Качество электроэнергии и энергосбережение
09.11.2013
Image                             ГИБКОЕ И НАДЕЖНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
                                      СОВРЕМЕННОГО ОФИСА

Hans De Keulenaer, European Copper Institute
Prof. Angelo Baggini, Universitа di Bergamo


Введение

    В этой статье изложены принципы проектирования устойчивого и надежного электроснабжения современного офисного здания, насыщенного электронной техникой, на примере 10-этажного офисного здания в Милане, Италия (далее упоминается как "здание" по соображениям конфиденциальности). Это здание - головной офис крупного финансового учреждения, где работают около 500 сотрудников, с интенсивным использованием оборудования информационных технологий. После оценки текущего состояния электрооборудования в здании, с использованием результатов измерений качества электроэнергии, предложены два варианта  проекта, которые гарантируют устойчивое и надежное  электроснабжение. Анализ стоимости работ завершает этот отчет.

Описание начальной ситуации

Здание подключено к линии 23 кВ. Основной источник среднего напряжения питания состоит из двух трансформаторов 800 кВА, 23/0,4 кВ, 50 Гц. На стороне низкого напряжения схема выполнена в виде TN-S системы.
Нагрузка делится на стандартные  и привилегированные нагрузки, в соответствии с требованиями непрерывности электропитания (это более подробно обсуждается ниже в разделе). Существует вторая точка общего подключения (PCC - point of common coupling), для питания небольшой части стандартной нагрузки. Две РСС питаются от одной и той же точки сети и не являются независимыми.

Для обеспечения непрерывности питания, два ИБП (80 + 200 кВА) и двигатель-генератор (250 кВА) устанавливаются в соответствии со схемой на Рис.1.

Image
Рис. 1 - Существующая главная схема электроснабжения здания


 
Обратите внимание, что в такой схеме крайне важно, чтобы нулевой провод был соединен с землей только один раз, на главном терминале заземления, а не на каждом трансформаторе. В противном случае, выгоды от схемы проводки по системе TN-S для улучшенной электромагнитной совместимости и требуемого качества электроэнергии теряются.
Существующая распределительная сеть, в сущности, является компромиссом между радиальной и параллельной схемами электроснабжения. Эта схема сложилась беспорядочным образом, без последовательной структуры, что явилось  прямым результатом многочисленных изменений в требованиях к электроснабжению в течение всего периода эксплуатации здания. Две распределительных панели (РП) питают нагрузку на каждом этаже. Каждая РП состоит из двух частей (стандартной и привилегированной), соответствующих стандартным и привилегированным частям основного распределительного щита (LV Power Panel) (Рис.2). Окончательное распределение использует простую радиальную схему.


 
Image
Рис. 2 - Схема распределения в здании по настоящее время
 


Примечание:
Темные линии показывают стандартных потребителей;
Светлые линии показывают привилегированных потребителей.

Линии


Вся З-х фазная сеть сделана многожильным медным кабелем. Там, где сечение фазного провода больше, чем 35 мм2, используются нейтральные проводники половинного размера фазы.

Нагрузка

Номинальная нагрузка в офисном здании включает:
- лифты (около 80 кВА)
- помещения офисов (приблизительно 100 кВА)
- кондиционеры (примерно 600 кВА)
- освещение открытого пространства офисов (около 35 кВА на этаже).



Качество электроэнергии

Для оценки качества электроэнергии, содержание гармоник измеряли на основных электрических линиях питания каждого этажа.
На Рис. 3 и 6 приведены кривые измеренного тока и напряжения и их гармонических составляющих. Необходимо отметить следующие моменты:
В некоторые фазных проводниках, особенно в цепях освещения, имеется более чем 75% общего гармонического искажения тока (3-я, 5-я, и 7-я гармоника) - см. Рис.6. Существует значительный вклад 3-й гармоники в искажение тока в цепях осветительного оборудования - см. Рис. 4,5 (нейтральный провод), и Рис.6. В некоторых нейтральных проводниках токи гармоник в два раза больше фазного тока.
Оба ИБП показали искажения тока в фазе и нейтральных проводниках - см. Рис.4 и 5.
Четные гармоники появляются в более чем одном измерении (около 30% в Рис.5). Это означает, что форма волны тока не имеет обычной симметрии.
В некоторых случаях, форма сигнала проходит более двух переходов через нуль за один цикл синусоиды (Рис.5).
Достаточно большие постоянные токи обнаружены в заземляющих проводниках. Это характерный  признак того, что TN-S конфигурация не сохранилась, то есть существуют несколько соединений между нейтральным проводом и землей. Необходимо убедиться, что есть только одна главная точка заземления с подключением между нейтралью и землей. На местах персонал должен быть проинструктирован, чтобы избежать какой-либо связи между нейтралью и землей в распределительной сети.
Для измерений использовался анализатор качества Fluke 43.
 

Image
Рис. 3 - Форма и гармонический состав тока (фаза LI) на основном распределительном щите (LV Power Panel) в линии, питающей лифты 1 и 2.



Image
Рис. 4 – Форма и гармонический состав тока (фаза LI) в линии к источнику бесперебойного питания 80 кВА - ИБП (открытое пространство офиса).



Image
Рис.5 - Форма и гармонический состав тока линии нейтрали ИБП 80 кВА (открытое пространство офиса).



Image
Рис.6 - гармоническое содержание фазы L2 ток на главной панели распределения LV (в основном цепей освещения)



Результат

Персонал, работающий в здании, испытал большое (и растущее) число аварий и сбоев в работе оборудования, в основном, связанных с перегревом линий и ложными срабатываниями устройств защиты.

Анализ - исходная ситуация

Текущей схеме электроснабжения не хватает организации и рациональности. Это не совместимо с проектом бесперебойной системы электроснабжения, принятой компанией вначале (питание через различные трансформаторы, ИБП и генератор).
Некоторые элементы не соответствуют современным стандартам. Но даже полное соответствие стандартам не гарантирует адекватную работоспособность с точки зрения качества электроэнергии и электромагнитной совместимости для здания с критически важными функциями.

Схема распределительной сети


Схема распределительной сети  является нерациональной и бессистемной, вероятно в связи с многочисленными изменениями начальной схемы. Существуют важные ограничения, связанные с резервом мощности и бесперебойным питанием. Некоторые узкие места присутствуют, например, на уровне основной шины питания LV  (Рис. 1). Два трансформатора не являются независимыми

Перегрев линий

Из-за высокой плотности оборудования информационных технологий, таких как ПК, серверы, и т.д. генерируется большое количество гармонических составляющих тока во многих линиях.
Эти явления приводят к перегреву нейтрали, а также ложным срабатываниям защитных устройств.

Координация между защитными устройствами и линиями

Существующие возможности некоторых линий с их  большой перегрузкой по току не согласованы с устройствами защиты. Прокладка в одном канале большого числа линий создает проблемы, так как это приводит к значительному повышению в нем общей температуры.  
Анализ поврежденных линий показал, что причиной аварии был именно длительный перегрев линии в канале. Поэтому при прокладке кабелей в канале должны строго соблюдаться соответствующие национальные и международные правила.

Состояние нейтрали

В случае такого распределенного питания с конфигурацией TN-S, необходимо избегать каких-либо дополнительных соединений между нейтралью и землей.
Такие соединения создают альтернативные пути для тока нейтрали, тем самым устраняя все преимущества наличия TN-S системы.

Подход к проектированию

Необходимо модернизировать схему электроснабжения офисного здания с персоналом, работающим в финансовом секторе, так как надежное качество питания считается в этом случае  критически важным. Предлагается рассмотреть обновление электрической системы, из-за проблем, отмеченных в анализе текущей ситуации и измерений качества электроэнергии, на различных уровнях:
- рационализация распределительной сети, и
- обновление электрической схемы на этажах.

Класс нагрузки


Для оптимизации распределения питания, первым шагом является классификация нагрузок. Все нагрузки разделим на 3 группы:

- стандартные;
- льготные;
- привилегированные.

Распределение по мощности (Табл.1):

 

Тип нагрузки

Процент

Стандартная (Standard)

49%

Льготная (Preferential)

13%

Привилегированная (Privileged)

38%




Стандартные нагрузки используются для повседневной деятельности, но их отключение не приводит к травмам, повреждениям оборудования или нарушению бизнес - процессов. Простого радиального контура питания достаточно; в этом случае допускается достаточно большой перерыв в электроснабжении (Табл. 2).

 

Описание стандартной нагрузки

Требования к сети

Время, необходимое для восстановления напряжения в  сети при отключении (аварии)

Обеспечивается нормальное функционирование здания; отсутствие напряжения не приводит к риску для персонала или оборудования:

 - общие услуги, например кондиционер

(но не в серверной комнате);

- обычное освещение;

- отопление;

- розетки.

Стандартная радиальная схема.

Возобновление обслуживания может подождать некоторое время без повреждений.

Нагрузка может быть выключена

Не нормируется.

Допускается относительно большой промежуток времени между отключением и восстановлением питания.


Льготным нагрузкам необходим резервный источник питания, например, как это предусмотрено двойной радиальной схемой, начиная либо с стояков, либо на уровне промежуточных соединений (Табл. 3).

 

Описание льготной нагрузки

Требования к сети

Время, необходимое для восстановления напряжения в  сети при отключении (аварии)

Нормальное функционирование нагрузки не требуется для комфорта и безопасности персонала и клиентов, а также для обеспечения бесперебойной работы бизнеса. Например:

-освещение лестничных клеток, коридоров, и некоторых помещений;

-аварийное освещение;

-отопления или кондиционирования воздуха некоторых помещений;

- лифты;

- ИБП.

Резервное копирование.

Двойная радиальная схема распределительной сети , обеспечение функциональной и физической независимости магистальных линий (фидеров).

Две отдельных фидера могут быть использованы при питании либо от генератора, либо от двух независимых точек сети.

Отключения нагрузки неприемлемы.

Согласно нормам, временной промежуток в 20 секунд является приемлемым для генераторной группы для длительных перерывов:

-первая попытка в течение 5 секунд;

-вторая попытка в течение 10 секунд;

-третья попытка в течение 15 секунд.


Привилегированные нагрузки критически важны. Отключение означает серьезную опасность для персонала, или может причинить значительный ущерб бизнес - процессам организации. Уровень независимого, бесперебойного питания должен быть для каждой нагрузки.
По крайней мере, эти нагрузки должны запитываться от двух независимых фидеров с автоматическим переключением (Табл. 4).

 

Описание привилегированной нагрузки

Требования к сети

Время, необходимое для восстановления напряжения в  сети при отключении (аварии)

Основные услуги:

-бесперебойное питание серверов;

-телекоммуникационные системы;

-оповещение персонала;

-охранная сигнализация и системы безопасности;

-пожарная сигнализация и противопожарные системы;

-видеонаблюдение;

-некоторые другие вспомогательные услуги.

Бесперебойное питание.

Двойная радиальная схема, с независимыми фидерами.

По крайней мере, один фидер должен обеспечить высокую надежность сети.

Использование ИБП.

Для некоторых видов нагрузки можно устанавливать  отдельные ИБП.

Восстановление напряжения (на фидере) в течение  15 секунд.

Короткое прерывание нагрузки в пределах 0,15 секунд.

Для некоторых потребителей необходимо обеспечить непрерывную подачу электроэнергии.




Основные схемы распределения

Чтобы избежать существующих узких мест на главной шине LV, схема должна быть сделана в виде  двойной радиальной распределительной сети (Рис. 7).
 

Image
Рис.7- Новая главная схема электроснабжения здания
 


Трансформаторы TR1 и TR2 выбраны с условием, что каждый из них может нести полную нагрузку. Учитывая что, в силу характера нагрузки, ток нагрузки будет сильно искажен, трансформаторы должны быть рассчитаны с учетом гармонических составляющих.
Для уменьшения токов короткого замыкания возможна в течение короткого времени параллельная работа двух главных трансформаторов.
Для обогрева, вентиляции и кондиционирования, должен быть установлен новый трансформатор TR3 на 800 кВА, как показано на Рис. 7, в дополнение к двум существующим.
Два ИБП питают привилегированные нагрузки в случае выхода из строя постоянного и резервного источника питания.
Импульсный и резервный источник питания подключены по системе TN-S. ИБП может быть подключен либо по схеме TN-S, либо IT. Система с изолированной от земли нейтралью отлично подходит для бесперебойного энергоснабжения, но не может гарантировать защиту персонала. Там, где установлена IT-система, должны быть приняты надлежащие меры безопасности, с доступом к ней только уполномоченного персонала.
Вторая точка общего подключения на главной шине LV была удалена на Рис. 7.
На каждом этаже по-прежнему находятся две распределительных панели, каждая из которых имеет три секции (стандартное, привилегированное и льготное электроснабжение), соответствующие тем же участкам главного распределительного щита LV.
Конечную часть распределительной сети можно сделать с помощью параллельной (Рис. 8) или радиальной (Рис. 9) схемы.
 

Image
Рис.8 - Решение с радиальной схемой – 10 этажей с тремя типами нагрузки – 30 выделенных линий питания.



Image
Рис.9 -Решение с параллельным включением нагрузок на одну линию, соответственно статусу: три типа нагрузки, три фидера, общие для всех этажей.

 
 
Примечание:
Темная линия - питание стандартной нагрузки;
Серая линия - питание льготной нагрузки;
Светлая линия - питание привилегированной нагрузки.
 
Параллельная схема (общие линии, питающие все этажи для каждого типа нагрузки) дешевле и более гибкая в случае роста нагрузки и необходимости реконструкции. К сожалению, она ограничена малой устойчивостью к сбоям в основной линии и фидерах.
Простая радиальная схема (одна линия для каждого этажа и для каждого типа нагрузки) обеспечивает:
- минимальное падение напряжения, вызванное нагрузкой и помехами;
- В случае неисправности, отключается только одна линия конкретного потребителя;
- минимизация и удобство обслуживания – отключается не общий фидер, как в параллельной схеме, а только линия конкретного этажа и потребителя.
Радиальная схема, следовательно, более предпочтительна.



Границы мощности сети

Табл.5 показывает рассчитанную мощность всех основных потребителей системы.


 

Нагрузка

 

 

Проектная мощность

(кВА)

Коэффициент использования

Потребляемая

мощность (кВА)

Установленная

мощность (kVA)

Power

(1)

Light (2)

Power (3)

Light (4)

Power (5)

Light (6)

Power (7)

Light (8)

Первый уровень подвальных помещений

7

10

0.7

1

5

10

6.5

11.5

Второй уровень подвальных помещений

114

15

0.7

1

80

15

104

17.25

Цокольный этаж общего пользования

43

15

0.7

1

30

15

39

17.25

Первый этаж

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Второй

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Третий

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Четвертый

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Пятый

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Шестой

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Седьмой

50

17

0.7

1

35

17

45.5

19.55

Восьмой

29

12

0.7

1

20

12

26

13.8

Девятый

3

2

0.7

1

2

2

2.6

2.3

Центральный тепловой узел

29

0

0.7

20

0

26

0

HVAC (нагревание, вентиляция и кондиционирование воздуха)

843

0

0.7

590

0

767

0

Помещения общего пользования

14

5

0.7

1

10

5

13

5.75

Лифты

114

0

0.7

1

80

0

104

0

Всего

1546

178

--

1082

178

1407

204.7






Общая проектная мощность (графы 1 и 2) умножается на коэффициент использования (графы 3 и 4) для расчета потребляемой мощности нагрузки (графы 5 и 6). Для будущего роста нагрузки, установленная мощность (графы 7 и 8) рассчитывается с учетом дополнительных коэффициентов, равных 130% и 115% соответственно для силовых и осветительных сетей.
С учетом проведенной оценки качества электроэнергии, все новые линии должны иметь сечение, с учетом гармонического состава тока:
- поперечное сечение нейтрали принимается равным сечению фазы;
- сечение кабелей принимается с учетом температурного коэффициента нагрузки.
То есть, особое внимание следует обратить на размеры сечения кабелей, чтобы избежать перегрева и ложного срабатывания защитных устройств. При этом надо учесть, что наличие ИБП или генератора бесполезно, если повреждение линии происходит после него.

Анализ затрат

Стоимость существующей установки, в сравнении с двумя возможными альтернативными вариантами, дана в Таблице 6. Эти варианты отличаются только для магистральных линий, и, следовательно, для покрытия расходов на главном распределительном щите (LV Power Panel).

Вариант 1 -  параллельная  схема, а Вариант 2 -простая радиальная схема, которая является предпочтительной для новых зданий, но трудно реализуема, поскольку требует серьезной реконструкции.



Стоимость при выборе на начальном этапе проектирования

Что касается этой ситуации, то можно выделить следующие моменты:

- проценты относятся к стоимости существующей установки;
- дополнительные затраты на лучшее решение будут низкими, если рассматриваются на начальной стадии проектирования;
- стоимость лучшего технического решения (т.е. Вариант 2 - простая радиальная схема конечной части распределительной сети) отличается лишь на 3% от Варианта 1, если решение принимается на начальной стадии проектирования, но разница будет гораздо больше, если принимается на этапе реконструкции.
- базовые цены относятся к 2001г;
- в стоимость ИБП входит только покупка и установка. Дополнительные затраты на техническое обслуживание должны считаться отдельно.

Даже если средняя оценка затрат, связанных с системой, разработанной в соответствии с хорошим качеством электроэнергии на практике затруднена, следует признать, что:
- стоимость оценки включают в себя расходы, связанные с практическими трудностями установки и обновления здания в центре крупного города;
- модификации основной схемы распределительной сети -  наиболее важное и полезное действие, которое следует предпринять;
- решение с отдельными фидерами для разных групп потребителей очень трудно осуществить в здании, находящемся в эксплуатации.

 

Позиция расходов

Существующий

(€)

Решение 1

(€)

Решение 2

(€)

Стоимость на этапе проектирования

Основной распределительный щит (LV Power Panel)

32 000

35 000

45 000

Фидера

30 000

35 000

60 000

Распределительная сеть на этажах

107 000

135 000

135 000

Генераторная группа

87 000

107 000

107 000

ИБП

55 000

105 000

105 000

Электропривод

355 000

375 000

375 000

Освещение

500 000

525 000

525 000

Всего

1 166 000

1 317 000

1 352 000

Разница в цене

 

151k (+13%)

186k (+16%)

Затраты на реконструкцию

Дополнительные затраты

 

422k (+36%)

543k (+46%)


Заключение

Очевидно, что начальная низкая стоимость системы электроснабжения не обязательно означает удачный вариант. Система, ориентированная на высокое качество электроэнергии, будучи изначально дороже, может сэкономить много денег во время эксплуатации. В тоже время анализ указывает на тот факт, что распределительная сеть, созданная без учета показателей качества электроэнергии, приводит к значительным издержкам при эксплуатации из-за аварий и сбоев оборудования.
 Анализ затрат / выгод показывает, что устойчивость схемы должна быть тщательно продумана на стадии проектирования. Простое увеличение на 16% стоимости распределительной сети (1% от стоимости строительства) обеспечивает:

- три уровня защиты от отключений для критически важных нагрузок (двойные панели на каждом этаже, генераторы, ИБП);
- высокую отказоустойчивость системы, с установленными на каждом этаже двумя распределительными панелями. Панели независимы как друг  от друга,  так и от всех панелей на других этажах.
- гибкость электрической схемы для предполагаемого роста нагрузки.

Дорогая, как на первый взгляд может показаться, цена решения высокой отказоустойчивости системы, как правило, добавляет лишь около 1% к стоимости здания. Проект в соответствии с существующими стандартами не гарантирует с точки зрения качества электроэнергии и электромагнитной совместимости наилучшую производительность; могут быть рассмотрены и другие решения в соответствии с европейскими нормами, имеющие более высокий уровень и находящиеся в настоящее время в стадии подготовки.

Перевод статьи - Николаев В.Ф.

Публикация статьи сделана только в общеобразовательных целях.

Разрешается использовать опубликованный материал только в личных и некоммерческих целях.

При перепечатке и цитировании ссылка на  автора статьи, автора перевода и сайт http://www.ukrm.ru   обязательны.