UKŁADY I SYSTEMY ZAPEWNIENIA CIĄGŁOŚCI ZASILANIA OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH I UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ. Gdańsk 2011

Transkrypt

1 UKŁADY I SYSTEMY ZAPEWNIENIA CIĄGŁOŚCI ZASILANIA OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH I UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ Gdańsk 2011

2 Plan wykładu 1. Ograniczona niezawodności zasilania 2. Urządzenia zasilania rezerwowego 3. Automatyczne urządzenia przełączania niskiego napięcia 4. Systemy SZR - ATSE

3 Ograniczona niezawodności zasilania odbiorców 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!

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

5 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.

6 Określone w normie PN-EN 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.

7 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 II średnia dziesiątki sekund pojedyncza linia + agregat prądotwórczy domy jednorodzinne na terenach wiejskich i w rzadkiej zabudowie miejskiej, nieduże budynki mieszkalne 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

8 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

9 Niezależna linia energetyczna SN SN nn nn Linia zasilania podstawowego Linia zasilania rezerwowego Aut./Ręcz. M M

10 Agregaty prądotwórcze Uruchomienie i przełączenie ręczne Uruchomienie i przełączenie automatyczne w czasie od 10 s do ok. 180 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 automatyczne w czasie 0,5 2 s Bezprzerwowe przejęcie obciążenia

11 Bateria akumulatorów jako autonomiczne źródło zasilania rezerwowego Przełączenie automatyczne Bezprzerwowe przejęcie obciążenia

12 Podstawowe rodzaje baterii akumulatorów Rodzaj akumulatora Szczelny ołowiowokwasowy 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 Maksymalny czas przestoju bez obciążenia 180 dni 30 dni 90 dni Bez ograniczeń Zagrożenie dla środowiska wysokie wysokie niskie wysokie

13 Układy zasilania bezprzerwowego UPS (ang. Uninterruptible Power Supply) 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) Moc: 200VA - 50kVA w wykonaniu jednofazowym 10kVA kVA w wykonaniu trójfazowym

14 Układ VFD o biernej gotowości Układ VI liniowo interaktywny z pojedynczym przetwarzaniem energii 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 1 pętla sterowania modulacją fazy i amplitudy 2 pętla sterowania ładowaniem akumulatorów Cechy: separacja odbiorów od sieci zasilającej, ograniczona separacja od zakłóceń

15 Cechy układów UPS Klasyfikacja wg EN 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 Regulacja częstotliwości Ograniczanie zakłóceń brak ograniczona pełna brak brak pełna 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.

16 Koła zamachowe do magazynowania energii Wysokoobrotowe: obr/min, do 250kW, do 8MWs, Obudowa Włókna węglowe Flywheel M-G Stator Układ chłodzenia cieczą Axial Electro Magnet Upper Radial Electro Magnet System Próżni Synchronous Reluctance 4 pole M-G Rotor Lower Radial Electro Magnet

17 Speed Sensors Temperature Sensors Position Sensors Schemat strukturalny zestawu Flywheel Flywheel Module Soft Start Przetwornica IGBT Do wejścia bateryjnego UPS DC Monitoring Drivery IGBT Sterownik konwersji mocy Magnetic Levitation Module Zdalne sterowanie Panel sterujący

18 Flywheel przykład konfiguracji UPS Agregat prądotwórczy UPS SZR Flywheel Sieć zawodowa

19 Zastosowania podstawowe Odbiory krytyczne AC DC 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

20 Zasilanie odbiorów o najwyższej kategorii SZR UPS AC DC AC D C Zaawansowane Data Centers ISPs / Web Hosting Network Ops Centers TV na żywo

21 Koszty inwestycji i eksploatacji Flywheel w stosunku do baterii Cost UPS 160 kva FLYWHEEL BATERIA Koszty inwestycyjne Zużycie energii (kw) Koszty eksploatacji Koszty klimatyzacji Koszty powierzchni (m 2 ) Koszty wymiany w przeliczeniu na 1 rok 4 do 5 x 1 x < 0,2x 1x < 0,5x 1x 0,5x do 40 C 1x 20 do 25 C 0,5x 1x 4 (na rok) 20 (na rok) Przy pierwszej wymianie baterii koszty inwestycyjne i eksploatacyjne wyrównują się.

22 Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE) SZR ATSE - ang. Automatic Transfer Switching Equipment PN-EN Podstawowy podział ATSE szybkie ATSE powolne Czas zadziałania <0,25s Czas przerwy w zasilaniu <60ms Czas zadziałania >0,4s

23 Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE) ATSE z rezerwą jawną Tor zasilania rezerwowego w układzie pracy normalnej nie przenosi żadnego obciążenia, natomiast podczas zaniku zasilania w torze zasilania podstawowego może przejąć całkowite obciążenie ATSE z rezerwą ukrytą Źródła zasilania nie są w pełni obciążone i mogą czasowo przejąć całkowite obciążenie Q1 Q Q1 Q3 Q Q1 Q3 Q

24 Przykłady układów ATSE - dwa źródła zasilania

25 Przykłady układów ATSE - trzy źródła zasilania

26 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 ~1000VA ~600VA ~600VA ciągła w czasie gotowości chwilowa po zapadzie w zasilaniu obwodów sterowania ~100VA ~1500VA ~0VA ~0VA ~0VA ~0VA Reakcja na zapad napięcia sterowania (>10ms) przerwa w zasilaniu brak brak * - dla przykładowego układu o trzech aparatach wykonawczych

27 Automatyczne urządzenia przełączające (ATSE) Blokady przed jednoczesnym załączeniem źródeł (zasilaczy) na te same szyny (PN-EN ) 1. mechaniczne 2. elektryczne 3. elektryczno-programowe T G Odbiory kategorii I UPS Odbiory kategorii II/III Odbiory kategorii IV

28 Napięcie sterowania Blokady w układach ATSE Blokada elektryczna bierna Zasilacz 1 (trafo) Zasilacz 2 trafo, generator S2 St.ręczne St.autom. S5 1L1 S1 K1 K2 Q1 Q2 E1 E2 E1 E2 N L1 L2 L3 Elektromagnesy załączające

29 Napięcie sterowania Blokady w układach ATSE Blokada elektryczna czynna Zasilacz 1 (trafo) Zasilacz 2 (trafo, generator) S3 S4 St.ręczne St.autom. S5 1L1 K3 K4 Q1 Q2 1A1 1A2 1A1 1A2 N L1 L2 L3 Wyzwalacze napięciowe

30 Przeciwpożarowe wyłączniki prądu Zgodnie z Rozporządzeniem w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000m 3 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. GWP GWP GWP GWP Q1 D1 U< D2 Q1 D1 U< D2 Q1 U< Q1 1A1 1A2 Wyzwalacz zanikowy (podnapięciowy) bezzwłoczny Wyzwalacz zanikowy (podnapięciowy) zwłoczny Wyzwalacz zanikowy zwłocznobezwłoczny Wyzwalacz Wzrostowy (napięciowy)

31 Zasilanie automatyki ATSE 24V DC 230V AC Pomocniczy SZR UPS 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.

32 Systemy ATSE Duża liczba i różnorodność funkcji realizowanych przez ATSE Systemy budowane pod zamówienie

33 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

34 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 m 2 (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.

35 Galeria Bałtycka w Gdańsku otwarcie w końcu 2007r. Układ zasilania obiektu o powierzchni m 2 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.

36 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.

37 Napięcie sterowania Blokady elektryczno-programowe dywersyfikacja U1 U2 Q1 Q2 Q1 Q2 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 Jednostka logiczna A I2.1 I2.2 Jednostka logiczna B Q1.1 Q1.2 Q2.1 Q2.2 1L1 Q1 1A1 Q2 1A1 N 1A2 1A2 Elektromagnesy załączające redundancja

38 W ramach dostawy modułu automatyki MAX o cenie katalogowej w granicach 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.

39 Późniejsze opracowania zunifikowanych modułów automatyki ATSE: Rok Siemens Rok Schneider Electric Polska