Потребление электрической энергии. Требования к качеству энергии и надёжности электроснабжения. Качество и надежность электроснабжения

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.

Стандарты надежности и качества энергопитания

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 электрооборудования. 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.

Когда указанные отраслевые стандарты и иные нормативные документы отсутствуют, нормы настоящего стандарта обязательны для электрических сетей потребителей электроэнергии.

При соблюдении этих норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электроэнергии (приемников электроэнергии), не возникает нарушений и помех в работе оборудования вследствие неудовлетворительного качества электроснабжения

Влияние нарушений на работоспособность

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 (см. Рисунок 1) 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. Этот показатель достаточно существенен, так как от его значений зависит работоспособность блоков питания.

Колебания напряжения

Для инфокоммуникационных систем значимым показателем колебания напряжения (см. также Рисунок 1) 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.

Рисунок 1 . Отклонение, колебание, перенапряжение и провал напряжения.

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.

Рисунок 2. Несинусоидальное напряжение.

Провал напряжения. Провал напряжения (см. Рисунок 1) 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 инфокоммуникационных систем.

Несинусоидальность напряжения. Несинусоидальность напряжения (см. Рисунок 2) включает следующие показатели: коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения.

Отклонение частоты

Частота - общесистемный параметр, т. е. она одинакова во всех точках объединенной энергосистемы. При возникновении существенных отклонений частоты в действие вводится противоаварийная автоматика энергосистемы. Отклонение частоты может привести к отключению целых районов и даже общесистемной аварии, что случается далеко не каждое десятилетие. Кроме того, современные блоки питания средств вычислительной и телекоммуникационной техники на 50 и 60 Гц остаются работоспособными при отклонениях в несколько герц, а не процентов, как это устанавливается стандартом.

Импульс напряжения

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. В городских сетях, где линии как высшего, так и низшего напряжения, как правило, кабельные, возникновение грозового импульса трудно объяснимо.

Рисунок 3 . Импульсы напряжения.

Временное перенапряжение

Временное перенапряжение (см. Рисунок 1) характеризуется коэффициентом временного перенапряжения (отношением максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования перенапряжения к амплитуде номинального напряжения). Значение коэффициента зависит от времени перенапряжения, но не превышает 1,47.

При обрыве нулевого рабочего проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ с наглухо заземленной нейтралью (т. е. нейтраль трансформатора или генератора непосредственно присоединена к заземляющему устройству) возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений межфазного напряжения, а длительность - нескольких часов.

Этот вид нарушений опасен не только из-за риска повреждения оборудования и нарушения режима его работы, но и представляет собой реальную пожарную опасность вследствие высокой вероятности возгорания электрооборудования и электроприемников.

Таким образом, можно констатировать, что электропотребляющее оборудование инфокоммуникационных систем чувствительно к нарушениям качества энергоснабжения в разной степени в зависимости от вида искажений. Возможные последствия выражаются в сбоях в работе аппаратно-программных средств и, в меньшей степени, - в повреждениях оборудования. Наиболее критичными нарушениями являются провалы напряжения, поскольку они приводят к отключениям и перезагрузке оборудования.

Перенапряжения и импульсы напряжения могут вызывать повреждение оборудования. Отклонения, колебания, несинусоидальность напряжения практически не влияют на работоспособность инфокоммуникационных систем.

Эти нарушения, включая отклонения частоты, в большей степени оказывают воздействие на оборудование инженерных систем.

Электропитание 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.

Стандарты качества энергопитания

Требования по надежности электроснабжения потребителей изложены прежде всего в 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. Следует иметь в виду, что энергосистема предоставляет потребителю не более двух источников электроснабжения, т. е. подключение 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 компьютерным 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) компьютерных систем не происходит.

Показатели качества электроэнергии в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей, регламентируются отраслевыми стандартами и иными нормативными документами, но они не должны быть ниже норм ГОСТа для точек общего присоединения. Когда указанные отраслевые стандарты и иные нормативные документы отсутствуют, нормы настоящего стандарта обязательны для электрических сетей потребителей электроэнергии.

Устанавливаемые ГОСТом показатели качества электроэнергии определяют предельный уровень электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении этих норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электроэнергии (приемников электроэнергии), не возникает нарушений и помех в работе оборудования вследствие неудовлетворительного качества электроснабжения.

Стандартом установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения показателей.

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. Этот показатель достаточно существенен, так как от его значений зависит работоспособность блоков питания.

Колебания напряжения.

Для компьютерных 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.

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 компьютерных систем.

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 компьютеров, поскольку современные блоки питания могут нормально работать от источников питания, у которых форма кривой напряжения близка к прямоугольной (меандр). 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.

Эти показатели также не влияют в явном виде на качество электроснабжения инфокоммуникаций.

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. Отклонение частоты может привести к отключению целых районов и даже общесистемной аварии, что случается далеко не каждое десятилетие. Кроме того, современные блоки питания средств вычислительной и телекоммуникационной техники на 50 и 60 Гц остаются работоспособными при отклонениях в несколько герц, а не процентов, как это устанавливается стандартом.

Импульс напряжения.

Импульс напряжения (см. Рисунок 3) 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. В городских сетях, где линии как высшего, так и низшего напряжения, как правило, кабельные, возникновение грозового импульса трудно объяснимо.

Временное перенапряжение.

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения (отношением максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования перенапряжения к амплитуде номинального напряжения). Значение коэффициента зависит от времени перенапряжения, но не превышает 1,47.

При обрыве нулевого рабочего проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ с наглухо заземленной нейтралью (т. е. нейтраль трансформатора или генератора непосредственно присоединена к заземляющему устройству) возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений межфазного напряжения, а длительность - нескольких часов. Этот вид нарушений опасен не только из-за риска повреждения оборудования и нарушения режима его работы, но и представляет собой реальную пожарную опасность вследствие высокой вероятности возгорания электрооборудования и электроприемников.

Таким образом, можно констатировать, что электропотребляющее оборудование компьютерных систем чувствительно к нарушениям качества энергоснабжения в разной степени в зависимости от вида искажений. Возможные последствия выражаются в сбоях в работе аппаратно-программных средств и, в меньшей степени, - в повреждениях оборудования. Наиболее критичными нарушениями являются провалы напряжения, поскольку они приводят к отключениям и перезагрузке оборудования. Перенапряжения и импульсы напряжения могут вызывать повреждение оборудования. Отклонения, колебания, несинусоидальность напряжения практически не влияют на работоспособность компьютерных систем. Эти нарушения, включая отклонения частоты, в большей степени оказывают воздействие на оборудование инженерных систем.

Надежное питание компьютеров

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 компьютеров - источники бесперебойного питания (ИБП - Uninterruptible Power Supplу, UPS). На их основе строятся системы бесперебойного электроснабжения (питания) компьютерных систем.

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 компьютерным 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.

Однако на этом неприятности могут не закончиться. Ремонт может занять пять минут, а может и пять рабочих дней, и хорошо, если в результате информационная система не будет простаивать. Таким образом, кроме параметра MTBF очень важное значение имеет другая величина - среднее время восстановления устройства (Mean Time To Repair, MTTR). В статьях и обзорах, посвященных надежности ИС, все чаще встречается понятие коэффициента доступности. Он определяется весьма просто - как относительное значение общей продолжительности нормальной работы системы за год. Обычно компании измеряют коэффициент доступности для приложений, так как от этого напрямую зависит продуктивность пользователей. В условиях современного предприятия важнейшие приложения или их составляющие физически распределены по всей организации, а иногда даже за ее пределами, включая компьютеры потребителей и поставщиков. Поэтому администраторы ИТ должны принять необходимые меры, чтобы обеспечить высокое значение доступности приложений по предприятию в целом.

Исходя из того, что время нормальной работы в среднем равно MTBF, а время простоя возникает после аварии или отказа и, соответственно, равно MTTR, коэффициент доступности (Availability) можно определить следующим образом: Availability = MTBF/(MTBF + MTTR) Очевидно, что MTBF должно быть как можно больше, а MTTR - как можно меньше.

Какой ИБП надежнее?

Надежность любой сложной системы (в том числе ИС) ограничена надежностью самого слабого узла. На сегодняшний день в таких общих для любой ИС процессах, как обработка и хранение данных, давно применяются технологии кластеризации и «зеркализации», дисковых массивов хранения данных RAID и т. п. Поэтому тем, кто инвестирует немалые средства в подобные технологии для всемерного повышения надежности работы ИС, имеет смысл задуматься: а какое же звено осталось самым слабым? Чаще всего таковым оказывается ИБП традиционной моноблочной конструкции, а ведь именно он, как правило, защищает серверные комнаты и прочие критичные приложения. За последние годы к этому выводу пришло большое количество исследовательских и консалтинговых институтов, а также ассоциаций пользователей компьютерных технологий.

Даже при увеличении затрат на разработку изделия, всемерной изощренности схемных решений, 100-процентном входном контроле компонентов, многократном тестировании изделия в процессе производства отдельные компоненты имеют некий потолок надежности. Так, типичные современные системы защиты питания, где делается ставка лишь на высокую надежность отдельных узлов, имеют максимальное значение MTBF в пределах от 50 тыс. до 500 тыс. ч. В то же время применение резервирования самих ИБП позволяет добиться существенного увеличения MTBF при тех же затратах на себестоимость изделия.

Общепризнанным подходом для радикального снижения MTTR стало сегодня в конструировании следование принципу «горячей» замены неисправных или требующих обслуживания узлов.

При создании наиболее ответственных и критичных узлов и устройств, работающих в составе ИС, применяется следующий метод. Узел (устройство и т. п.) разбивается на N параллельно соединенных модулей с добавлением одного (N+1), двух (N+2) и т. д. модулей для повышения уровня резервирования (или, что одно и то же, избыточности), дополнительно разработчиками обеспечивается возможность замены этих модулей (увеличения или уменьшения их числа) на ходу, в «горячем» режиме. Таким образом, достигается:

высокая отказоустойчивость за счет наличия N+1, N+2 и т. д. модулей. При отказе любого из модулей остальные просто перераспределяют между собой его нагрузку;

нулевое MTTR - для замены вышедшего из строя модуля не требуется отключать устройство в целом. Остающиеся в работе модули обеспечивают полноценное функционирование;

гораздо более высокая экономическая эффективность по сравнению с удвоением устройства в целом;

масштабируемость устройства, причем изменения конфигурации возможны без выключения устройства, в "горячем" режиме.

Соотношения между доступностью, избыточностью и возможностями «горячей» замены легко пояснить с помощью диаграммы, где системы защиты электроснабжения располагаются на плоскости в зависимости от того, насколько они удовлетворяют двум составляющим доступности - избыточности и возможности «горячей» замены.

С ростом числа узлов с поддержкой режима «горячей» замены соответствующая системе точка на плоскости перемещается вверх, а с ростом числа избыточных узлов - слева направо. В зависимости от требуемой величины доступности и планируемых затрат, администраторы ИС могут найти оптимальное решение.

На основании диаграммы современные системы защиты электропитания можно классифицировать по уровню доступности следующим образом.

Традиционный (моноблочный) ИБП (Standalone UPS) не обладает ни избыточностью, ни возможностями "горячей" замены. Такое устройство обеспечивает достаточную доступность электропитания благодаря надежности ИБП как такового. Подобные системы наиболее эффективны в диапазоне малых мощностей (до 5кВА), в этом случае несколько моноблочных ИБП могут защитить отдельные критические звенья системы. Чтобы получить централизованное решение для систем большей мощности (более 5 кВА), пользователи должны выбрать систему с более высоким уровнем доступности.

Отказоустойчивый ИБП (Fault Tolerant UPS) иногда описывают как систему с "разумной избыточностью", поскольку такие системы содержат избыточные компоненты. Однако не все главные узлы можно заменять в режиме "горячей" замены. Системы этого типа имеют более высокий коэффициент доступности, продолжая защищать нагрузку даже в случае отказа одного из избыточных компонентов. Но поскольку неисправность недублируемых компонентов часто означает необходимость замены всего ИБП, в числе их серьезных недостатков - дорогостоящий и требующий времени ремонт. Это неизбежно приводит к простою систем и большим неудобствам для администраторов ИС. Отказоустойчивые системы ИБП могут иметь часть узлов, допускающих "горячую" замену, например батареи или блоки силовой электроники. В основном же большое число критически важных узлов, в частности блоки процессорной электроники, невозможно заменить в "горячем" режиме. И чем больше таких незаменяемых компонентов, тем ниже коэффициент доступности электропитания.

Модульный ИБП (Modular UPS). Как и отказоустойчивый ИБП, он обеспечивает высокий уровень доступности. Эти системы имеют многочисленные компоненты с режимом "горячей" замены и обычно используются в многосерверных средах и телекоммуникационном оборудовании. Многие модульные ИБП предусматривают также избыточность батарей. Однако важнейшее преимущество таких систем по сравнению с отказоустойчивыми ИБП состоит в том, что отказ любого из основных компонентов может быть ликвидирован в "горячем" режиме, что исключает плановые простои на вызов сервисной поддержки.

Высшую степень защиты электроснабжения обеспечивают системы матричной архитектуры - так называемые "энергетические массивы" (Power Array). В Power Array все блоки - силовой электроники, батарей и процессорные - являются и избыточными, и заменяемыми в "горячем" режиме. Системы такого типа характеризуются очень высокими значениями доступности и реализуют защиту высшего уровня для ИС. Power Array обычно на 10-20% дороже моноблочных ИБП сходной мощности и в среднем на 5-10% дороже отказоустойчивых или модульных ИБП.

В каждой системе защиты электропитания имеется три важнейших блока: батареи, силовая электроника и процессорная электроника. Чем больше компонентов обладают свойствами «горячей» замены и избыточности, тем выше доступность системы. Реальные ИБП часто относятся к «гибридным» системам, у которых часть узлов обладает свойством «горячей» замены, а другая часть - свойством избыточности.

Мощность, перспективы развития, назначение электроустановки и прочие факторы влияют на определение степени надежности электроснабжения. Способность системы электроснабжения и ее элементов выполнять поставленные задачи по обеспечению электрической энергией предприятий, бытовых потребителей, не приводящие к срыву плана производства, обесточиванию целых жилых кварталов городов и сел, а также не приводящие к авариям в технологических и электрических частях промышленных предприятий – это все характеризует надежность электроснабжения. Также она может быть охарактеризована ущербом, нанесенным при перерыве электропитания, продолжительностью ремонта, временем безотказной работы и другими факторами.

Основные факторы влияющие на надежность систем электроснабжения

Число отказов от нормальной работы в год определяет степень повреждаемости системы. Повреждаемость состоит из повреждаемости оборудования (электрические машины и аппараты, кабели, трансформаторы, бытовые устройства и системы), возникающей из-за ошибок обсуживающего персонала, нарушения правил эксплуатации устройств, наличие агрессивных сред на производстве, ошибок при проектировании и монтаже. При проведении расчетов надежности проектируемого объекта обязательно учитываются два ключевых фактора: безотказность системы и ее ремонтопригодность.

Непрерывная безотказная работа в течении какого-то промежутка времени при нормальных условиях эксплуатации называют безотказностью. Примером может послужить интенсивность отказов для установки, вероятность безотказной работы, но этот пример для не ремонтируемых устройств или заменяющихся после первого отказа. А наработка на отказ, количество отказов – это для ремонтируемых устройств. Среднее время безотказной работы за какой-то промежуток времени – это наработка на отказ.

Предупреждение, обнаружение и своевременное устранение неисправностей путем проведения технических обслуживаний и ремонтов – это ремонтопригодность. Примером ремонтопригодности может послужить среднее время восстановления, вероятность проведения ремонта в указанные сроки.

Режим работы, при котором возможно исчезновение напряжения питания (ввод резервного питания) не приводящие к расстройству технологических циклов и процессов, не приводят к значительному ущербу и возникновению опасности аварийных ситуаций называют бесперебойным питанием.

Обеспечение надежной работы электроприемников

Для обеспечения надежной работы ответственных потребителей электрической энергии при нормальных и послеаварийных режимах необходимо:

Максимально уменьшить число и продолжительность перерывов в электроснабжении;
Качество электроэнергии должно быть удовлетворительным, для обеспечения устойчивой работы ответственных агрегатов если режим электроснабжения нарушен;

Надежность систем электроснабжения, в первую очередь, определяется конструктивными и схемными решениями при построении данных систем. Также не последнюю роль в повышении надежности систем электроснабжения играет разумное использования резервных источников питания, надежность работы каждого элемента систем, в частности электрооборудования. К сожалению именно надежность электрооборудования является ключевым фактором при возникновении чрезвычайных происшествий. Эти факторы, к сожалению, в минимальной степени зависят от проектировщика. Наиболее оптимальное решение не может быть принято без хорошего знания и учета всех особенностей проектируемых предприятий.

Сравнение влияния перерывов в электроснабжении на производственный цикл промышленных предприятий

Как известно каждое производство имеет свои особенности технологических процессов. Брак продукции, порча электрооборудования, возникновения ситуаций угрожающих жизни и здоровью людей – это все возникает при перерыве в электроснабжении. Причем время перерыва может составлять до 30 минут на одних предприятиях, а на других 2-3 часа и более. Также отличие есть и во времени, необходимом для восстановления нормального производственного цикла после перерыва питания электроэнергией. Это время может колебаться от 5 минут до 2 часов, а иногда и более.

Некоторые производства после восстановления электропитания работают с пониженной производительностью (бумагоделательные машины) от нескольких часов до нескольких суток. Если происходит перерыв питания прокатного стана хотя-бы на 10-15 минут, это не приведет к массовому браку продукции, но из-за перерыва в работе стана нарушится технологический процесс. Слитки, подготовленные к прокату, за время останова остынут. Их необходимо подогреть, что приведет к финансовым затратам, а в плавильных печах необходимо поддерживать постоянную температуру даже на время простоя стана, что ведет дополнительным тратам на топливо. После восстановления напряжения питания прокатного стана необходимо не менее 1 часа для восстановления нормального технологического цикла.

Ниже приведен график зависимости восстановления технологического процесса на азотно-туковом заводе:

Где t э – время прерывания электроснабжения часов, t п – время восстановления нормального цикла производства. Как упоминалось выше, при перерыве подачи электроэнергии восстановления нормального цикла производства для каждого цеха может иметь разное время. Ниже приведен график зависимости восстановления технологического процесса на заводе по производству синтетического спирта и полиэтилена:

Где t э – время прерывания электроснабжения часов, t п – время восстановления нормального цикла производства, 1 – цех пиролиза, 2 – цех газораспределения, 3 – цех гидрации и ректификации спирта, 4 – цех полиэтилена низкого давления, 5 — цех полиэтилена высокого давления.

Также перерывы в подаче электрической энергии ведет к нарушению технологических процессов, что существенно влияет на выпуск продукции. Ниже приведен график изменения технологического параметра при перерыве электроснабжения:

Чтобы сохранить бесперебойную работу технологической установки необходимо не превышать продолжительность перерыва t пер. больше допустимого t доп.т. , с одной стороны и величину допустимую по условиям самозапуска (например приводного электродвигателя) t доп.э. :

Повышение надежности электроснабжения

Для повышения надежности электроснабжения необходимо изучить все возможные варианты систем электроснабжения. Учесть все возможные влияния на безотказную работу электрооборудования, проанализировать количество и технологические параметры приемников особой категории, изучить влияние агрессивных сред (при их наличии) на системы питания. Также при резервировании нужно учитывать время ввода резерва, чтобы избежать нарушений в технологических процессах и не создавать аварийных ситуаций. Немаловажную роль играет правильный выбор электрооборудования, а также при эксплуатации своевременное проведение ремонтов и обслуживания электрооборудования.

К системам электроснабжения предъявляются многочисленные требования, основными из которых являются надежность работы, экономичность, гибкость. Надежность – категория экономическая и поэтому только с помощью экономических методов можно гарантировать оптимальный уровень надежности электроснабжения.

Для того, чтобы система удовлетворяла предъявляемым к ней требованиям, она должна обладать определенными потребительскими, эксплуатационными, конструктивными и экономическими качествами. К потребительским качествам относится и способность системы к обеспечению надежного питания потребителей. Для сравнения различных схем по надежности необходимо установить критерии, характеризующие надежность работы схем подстанций. Перерывы в нормальной работе подстанций вызываются повреждениями оборудования, ошибками персонала и т.д. Но при одинаковых этих факторах число и длительность аварийных перерывов электроснабжения могут быть различными. Одинаковые повреждения приводят в одной схеме к перерыву электроснабжения, в другой – нет; длительность перерыва при одной схеме определяется временем работы автоматики, при другой – временем производства переключений оперативным персоналом, при третьей – временем аварийно-восстановительных работ. При разных схемах изменяется и длительность простоев потребителей из-за плановых ремонтов оборудования подстанций: при одной схеме ремонт выключателей связан с отключением потребителя, при другой – нет. Необходимо отметить, что при применении разных схем, а также при одинаковых схемах ущерб при перерывах электроснабжения может быть различным.

Ущерб зависит от потребителя, его технологических особенностей, наличия резервирования и не может служить критерием надежности для схем, так как схема не оказывает на него никакого влияния.

Обычно пользуются понятием удельного ущерба – величиной ущерба, отнесенной к единице выпускаемой продукции. В таком случае возможно сопоставление решений для объектов с различным объемом производства.

Решая задачи надежности для СЭС, ущерб следует относить к значениям параметров энергосистемы. Поэтому в настоящее время наиболее распространены следующие виды удельного ущерба, отнесенные:

к единице выпускаемой продукции, руб. /ед. продукции;

одному часу перерыва в электроснабжении, руб./ч;

одному кВт установленной мощности, руб./кВт;

одному кВт·ч недоотпущенной электроэнергии, руб./(кВт·ч).

Ответственность энергосистем за нарушения энергоснабжения потребителей устанавливается «Правилами пользования электрической и тепловой энергией ». Таким образом, энергосистема штрафуется за недопоставку электрической энергии потребителям.

Основным документом, определяющим ответственность эксплуатационного персонала за нарушения электроснабжения, является «Инструкция по расследованию и учету аварий », применение которой способствует повышению надежности работы оборудования и электроснабжения потребителей.

В табл. 8.3 приведены данные удельных ущербов ряда потребителей. Оценка ущерба у бытовых потребителей имеет особенности, заключающиеся в том, что устанавливается денежный эквивалент единицы свободного времени человека. Ущерб от перерыва электроснабжения, в течение которого человек лишен возможности использовать самостоятельно свободное время, определяется как часть потерянного свободного времени.

Таблица 8.3

Удельные ущербы потребителей от недопоставки электроэнергии

В энергосистемах имеется большое количество распределительных подстанций 110, 35 кВ, имеющих не более двух питающих линий и предназначенных только для электроснабжения потребителей. По данным трех крупных энергосистем, число таких подстанций составляет 50…70% на 110 кВ и 80% на 35 кВ от всего числа подстанций соответствующего напряжения. Для таких подстанций могут быть установлены единые критерии надежности.

С точки зрения потребителей надежность электроснабжения определяется длительностью и частотой перерывов подачи энергии. Для отдельного потребителя, питающегося по радиальной линии, плановые ремонты так же, как и аварийные, связаны с перерывами электроснабжения, и поэтому длительность плановых ремонтов, связанных с необходимостью отключения потребителей, служит одним из показателей надежности. Для потребителей, у которых ущерб меняется в зависимости от длительности простоя, необходим показатель вероятности того, что время восстановления питания превысит заданное время.

Таким образом, для распределительных подстанций энергосистем могут быть установлены следующие 4 критерия:

среднее число аварийных перерывов электроснабжения потребителей за определенный промежуток времени n ;

средняя длительность восстановления питания τ ср;

длительность плановых ремонтов, связанных с отключением потребителей τ пл;

вероятность того, что время восстановления питания превысит заданное время t .

Так как и другие подстанции предназначены для снабжения потребителей, то критерии для всех подстанций будут содержать эти и дополнительные показатели, соответствующие требованиям, предъявляемым к ним.

Расчет критериев надежности для распределительных подстанций производится для точки 1 границы обслуживания подстанции энергосистемой (рис. 8.3). Для оценки эффективности резервирования потребителей от разных секций подстанций необходим расчет критериев для случая полного погашения подстанции – точки 2 на рис. 8.3. Расчет критериев может быть проведен аналитическим путем или методом моделирования на ЭВМ.

Расчеты критериев для точки 1 дадут возможность сообщить потребителям ожидаемую надежность их снабжения при питании от подстанции при одной радиальной линии; расчеты для точки 2 – ожидаемую надежность при резервировании от разных секций подстанции. Потребитель на основании полученных данных с учетом ущерба при перерывах электроснабжения и затрат на резервирование должен выбрать наиболее экономичный вариант питания.

В случае двух состояний системы можно использовать функцию полезности для обоснования критерия надежности:

где z – коэффициент полезности от нормального электроснабжения; t i – промежутки времени нормального электроснабжения; t i " – промежутки времени аварийных перерывов электроснабжения; t i "" – промежутки времени плановых перерывов; К – капитальные вложения на строительство подстанции, приходящиеся на рассматриваемый период; И – средняя стоимость аварийно-восстановительного ремонта; У" – ущерб у потребителя при аварийном отключении за единицу времени; У"" – ущерб у потребителя за единицу времени при плановом простое; φ – функция, выражающая зависимость ущерба от длительности аварийного простоя; i , n – номер и число аварийных отключений.

Для оценки функции полезности потребителю должны быть сообщены энергосистемой следующие показатели: – t ср " , t ср "" , n и для определения φ – вероятность того, что время восстановления питания не превысит заданное время t – P (τ < t ).

Для вычисления этих показателей необходима оценка по данным эксплуатации следующих показателей надежности для каждого элемента системы электроснабжения: параметра потока отказов (ω), интенсивности восстановления (µ) и длительности планового простоя каждого элемента за определенный промежуток времени (τ пл).

При известных допущениях (простейший поток отказов, зависимость ущерба только от длительности перерыва электроснабжения) возможно применение для оценки надежности систем электроснабжения коэффициента готовности K г, коэффициента технического использования K ти и коэффициента аварийности q а = 1–K г. Для резервных источников электроснабжения, как отдельных установок, для оценки готовности и безотказности подходит коэффициент оперативной готовности K ог.

При оценке надежности электроснабжения одного потребителя обычно рассматривается два состояния системы: работоспособное и неработоспособное. Вероятность нахождения СЭС полностью в неработоспособном состоянии очень мала. Современные СЭС – это сложные многократно резервируемые сети, получающие питание от нескольких источников, оснащенные большим количеством устройств защиты, автоматики, телемеханики. В то же время отказ в электроснабжении хотя бы одного потребителя, присоединенного к СЭС, приводит к недовыполнению системой основной задачи – снабжения потребителей электроэнергией в нужном количестве и должного качества. В этом случае происходит снижение выходного эффекта системы. Следовательно, количественно оценить надежность СЭС можно определением выходного эффекта системы, который рассчитывается по количеству электроэнергии, распределяемой системой.

Выходной эффект абсолютно надежной СЭС выражается в количестве электроэнергии Э потр, отпущенной в соответствии с требованиями потребителей. Реальный эффект отпущенной электроэнергии Э отп, представляющий собой ее количество, отпущенной с учетом отказов электроэнергии, всегда меньше идеального выходного эффекта Э потр. Разность между идеальным и реальным выходными эффектами является мерой оценки надежности СЭС. Таким образом, последняя представляет собой количество недоотпущенной потребителям электроэнергии в результате отказов СЭС:

W = Э потр – Э отп. (8.5)

Для сравнения СЭС, различных по количеству отпускаемой энергии, используется коэффициент необеспеченности электроэнергией

ρ = W / Э потр. (8.6)

Коэффициент обеспеченности электроэнергией определяется следующим образом:

π = Э отп/ Э потр = 1– W / Э потр = 1– ρ. (8.7)

Ожидаемое количество электроэнергии, недоотпущенное потребителям за период времени (обычно за год), определяется как суммарный ожидаемый недоотпуск электроэнергии всем М потребителям, присоединенным к данной СЭС, т.е.

(8.8)

Ожидаемый недоотпуск i -му потребителю соответствует произведению средней величины нагрузки на эквивалентную продолжительность простоя за рассматриваемый период времени

. (8.9)

Эквивалентная продолжительность простоя i - го потребителя

Θ э i = λ i ·Т в i + ξ· ν i ·Т 0 i , (8.10)

где λ i , Т в i , ν i , Т 0 i – показатели надежности i - го потребителя; ξ – коэффициент, отражающий меньшую тяжесть последствий от преднамеренных отключений по сравнению с внезапными отказами. В практических расчетах принимают ξ = 0,33.

Для определения расчетного коэффициента необеспеченности требуется знать количество электроэнергии, которое было бы отпущено потребителям, если бы не было отказов в СЭС

Э потр =

, (8.11)

где P р - го потребителя; T max i – число часов использования максимума.

Показатели надежности СЭС определяются в следующем порядке:

рассчитывается надежность электроснабжения i -го потребителя;

устанавливается величина ожидаемого недоотпуска электроэнергии i -му потребителю W i , а также требуемое количество электроэнергии Э потр i ;

определяются величины суммарного недоотпуска и требуемого количества электроэнергии для потребителей СЭС;

вычисляется коэффициент необеспеченности.

Определение численных значений показателей надежности необходимо для обоснованного выбора решения.