ZASILACZE UPS ORAZ BATERIE AKUMULATORÓW W UKŁADACH ZASILANIA GWARANTOWANEGO

Podstawowym kryterium zapewniającym ciągłość zasilania jest wysoka niezawodność urządzeń zasilających. Nie bez znaczenia jest również jakość dostarczanej energii elektrycznej, od której zależy poprawne funkcjonowanieszeregu odbiorników elektrycznych. Wprawdzie parametry jakościowe napięcia zasilającego zostałyokreślone w normie PN-EN 50160 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych” oraz normie PN-EN 61000 „Kompatybilność elektromagnetyczna”, a także w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [DzU Nr 93/2007, poz. 623], to jednak dla wielu czułych odbiorników są one niewystarczające. Dokumenty te określają wymagania możliwe do spełnienia przez dostawcę energii elektrycznej. Nie obejmują one jednak zaburzeń powstałych wskutek różnych zjawisk losowych oraz powodowanych przez czynniki atmosferyczne. Jakość dostarczanej energii elektrycznej ma znaczący wpływ na poprawną pracę oraz na trwałość zasilanych odbiorników. Wahania napięcia oraz wyższe harmoniczne są powodem zakłóceń oraz przedwczesnego zużywania się wielu odbiorników. Wprawdzie normy i przepisy precyzyjnie określają parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, ale brak przepisów wykonawczych, które stanowiłyby podstawę egzekwowania od odbiorców filtrowania wprowadzanych do sieci zakłóceń powoduje, że parametry dostarczanej energii znacząco odbiegają od wymagań formalnych. Najbardziej niebezpieczne dla czułych urządzeń elektrycznych oraz elektronicznych są krótkie przerwy w zasilaniu oraz ich szczególne przypadki określane jako zapady napięcia. Wszelkie zakłócenia oraz przerwy w dostawie energii mają również wpływ na niezawodność pracy urządzeń elektrycznych. Zakłócenia przychodzące z sieci zasilającej mogą być przyczyną przerw w produkcji spowodowanych awariami urządzeń zasilających. W przypadku zasilania odbiorników wymagających wysokiej niezawodności zasilania konieczne staje się projektowanie układów zasilających pozwalających na wyeliminowanie zakłóceń przychodzących z sieci zasilającej lub przerw w dostawie energii elektrycznej spowodowanych awarią tej sieci. Do takich odbiorników należy zaliczyć przede wszystkim: centra przetwarzania informacji, centrale telefoniczne, szpitale, komendy policji oraz jednostki straży pożarnej, zakłady produkcyjne o ciągłym procesie technologicznym, urządzenia przeciwpożarowe instalowane w obiektach budowlanych. W przypadku obiektów budowlanych łączności, wymagania w zakresie zasilania w energię elektryczną zostały jednoznacznie określone w rozporządzeniu Ministra Łączności z dnia 21 kwietnia 1995 roku w sprawie warunków technicznych zasilania w energię elektryczną obiektów budowlanych łączności [DzU Nr 50/1995 poz. 271]. Natomiast w przypadku innych obiektów budowlanych sposób zasilania należy opracować na etapie koncepcji projektowej w uzgodnieniu z inwestorem oraz użytkownikiem. Często w obiekcie budowlanym lub budynku zachodzi konieczność wykonania układu zasilania gwarantowanego obejmującego tylko wybrane odbiorniki. Projektując układ zasilania gwarantowanego należy mieć świadomość, że zasilacz UPS lub siłownia telekomunikacyjna wyposażona jest w baterie akumulatorów, które stanowią magazyn energii elektrycznej. Baterie te są ładowane określonym prądem, który powoduje, wskutek zachodzących reakcji elektrochemicznych, wydzielanie wodoru. Wydzielający się wodór z ładowanych baterii może stwarzać zagrożenie wybuchowe w przypadku przekroczenia stężenia 4,1% określanego Dolną Granicą Wybuchowości (DGW). Powoduje to konieczność zaprojektowania skutecznej detekcji stężenia wodoru oraz odpowiedniej wentylacji pomieszczeń bateryjnych. Poza tym pracujące zasilacze UPS lub siłownia telekomunikacyjna powodują wydzielanie określonej ilości ciepła, które należy odprowadzić. Stan ten powoduje, że pomieszczenie zasilaczy UPS lub siłowni telekomunikacyjnej oprócz wentylacji musi zostać wyposażone w klimatyzację, dzięki czemu można będzie utrzymać właściwą wilgotność oraz temperaturę powietrza wymaganą dla poprawnej pracy zasilaczy oraz baterii akumulatorów. W celu przybliżenia tych problemów w niniejszej publikacji zostały opisane podstawowe wymagania w zakresie jakości energii, niezawodności zasilania, funkcjonowania zasilaczy UPS, doboru i eksploatacji baterii akumulatorów oraz wymagania w zakresie wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń przeznaczonych do instalowania źródeł zasilania gwarantowanego. Na końcu publikacji został zamieszczony przykładowy projekt zasilania gwarantowanego opracowany i zrealizowany przeze mnie w zakładzie produkującym folię do pakowania żywności. Projekt ten został opublikowany w 2008 roku w serii wydawniczej „Copper Leonardo Energy”. W imieniu swoim i współautora składam serdeczne podziękowania Panom: mgr. inż. Leszkowi Bożkowi, mgr. inż. Antoniemu Czerwińskiemu, a także prezesowi O/Warszawa Stowarzyszenia Polskich Energetyków mgr. inż. Witoldowi Zdunkowi za wnikliwą analizę treści oraz cenne uwagi, które pozwoliły na stworzenie ostatecznej wersji tej książki. Julian Wiatr SPIS TREŚCI: Wstęp 7 1. Jakość energii elektrycznej 9 1.1. Parametry oceny jakości elektrycznej wg PN-EN 50160 i innych dokumentów 9 1.2. Parametry jakościowe energii elektrycznej wg rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [DzU Nr 93/2007 poz. 623] 14 1.3. Wpływ wahania napięcia na pracę niektórych odbiorników 18 1.4. Harmoniczne i ich wpływ na pracę urządzeń oraz instalacji 21 1.5. Interharmoniczne i subharmoniczne 34 1.6. Skutki wahania napięcia dla innych urządzeń elektrycznych 36 1.7. Zabezpieczenia odbiorników energii elektrycznej od skutków złej jakości energii elektrycznej 37 1.7.1. Zabezpieczenia wewnętrzne 37 1.7.2. Zabezpieczenia scentralizowane 38 2. Niezawodność zasilania 39 3. Koncepcja zasilania 47 4. Zasilacze bezprzerwowe (UPS) 49 4.1. Wymagania stawiane zasilaczom UPS 49 4.1.1. Wykaz danych technicznych UPS deklarowanych przez producenta 51 4.2. Podstawowe typy zasilaczy UPS 56 4.3. Układy redundantne UPS 59 4.4. Przykłady układów zasilania gwarantowanego o zwiększonej niezawodności 63 4.5. Nowoczesne technologie stosowane w zasilaczach UPS 67 4.5.1. HotSync™ – system pracy równoległej UPS Powerware 67 4.5.2. Technologia HotSync™ – zasada działania 69 4.5.3. ABM™ (Advanced Battery Management) system nieciągłego ładowania baterii 70 4.6. Zasady doboru zasilaczy UPS 72 4.6.1. Algorytm doboru zasilaczy UPS 72 4.6.2. Dobór mocy zasilacza UPS 78 4.6.2.1. Zasady obliczania wymaganej mocy dysponowanej 78 4.6.2.2. Zakres dopuszczalnego współczynnika mocy na wyjściu zasilacza UPS 81 4.6.3. Podstawy funkcjonalne zasilaczy UPS marki Powerware 83 4.6.3.1. Funkcje elektryczne 83 4.6.3.2. Opis pracy UPS w technologii beztransformatorowej 89 4.7. Zasilacze DC – siłownie telekomunikacyjne (STK) 101 5. Baterie stacjonarne – akumulatory 104 5.1. Baterie kwasowo-ołowiowe 106 5.1.1. Budowa akumulatora bezobsługowego VRLA 107 5.2. Porównanie baterii klasycznych VLA i baterii z regulowanym zaworem VRLA 108 5.2.1. Porównanie baterii VRLA w wykonaniu AGM i żelowych 109 5.2.2. Zastosowania akumulatorów VRLA 110 5.2.3. Ładowanie baterii 111 5.2.4. Rozładowanie baterii 111 5.2.5. Warunki pracy akumulatorów VRLA 113 5.2.6. Procesy cieplne w akumulatorach VRLA 113 5.2.7. Problemy występujące przy eksploatacji akumulatorów VRLA 114 5.2.8. Składowanie 114 5.3. Dobór baterii akumulatorów do zasilacza UPS 115 5.3.1. Elementy wpływające na dobór baterii akumulatorów 115 5.4. Wymagania techniczne wyboru baterii akumulatorów (diagram) 119 5.5. Dobór baterii do systemu UPS 120 5.6. Dobór wentylacji pomieszczenia systemu baterii VRLA 125 5.6.1. Lista kontrolna systemu wentylacji baterii VLRA 125 5.6.2. Obliczenia wentylacji pomieszczenia baterii VRLA 127 5.6.3. Wyznaczenie bezpiecznej odległości od źródeł inicjacji wybuchu 129 5.7. Pomiary i monitorowanie baterii akumulatorów 129 5.7.1. Pomiary akumulatorów AGM 131 5.7.2. Detekcja upływności doziemnej obwodów bateryjnych DC w zasilaczach UPS 132 5.7.3. Diagnostyka pomiędzy testami pojemności (monitoring) akumulatorów AGM 132 5.7.4. Kontrola okresowa akumulatorów AGM 133 5.7.5. Instalacja i przekazanie do ekspolatacji 133 5.7.6. Instrukcja obsługi baterii kwasowo-ołowiowych 134 5.8. Alternatywne magazyny energii 137 5.8.1. Ogniwa paliwowe 137 5.9. Ważniejsze definicje dotyczące baterii akumulatorów i zasobników energii 140 5.10. Akty prawne i regulacje dotyczące baterii akumulatorów 141 5.11. Badanie i pomiary baterii akumulatorów 142 5.11.1. Pomiar napięcia ogniw i monobloków akumulatorów 142 5.11.2. Pomiar rezystancji połączeń wewnątrz baterii akumulatorów 142 5.11.3. Pomiar pojemności baterii akumulatorów 142 5.11.4. Pomiar rezystancji izolacji baterii akumulatorów w stosunku do ziemi 142 DODATKI Dodatek 1.: Projektowanie i badanie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych przez samoczynne wyłączenie zasilania o układzie TN, zasilanych przez UPS 145 Dodatek 2.: Ochrona przepięciowa w instalacjach napięcia awaryjnego i gwarantowanego 150 Dodatek 3.: Zasady instalowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu oraz uzgadniania projektu budowlanego pod względem przeciwpożarowym 155 Dodatek 4.: Zagrożenie wybuchowe od wodoru wydzielanego podczas ładowania akumulatorów 161 Dodatek 5.: Dobór mocy zespołu prądotwórczego 167 Dodatek 6.: Rodzaje mocy zespołu prądotwórczego 175 Dodatek 7.: Obliczanie mocy zapotrzebowanej przez sprzęt komputerowy 178 Dodatek 8.: Konfiguracje układów zasilania lokalnych sieci komputerowych (LAN) 182 Dodatek 9.: Zmiany dotyczące wymagań w zakresie instalacji elektrycznych wynikające z projektu rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 9.05.2008, zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie 185 Literatura 188 PROJEKT Układ zasilania gwarantowanego ciągu technologicznego w zakładzie produkcyjnym 191 Rok wydania 2008