В помощь специалисту: современный подход в построении систем АВР

Современная жизнь, как в быту, так и в промышленности, полностью зависима от бесперебойного энергоснабжения, добиться которого можно при помощи резервных источников питания. Именно на них в случае выхода из строя основного источника электроэнергии ляжет вся нагрузка.
 
Основная задача инженера, проектирующего систему питания – исключить возможные сбои при переводе на резервные источники электроснабжения. Иначе не избежать опасных последствий, как это было, например, на АЭС в Чернобыле и Фукусиме, когда не удалось ввести электрический резерв для устройств охлаждения реактора.

 Сегодня самым распространённым решением для поддержания бесперебойного питания является автоматический ввод резерва (АВР). Данное устройство представляет щит, в котором установлено коммутационное оборудование, осуществляющее переключение с основного источника питания (от которого постоянно работает нагрузка) на «запасной».
 
При разработке и обустройстве систем ввода резерва часто возникает целый ряд технических вопросов. Разобраться с некоторыми из них помогут эксперты:

Геннадий Горбунов, специалист компании «Электрощит-ЭМ», работающей в сфере энергетики, проектирования и монтажа;
Алексей Визер, специалист компании «ЛВС Инстал», занимающейся созданием энергетических объектов;
Алексей Ремизов, специалист компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.

Что может выступать в роли резервного источника электрической энергии?
 
Геннадий Горбунов (Г.Г.): На практике в качестве резервного источника, как правило, выступают:

– смежные секции сборных шин, получающие питание от других трансформаторов или линий;

– автономные источники, такие как дизель-генераторы, или источники бесперебойного питания (ИБП) на аккумуляторных батареях.

Выбор того или иного типа резервного источника зависит от технических требований, предъявляемых к системе. Например, для питания потребителей I категории электроснабжения, обесточивание которых может сказаться на безопасности людей и вызвать значительный ущерб, чаще всего применяются независимые источники питания. Ими могут быть близкостоящие трансформаторные подстанции или генераторные установки (как правило, с дизельными двигателями).

Источники бесперебойного питания применяются довольно редко. Мы выполняли несколько проектов центров обработки данных (ЦОД) в аэропортах, там как раз есть необходимость установки ИБП. Но такие решения получаются дорогими и довольно громоздкими, ведь под аккумуляторы выделяется целое помещение.

Алексей Визер (А.В.): В использовании дизель-генераторов (ДГУ) есть один нюанс – оборудованию нужно время, чтобы выйти на номинальный режим работы. Некоторым машинам для запуска необходимо около 1 минуты. Поэтому для ответственных потребителей необходимо применять источники бесперебойного питания. Например, в больницах (помещениях операционных) при аварии ИБП должен обеспечить подачу питания, чтобы врачи могли закончить работу.

ВРЕЗКА. Категории электроснабжения
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ):
I категория – электроприёмники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции, расстройство технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Такие потребители должны обеспечиваться энергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. Перерыв их электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания;

В I категории потребителей выделяют особую группу электроприёмников, для электроснабжения которой должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.
II категория – электроприёмники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям рабочих механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Для этой категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. Допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Для электроприёмников III категории (все остальные электроприёмники, не подходящие под определения I и II категорий)  электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены повреждённого элемента системы электроснабжения, не превышают одних суток.

Какие требования предъявляются к АВР?
Алексей Ремизов (А.Р.): Выделяют следующие общие требования:

– Схема АВР должна приходить в действие при исчезновении напряжения в линии потребителя по любой причине, в том числе при аварийном, ошибочном или самопроизвольном отключении выключателей рабочего источника питания;

– Включение резервного источника питания должно производиться с задержкой по времени, исключающей ложные срабатывания АВР. Либо без задержки, в случаях, когда не допускается даже кратковременная потеря питания: например, больницы, центры обработки данных (ЦОД), аэропорты;

– Устройство АВР не должно приходить в действие до отключения выключателя рабочего источника, чтобы избежать одновременного подключения двух источников, которое может привести к аварии в системе.

Какие бывают схемы автоматического ввода резерва?
 Г.Г.: В простейшем варианте подключения используются 2 источника энергии: резервный и основной. Они предназначены для бесперебойного энергоснабжения одного потребителя. Такие схемы принято называть «2 в 1».

Для некоммерческих и промышленных предприятий применяются более сложные схемы и их комбинации. Например, довольно распространённая схема «2 в 2» (два рабочих ввода на две секции шин потребителя) используется в качестве АВР в низковольтных трансформаторных подстанциях на стороне 0,4 кВ и обеспечивает бесперебойное электроснабжение городских объектов инфраструктуры. Для потребителей особой группы, где необходимы три независимых источника, используются схемы «3 в 1» (каскад) и «3 в 2».

Однако не всегда удаётся решить вопрос 100%-го резервирования. В таких случаях следует обеспечить питанием только критически важное оборудование: к примеру, в больнице – аппарат искусственной вентиляции лёгких в отделении реанимации; взлётно-посадочное освещение аэродромов и пр.
 
А.Р.: Как правило, каждый потребитель подключается к секции шин распределительного устройства низкого напряжения (РУНН) с помощью автоматического выключателя. При переключении такой секции на резервный ввод мощности источника может быть недостаточно для суммарной нагрузки секции шин. В таких случаях часть неприоритетных нагрузок может быть отключена для сохранения энергетического баланса системы.
Если говорить о технической реализации схем, как правило, АВР выполняется на контакторах, автоматических выключателях или реверсивных выключателях нагрузки с моторным приводом и блоками управления. Выбор коммутационного оборудования в схемах АВР в первую очередь зависит от номинальных токов, типа схемы («2 в 1», «2 в 2», «3 в 2»), уровня диспетчеризации и автоматизации потребителя энергоресурсов.
 
Рис. 1. Решения для ввода резерва от компании АББ

Как реализуются схемы АВР на контакторах?
А.Р.: Такая схема выполняется для АВР типа «2 в 1». Для этого используется два контактора, каждый из которых контролирует параметры своего – основного или резервного – ввода. Иными словами, если происходит обесточивание на шине основного ввода, то первый контактор разрывает сеть, а второй контактор подключает резервное питание, поступающее, допустим, от трансформатора. Причём включить оба контактора нельзя, так как между ними есть механическая и электрическая блокировки. Для защиты оборудования от перегрузки и токов короткого замыкания (КЗ) в таких схемах используются автоматические выключатели или предохранители.
 
А.В.: Схемы АВР на контакторах являются самыми быстрыми (время переключения может составлять 50 мс) по сравнению с выключателями. А на небольшие токи (до 100 А) ещё и наиболее экономически целесообразными. Однако есть и минусы – это зависимость от напряжения питания. При просадке или потере питающего напряжения контактор отключится и потребитель будет обесточен.

Как реализуется АВР на автоматических выключателях?
Г.Г.: Автоматические выключатели имеют большие возможности и могут использоваться для организации сложных схем АВР. В базовых исполнениях эти аппараты оснащены функциями защиты от перегрузки и токов КЗ. Для дистанционного управления каждому выключателю необходимо предусмотреть моторный привод, а для блокировки от одновременного включения на два источника питания требуется электрическая или механическая блокировка.

А.В.: Хочу согласиться со своим коллегой, схемы АВР на автоматических выключателях являются достаточно сложными и требуют от проектировщиков и монтажников высокой профессиональной подготовки.

А.Р.: Кроме функций АВР, автоматические выключатели позволяют осуществить контроль и управление энергосистемой дистанционно, т.е. построить систему диспетчеризации, что является неотъемлемым требованием для современных систем электроснабжения ответственных потребителей.

Как реализуются решения АВР на базе реверсивных выключателей с блоками управления?

А.Р.: Такие решения являются самыми простыми и надёжными. Конструкция реверсивного выключателя нагрузки представляет собой два выключателя, сблокированных между собой и исключающих одновременную работу. Для автоматического управления выключатели оснащаются моторным приводом.
Исходя из описанной конструкции аппарата очевидно, что для реализации схемы автоматического ввода резерва достаточно одного коммутирующего устройства, а не нескольких, как в вышеописанных случаях. Также решения на реверсивных выключателях являются самыми компактными. Всё это позволяет значительно уменьшить расходы при выборе и сборке шкафа.
 
Реверсивные выключатели с моторным приводом могут управляться внешними сигналами от реле или контроллера и могут быть включены в состав сложных систем электроснабжения. Для управления схемой «2 в 1» с ДГУ реверсивные выключатели могут комплектоваться блоками OMD. В одном компактном блоке серии OMD (сегодня доступны три версии: OMD200, OMD300 и OMD800) объединены все функции управления. Он контролирует напряжение и частоту; имеет уставки задержки по времени переключения АВР для пуска и останова генератора; обладает возможностью задания приоритета линий и может работать в одно- и трёхфазных сетях.

Самый многофункциональный блок, OMD800, оснащён ЖК-дисплеем. Устройство имеет возможность индивидуальных настроек параметров основной и резервной линии, а в случае несоответствия им питающего напряжения потребитель будет отключён для исключения аварийного режима работы. Помимо управления источниками питания, блок может управлять нагрузками потребителя и при работе от резервного источника отключать неприоритетные линии. Все необходимые параметры отображаются на экране блока и могут передаваться в цепи диспетчеризации по универсальному протоколу Modbus. Устройство имеет русскоязычный интерфейс.
Преимущества этого решения состоят в простоте выбора, монтажа и настройки. Компактность изделия позволяет уменьшить стоимость решения, а заводская сборка обеспечивает высокую надёжность и безопасность эксплуатации.

 
Как видно из вышесказанного, каждое оборудование имеет свои достоинства и недостатки, и выбор схемы реализации автоматического ввода резерва остаётся за специалистом. При этом не стоит забывать, что зачастую квадрат с надписью «Блок/Щит АВР» на чертеже в реальности представляет собой десятки пунктов спецификации и несколько часов сборки, монтажа и пуско-наладки. Сегодня же можно легко «переложить» эти задачи на плечи производителя и пользоваться уже укомплектованными решениями.