Установки гарантированного питания статического типа в специальном исполнении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Военный институт (инженерно-технический) Санкт-Петербург

Установки гарантированного питания статического типа в специальном исполнении

А.Е. Ольховский,

И.В. Колесник,

Э.Н. Фоминич

Аннотация - В докладе рассмотрены особенности систем электроснабжения специальных объектов МО РФ и сформулированы основные требования к надежности и живучести систем автономного электроснабжения современных объектов, оснащенных высокочувствительной микропроцессорной техникой, предъявляющей повышенные требования качеству электроэнергии.

Результаты: Проанализированы различные схемные решения и технических характеристики установок гарантированного питания (УГП), позволяющих обеспечивать питание электрооборудования первой категории по надежности электроснабжения. Показано, что, учитывая особенности специальных объектов МО РФ, наиболее перспективными являются установки гарантированного питания статического типа с аккумуляторными источниками питания.

Выводы: Рассмотрены принцип действия, схемные и конструктивные решения установки гарантированного питания статического типа в сейсмостойком исполнении, разработанной для специальных объектов МО РФ. Рассмотрены технические решения по электромагнитной совместимости и защите УГП от электромагнитных излучений современного электромагнитного оружия.

Ключевые слов - установка гарантированного питания; система автономного электроснабжения; качество электроэнергии, электромагнитная совместимость.

Annotation - The report describes features of the systems of power supply of special objects of MOD of RF and main requirements for reliability and survivability of modern facilities of autonomous power systems, equipped with highly sensitive microprocessors, which in turn demand higher electric power quality.

Results: In this work different schematics and technical specifications of uninterruptible power supply units (UPS) were analyzed, such UPS allow to provide electrical power of the first category of power supply reliability. It is shown that, taking into consideration the special MOD of RF facilities requirements, the most promising is uninterruptible supply of the static type with battery power sources.

Conclusions: The operation principle, schematics and designs of the static type UPS systems in earthquake-resistant design, developed for special objects of the MOD RF, were considered, as well as, technical solutions for electromagnetic compatibility and UPS systems protection modern electromagnetic weapons.

Key-words - uninterruptible power supply system; autonomous power supply system; electric power quality, electromagnetic compatibility.

Большинство ответственных потребителей специальных объектов МО для своей нормальной работы требуют не только высокой надежности и бесперебойности электроснабжения, но и высокого качества электроэнергии во всех режимах работы, другими словами гарантированного электроснабжения, гарантирующего высокую надежность, отсутствие перерывов в питании, высокое качество электроэнергии. Гарантированное электроснабжение ответственных потребителей не может быть обеспечено с помощью обычных энергетических средств и требует применения специальных установок, которые получили название установок гарантированного питания (УГП).

Под установкой гарантированного питания понимают комплексную автоматизированную энергетическую установку, предназначенную для непрерывного питания ответственных потребителей электроэнергией высокого качества во всех возможных режимах, включая перерывы в подаче электроэнергии от основных источников.

Следует подчеркнуть, что для специальных объектов МО характерна тенденция непрерывного повышения доли электроприемников категории IA в общем составе потребителей электроэнергии. Это приводит к обострению проблемы гарантированного электроснабжения ответственных потребителей, интенсивному развитию систем гарантированного электроснабжения, повышению их установленной и единичной мощности УГП.

В соответствии с требованиями МО РФ для специальных объектов разработана установка гарантированного питания статического типа в сейсмостойком исполнении (УГП СТ СИ). Она предназначена для бесперебойного питания потребителей трехфазным напряжением 380 В (линейное значение) с глухозаземлённой нейтралью, частотой 50 Гц (вторичная сеть) и поддержания параметров напряжения вторичной сети в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.301-98 при параллельной работе с резервными УГП этого типа, подключенным ко вторичной сети Она обеспечивает контроль параметров на входе при обеспечении питания от внешней сети и в режиме питания от батарей, контролирует выходное напряжение и уровень нагрузки.

Основным отличием данной установки гарантированного питания является двойное преобразование энергии для обеспечения более высокого качества выдаваемой энергии. Питающее переменное напряжение на первом этапе преобразуется в постоянное с амплитудой 200 В. На втором этапе осуществляется увеличение зарядного напряжения до 400 В. Это необходимо для обеспечения отсутствия провала в случае обратного преобразования постоянного напряжения в переменное в момент провалов или пропадания питающего напряжения.

Техническое задание на разработку данной УГП СТ СИ разработано в Военном институте (инженерно-техническом) военной академии материально-технического обеспечения. Специалистами института осуществлялось военно-научное сопровождение ОКР, были разработаны программы и методики проведения испытаний опытных образцов на электромагнитную совместимость, стойкость к сейсмическому действию ядерного взрыва и электромагнитным импульсам современного оружия. На стендах института проведены государственные испытания опытных образцов УГС СТ СИ на сейсмостойкость и электромагнитную совместимость.

В отчете представлены материалы по разработке УГП СТ СИ, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя при написании отдельных разделов или соисполнителя при проведении экспериментальных работ, при научном руководстве специалистов кафедры электроснабжения, электрооборудования и автоматики.

Основными требованиями к УГП являются:

-непрерывность электроснабжения ответственных потребителей во всех режимах работы;

-высокая надежность электроснабжения;

-обеспечение высокого качества электроэнергии в нормальных и переходных режимах.

Дополнительным, но принципиально важным требованием, предъявляемым к установкам гарантированного питания, используемым в специальных фортификационных сооружениях, является требование высокой живучести УГП при воздействии современного оружия вероятного противника, в частности стойкость к электромагнитным излучениям современного оружия и механическому действию ядерных взрывов.

Несмотря на обилие различных конструктивных и схемных решений, сложились некоторые типовые схемы построения источников гарантированного питания. Наиболее перспективными являются УГП переменного тока статического типа с аккумуляторными источниками энергии, выполненные по схеме on-line с двойным преобразованием электроэнергии, которые обеспечивают на питаемых потребителя электроэнергии бесперебойное высококачественное синусоидальное напряжение.

На рис. 1 приведена структурная схема источника гарантированного питания аккумуляторного типа с двойным преобразователем напряжения (on - line).

Рис. 1. Источники гарантированного питания с двойным преобразователем напряжения (on - line)

По данной схеме аккумуляторная батарея постоянно подключена к входу выпрямителя и инвертора и питает последний при аварийном режиме. Диапазон мощностей для данного типа УГП лежит в области 10...100 кВт.

Данная схема построения установки гарантированного питания позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсных и электромагнитных помех) и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства. При этом источник гарантированного питания использует энергию аккумуляторных батарей и выполняет следующие функции:

- поглощение сравнительно малых и кратковременных выбросов напряжения;

- фильтрация питающего напряжения, снижение уровня шумов;

- обеспечение резервного электропитания нагрузки в течение некоторого времени после попадания напряжения сети;

- защита от перегрузок и короткого замыкания.

Для решения задачи обеспечения гарантированного питания в настоящее время представлен широкий спектр устройств с различными параметрами выдаваемой мощности, временем резервирования, быстродействием и надежностью. По эксплуатационным, конструкторским и другим параметрам серийные УГП не удовлетворяют требованиям к условиям функционирования, выдаваемой мощности и быстродействию, предъявляемым к УГП специальных объектов МО. В этом случае появляется необходимость разработки новых устройств, удовлетворяющих предъявляемым высоким требованиям. Наиболее перспективными в настоящее время являются аккумуляторные установки гарантированного питания.

В соответствии с Государственным оборонным заказом на ОКР «Гарант " по техническому заданию МО РФ разработана установка гарантированного питания статического типа в сейсмостойком исполнении (УГП СТ СИ) для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей первой категории. Технические условия на УГП СТ СИ - ЕИЛВ.656443.001 ТУ.

В соответствии с данными техническими условиями промышленность приступила к выпуску установок гарантированного питания статического типа в специальном исполнении «УГП СТ СИ» на мощности 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт и 100 кВт для применения в системах автономного электроснабжения с повышенными требованиями по надежности электроснабжения и качеству вырабатываемой электроэнергии.

Данные УГП СТ СИ предназначены для питания ответственных потребителей трехфазным синусоидальным напряжением 380 В, 50 Гц с глухозаземленной нейтралью и поддержания параметров напряжения вторичной сети с требованиями ГОСТ 27699-88, ГОСТ РВ 20.39. 309-98 для класса аппаратуры 1 по ГОСТ РВ 20.39.304.

Электрическая схема установки приведена на рис. 2. УГП СТ СИ предназначена для обеспечения электроэнергией трехфазных потребителей номинальным напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Она обеспечивает контроль параметров на входе при обеспечении питания от внешней сети и в режиме питания от батарей, контролирует выходное напряжение и уровень нагрузки.

Контроль параметров сети позволяет своевременно реагировать на исчезновение напряжения или отход его величины от установленных границ. УГП СТ СИ обеспечивает время резервного питания, во время которого необходимо выполнить переход на более энергоемкий источник (ДЭС) при 100% нагрузке не менее 15 мин.

Режимы работы УГП:

Основной режим работы УГП СТ СИ - ”On-line”, который подразделяется на два подрежима:

- нормальный и автономный.

Регламентный режим-ручной «by-pass»

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема установки гарантированного питания УГП СТ СИ

На рис. 3 представлена функциональная схема УГП СТ СИ, где показаны все основные элементы установки.

Рис. 3. Функциональная схема УГП СТ СИ: 1 - клеммы входа 380 В 50 Гц 3х фазным напряжением; 2 - клеммы входа-выхода 360… 450 В постоянного напряжения с АБ; 3 - клеммы выхода 380В 50 Гц 3х фазным напряжением; 4 - автоматический выключатель 380 В 50 Гц 3х-фазного напряжения, током 63 А.; 5 - автоматический выключатель 400 В постоянного напряжения током 45 А; 6 - автоматический переключатель 380 В 50 Гц 3х-фазного напряжения; 7, 8, 9, - блоки предохранителей на соответствующее напряжение и токи; 10 - фильтр высокочастотных радиопомех, трехфазный (ФРП); 11 - диодный трехфазный выпрямитель; 12,18 - низкочастотный сглаживающий фильтр; 13 - диодный переключатель; 14 - преобразователи DC/DC; 15 - преобразователи DC/АC; 16 - высокочастотный сглаживающий фильтр;17 - зарядное устройство; 19 - датчики напряжения и тока; 20 - центральная система управления. Напряжение c выхода внешнего аккумулятора поступает через автоматический выключатель АВ3 на вход дросселя L3, служащего для устранений бросков тока при потреблении энергии от аккумулятора в автономном режиме работы. Входы и выходы дросселя шунтированы емкостями С2 и С3, служащими для устранения выбросов напряжений при коммутации АВ3. Выход дросселя L3 подключен к первым входам диодного переключателя

С выхода диодного переключателя VD3 напряжение поступает на вход преобразователя DС/DC. Напряжение с выхода диодного переключателя VD4 поступает на емкостной фильтр С6-С8 и С2-С15, где емкости С6-С8 металлопленочные, работающие в цепи пульсаций входного напряжения, а емкости С12-С15 работающие в цепи постоянного тока. Суммарное значение коэффициента пульсаций с учетом номинального значения выходного сопротивления составляет КП = 20. Напряжение с выхода фильтра поступает на вход преобразователя DС/АС. Если напряжение на входе модуля выпрямления является номинальным, равным 380В 20%, то ток от аккумуляторной батареи не потребляется, так как выпрямленное напряжение равно 540В, а напряжение максимально заряженной батареи составляет 450В.

Если напряжение на входе модуля выпрямления уменьшается плавно до напряжения менее 280В или скачком до нуля, тогда вторые входы диодного переключателя закрываются, а первые входа открыты потребление энергии происходит от аккумуляторной батареи. Соответственно, в не зависимости от открытия первых или вторых входов диодного переключателя напряжение на преобразователях DC/DC и DC/АС присутствует.

Выходная трехфазная схема работает следующим образом: на вход разъема XS3 поступает трехфазное напряжение от преобразователя DC/АС. На входе трехфазной схемы установлены «Т» образные «тяжелые» фильтры. Коэффициент сглаживания напряжения составляет около 20. С выхода фильтров напряжение поступает на вход измерения, через твердотельное реле D53. Измерители DUI2, DUI3 и DUI4 измеряют ток и напряжение в соответствующих линиях линейный ток и фазное напряжение в фазах а1, в1 и с1. С выхода напряжения поступает на автомат АВ2 и bypass KS. Автомат осуществляет отключение тока при перегрузках коротких замыканиях и недопустимых снижениях напряжения. Номинальный ток 40А. Bypass KS позволяет осуществлять обвод напряжения минуя преобразователь при регламентных работ или выходе из строя УГП. В линии трехфазного напряжения включены трансформаторы тока ТТ1, ТТ2 и ТТ3 для контроля линейного тока и передачи его в блок измерений через разъем XS1. Через данный разъем осуществляется также передача контроля линейного напряжения в линии а1, в1 и с1.

Особенностью данной установки гарантированного питания является двойное преобразование энергии для обеспечения более высокого качества выдаваемой энергии. Питающее переменное напряжение на первом этапе преобразуется в постоянное с амплитудой 200 В. На втором этапе осуществляется увеличение зарядного напряжения до 400 В. Это необходимо для обеспечения отсутствия провала в случае обратного преобразования постоянного напряжения в переменное в момент провалов или пропадания питающего напряжения.

Рис. 4 Общий вид шкафа установки гарантированного питания

УГП СТ СИ работает следующим образом: входное напряжение поступает через автомат 4 и плавкие предохранители на ФРП, который обеспечивает подавление выбросов сетевого напряжения и не позволяет высокочастотной помехе проникнуть в сеть и УГП СТ СИ. Подавление помех не менее 40 dB. Переменное 3х фазное напряжение преобразуется в постоянное, диодным неуправляемым выпрямителем 11. Выходное напряжение с блока 11, образуемое суммой двух составляющих: - постоянной и переменной сглаживаются LC фильтром 12, через диодный переключатель поступает на преобразователь DC/DC, блок 14.

Конструктивно УГП СТ СИ выполняется в виде шкафов. На рис.4 показан внешний вид шкафа УГП СТ СИ. Шкаф УГП СТ СИ состоит из четырех основных частей:

- блока защиты;

- блока выпрямления и коммутации;

- блока преобразователей;

- блока измерений и индикации.

Шкафы УГП на мощности 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт и 100 кВт комплектуется одним типом блоков защиты, блоков выпрямления и коммутации, модулей преобразований и управляющими контроллерами.

Увеличение мощности свыше 50 кВт осуществляется за счет параллельного подключения нескольких шкафов УГП СТ СИ одного типа.

В данном типе УГП СТ СИ предусмотрена защита от мощных токов и напряжений, наводимых электромагнитными импульсами ядерных взрывов. Стойкость, прочность и устойчивость к сейсмоударному воздействию соответствует требованиям, предъявляемым к аппаратуре группы 1.2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98. УГП СТ СИ устойчива к сейсмоударному воздействию с амплитудой ударного ускорения 100 (10) м/с2 (g) при длительности полуволн от 30 мс до 50 мс.

Результаты проведенных предварительных и государственных испытаний на стойкость опытных образцов установки гарантированного питания статического типа в специальном исполнении ЕИЛВ. 301243.001.2 с блоком защиты от воздействия электромагнитных полей, токов и напряжений естественного и искусственного происхождения показали что блок защиты УГП СТ СИ, выполненный на базе разрядника РНВ-0,5Н У1, двух ступеней защиты на базе варисторов Epcos AG В80К440 и помехозащитных фильтров обеспечивают защиту установки гарантированного питания на действие импульсного тока ЭМИ ядерных взрывов и токов молнии с амплитудными значениями тока, установленным техническим заданием.

гарантированный питание электромагнитный совместимость

Список литературы

1. Коптев А.А «Устойчивость систем электроснабжения в аварийных и чрезвычайных ситуациях: Учебное пособие для ВУЗов», 1994 год, Москва.

2. Михайлова А.К. «Установки гарантированного питания статического типа» ВИТУ, СПб, 2003 год.

3. Фоминич Э.Н, Ольховский А.Е. Установки гарантированного питания статического типа в специальном исполнении. Научно-практическая конференция «Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях». СПб, 2016, с. 227- 293.

4. Фоминич Э.Н, Ольховский А.Е. Защита установок гарантированного питания статического типа от мощных электромагнитных воздействий источников естественного и искусственного происхождения. Научно-практическая конференция «Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях». СПб, 2016, с. 267-272.

Размещено на Allbest.ru