2 wyłącznikami – pozostałe przełączenia są realizowane przez obsługę.

Unifikacja modułów automatyki ATSE

Uniwersalne układy automatyki ATSE (SZR) wielu wytwórców oraz

specjalizowane sterowniki - dedykowane dla jednego toru zasilania z sieci i

jednego agregatu prądotwórczego i do obsługi od 3 do 5 wyłączników w

rozdzielnicy dwu-sekcyjnej.

Realizują funkcje SZR, PPZ/B, PPZ/P, SPP i AZZ według jednego algorytmu

wybranego z wielu oferowanych.

Np.: RZR-Mikro produkcji ZAE Wrocław, ATL20 i ATL30 produkcji Lovato Electric,

YAZ53P produkcji Elektrobudowa Katowice, Automat SZR 4.1 produkcji

Instytutu Tele- i Radio-technicznego oraz Need produkcji Relpol.

Nieliczne, np. Automat przełączania zasilań ATZ produkcji Energotest-

Energopomiar przystosowane do wykonywania najbardziej wyrafinowanych

przełączeń zasilania w układach wielo-wyłącznikowych.

Blokady „elektryczno-programowe”

Q1

I1.3 I1.4

Q2 Q2 Q1

I2.1 I2.2

Jednostka logiczna B Jednostka logiczna A

Q1.1 Q1.2 Q2.1 Q2.2

Q1 Q2

1A1 1A1

1A2 1A2

Na

pię

cie

ste

row

an

ia

Elektromagnesy załączające

1L1

N

U1

I1.1 I1.2

U2

redundancja redundancja

dywersyfikacja dywersyfikacja

W ramach dostawy modułu automatyki MAX o cenie katalogowej w granicach

5000-8000 zł wykonawca rozdzielnicy otrzymuje:

• zintegrowany oprogramowany moduł automatyki o masie nie przekraczającej

10kg i wymiarach 375x480mm,

• zasilacz bezprzerwowy UPS,

• panel operatorski

• elementy sygnalizacyjno-sterownicze do montażu na elewacji rozdzielnicy,

• dokumentację techniczno-ruchową i deklaracje zgodności z odpowiednimi

normami.

Zamówienie przygotowanego do montażu w wyznaczonym polu rozdzielnicy

modułu automatyki pozwala na zmniejszenie nakładu prac elektromontażowych.

Późniejsze opracowania zunifikowanych modułów automatyki ATSE:

Rok 2006 - Siemens

Rok 2008 - Schneider Electric Polska