Звоните с 9:00 - 18:00:

+7 775 030 0705

Понедельник - Пятница:

09:00 - 18:00

Пишите нам:

request@quwatt.kz

Dustrial logo
blog img

Традиционное низковольтное и средневольтное распределение

Первый выбор для сервисного и распределительного напряжения почти всегда 480 вольт. Почему это? Ну, потому что он традиционный, у него безопасная конструкция и в спецификациях написано уже около 480 В. ИБП и резервное агрегатное оборудование легко доступны на 480 В. Вроде бы все подходит. Но это не так. Давайте подробнее рассмотрим, почему это работает не на всех объектах.

Несмотря на экономический спад во всем мире, одной из областей бизнес-инвестиций, которая из года в год продолжает демонстрировать уверенный рост, являются критически важные приложения, такие как центры обработки данных и больницы, что неизбежно увеличивает размер инфраструктуры.

Поскольку цены на энергоносители продолжают расти, сокращение расходов, связанных с электроэнергией, как никогда важно. Настало время компаниям поближе взглянуть на эти инструменты, специально разработанные для обеспечения того, чтобы такие объекты максимизировали свои потребности в энергии.

Подумайте о типичном повседневном потреблении данных предприятиями и людьми: в настоящее время все ожидают, что их Netflix начнет потоковую передачу мгновенно, их покупка Amazon будет проходить гладко, образовательное программное обеспечение в реальном времени, образовательные курсы, видеочаты с дедушкой и регулярная электронная почта с вложениями. Эти данные необходимо создавать, обрабатывать и хранить. Современный пользователь хочет получить информацию сейчас, но он не обязательно понимает или ценит огромную инфраструктуру, необходимую для ее хранения или отправки по всему миру.

Любая поддерживающая энергетическая инфраструктура должна иметь резервную копию, необходимую для сведения к минимуму ущерба. Эффективная система бесперебойного питания (ИБП) и резервный генератор являются основой системы.

Устройство, называемое ИБП, иногда называемое «резервным аккумулятором», позволяет центрам обработки данных продолжать работу, переключаясь на генератор или другой надежный источник питания.

1. Типовой коммерческий дизайн источника питания

Типичная коммерческая схема электроснабжения объекта включает в себя инженерную сеть (обычно среднего напряжения), устанавливаемый на плите или распределительный понижающий трансформатор с подземным вторичным фидером низкого напряжения, главный распределительный щит с главным выключателем и опциональным резервным дизель-генератором и передающими устройствами.

Некоторые объекты могут дополнительно иметь систему ИБП для передачи критических нагрузок посредством коммутации.

typical commercial design facility power system
Рисунок 1 – Типовой коммерческий проект энергосистемы объекта

Стандартные системы электропитания не являются предметом данной технической статьи. 

2. Технология ИБП среднего напряжения

Тенденция в интернет-индустрии и ИТ-индустрии к большим центрам обработки данных требует увеличения потребности в высоконадежном электричестве в отдельных местах. Крупные важные промышленные процессы становятся все более и более зависимыми от уровня качества электроэнергии, которого нет в общественной сети.

Поскольку распределение низкого напряжения с его высокими уровнями тока технически и финансово нецелесообразно, распределение электроэнергии в этих установках осуществляется с использованием технологии среднего напряжения.

На рис. 2 показано, как большие системы позволяют консолидировать трансформаторы и снизить затраты благодаря различной конфигурации.

power supply design comparison
Рисунок 2 – Сравнение конструкций блоков питания

Подобно ИБП среднего напряжения, централизованная система бесперебойного питания (ИБП) большой мощности является практичным технологическим вариантом, особенно если она построена со встроенным дизельным роторным ИБП (DRUPS).

Благодаря меньшему количеству требуемых трансформаторов технология ИБП среднего напряжения снижает требования к пространству и снижает потери при распределении после ИБП. Использование высококачественной системы ИБП удерживает токи короткого замыкания на допустимом уровне, сохраняя при этом высокий уровень надежности распределения электроэнергии.

Параллельное подключение двух или более ИБП высокой мощности или систем DRUPS к одной общей выходной шине в конфигурации N+x позволяет распределить сети среднего напряжения без значительного количества низковольтных коммутационных устройств для обеспечения резервирования.

Интерфейс «сеть-нагрузка» линейного интерактивного ИБП можно переключать с компонентов низкого напряжения на компоненты среднего напряжения, используя его модульную конструкцию, но основные компоненты ИБП и хранилище остаются прежними. Это обеспечивает положительный и комфортный опыт эксплуатации и обслуживания надежного низковольтного ИБП.

Описаны аспекты пространства и электрических потерь, а также проекты, которые были реализованы в реальном мире для центра обработки данных, аэропорта и завода по производству полупроводников.

Рекомендуемое видео– Крупнейшая роторная система ИБП в Южном полушарии: 20 МВА

3. Потребление и распределение мощности в современных приложениях высокой мощности

За последние десять лет бурно развивающаяся индустрия электронной коммерции увеличила объем физического пространства и электроэнергии, необходимых для работы центров обработки данных. Затем, когда плотность мощности в киловаттах на м 2 возрастает, следовательно, насущной проблемой становится мощность охлаждения. Клиенты и операторы этих центров обработки данных нуждаются в системе бесперебойного питания (ИБП) для обеспечения безопасного и надежного энергоснабжения.

Из-за возможности теплового разгона ИБП часто обеспечивает всю необходимую электроэнергию. В начале 90-х для типичного центра обработки данных требовалось от одного до трех мегаватт, но в настоящее время довольно распространены от десяти до пятидесяти мегаватт на установку.

Кроме того, предприятия химической, пищевой и полупроводниковой промышленности чаще нуждаются в безопасном электроснабжении, поскольку они не могут мириться со значительными производственными потерями, вызванными перебоями в электроснабжении.

Потребность в надежном источнике питания мощностью до 40 МВА возросла по мере увеличения размеров отдельных площадок. Кроме того, производственные площади часто рассредоточены, что требует распределения большого количества электроэнергии по пространству.

Большие расстояния при распределении электроэнергии также должны преодолеваться в таких приложениях, как система освещения взлетно-посадочной полосы аэропорта .

Рисунок 3– Сравнение потребления электроэнергии между странами и дата-центрами

data centers countries electricity consumption
Рисунок 3 – Сравнение потребления электроэнергии между странами и центрами обработки данных

4. Ограничения распределения низкого напряжения в приложениях большой мощности

Каким будет решение?

При низком уровне напряжения в системе 400 или 480 вольт общая шина быстро достигает максимальной мощности около 5 МВА. Мощность сборных шин и выключателей, которая составляет около 6000 А с одной стороны, и распределительных щитов, которые обычно имеют способность к короткому замыканию 100 кА с другой, ограничивают мощность до 5 МВА.

Более высокие оценки по обоим параметрам приведут к резкому увеличению стоимости и габаритов распределительного устройства, а предложение деталей на рынке будет сильно ограничено.

Высокие токи также приводят к относительно высоким резистивным потерям и большим поперечным сечениям меди, что увеличивает стоимость передачи электроэнергии.

Переход на уровень системы среднего напряжения (MV) является одним из методов снижения токов и обеспечения дополнительного увеличения мощности. Максимальная мощность системы увеличивается до 27 МВА при использовании стандартного выключателя среднего напряжения 1200 А и до 57 МВА при использовании выключателя 2500 А при типичном уровне среднего напряжения 13,2 кВ (относительно распространено в США). Возможна номинальная мощность системы до 70 МВА при средних уровнях напряжения до 34,5 кВ.

Те же электрические принципы применяются при распределении питания с помощью ИБП: Параллельное подключение модулей ИБП с низким уровнем напряжения на общей шине подлежит тем же ограничениям.

Рисунок 4 иллюстрирует возможную ситуацию. Проанализируем элементы представленной ниже концепции.

paralleling ups modules high power distribution
Рисунок 4 – Концепция параллельного подключения модулей ИБП в системе распределения высокой мощности

Слева показаны несколько подключенных параллельно модулей ИБП. Перегрузка вторичной обмотки питающего трансформатора и работы вышестоящей шины происходит из-за добавления четвертого модуля (обозначен красным).

Группа ИБП была перемещена на сторону среднего напряжения трансформатора в середине, что решило проблему перегрузки на шине, подключенной к модулям ИБП. Однако, если вы просто используете один трансформатор СН, шина НН будет продолжать работать, несмотря на перегрузку вторичной обмотки.

Для питания нагрузки с правой стороны используются три разных трансформатора, где часть распределения также перенесена на сторону среднего напряжения. Сценарий перегрузки для работы трансформатора и шины низкого напряжения устраняется путем разделения распределения низкого напряжения на три отдельных пути.

5. Интеграция систем ИБП в распределительную сеть среднего напряжения

Добавление трансформатора как на вход, так и на выход распределительной сети среднего напряжения является простым решением для интеграции одного или нескольких стандартных модулей ИБП низкого напряжения. Общее количество компонентов, необходимое пространство и эффективность всей системы электропитания увеличиваются за счет дополнительных повышающих и понижающих трансформаторов.

При использовании встроенного ИБП среднего напряжения можно отказаться от обоих трансформаторов .

Как показано на рис. 5, дополнительные компоненты можно сэкономить, если ИБП высокой мощности заменит четыре или пять стандартных низковольтных ИБП с двойным преобразованием. Работая более эффективно, такое расположение обеспечивает экономию пространства вокруг системы электропитания.

mv ups technology reduces total number components
Рис. 5. Технология ИБП среднего напряжения позволяет сократить общее количество компонентов

Линейный интерактивный ИБП предлагает наилучший вариант для интеграции в систему среднего напряжения из нескольких конфигураций ИБП, доступных на рынке.

На рис. 3 представлен обзор:

  1. Выключатели среднего напряжения и соединительный дроссель, выполняющие роль соединения между сетью и нагрузкой, могут быть установлены в распределительном щите среднего напряжения вместо сопоставимых компонентов низкого напряжения.
  2. Трансформатор среднего напряжения является дополнительной частью и представляет собой интерфейс для остальных стандартных компонентов ИБП низкого напряжения.

Эти общие детали ИБП низкого напряжения включают в себя преобразователь частоты, который соединяет накопитель энергии, синхронный двигатель-генератор, который обеспечивает постоянную и бесперебойную мощность для нагрузки, и дополнительный дизельный двигатель, который подключается через механическую муфту.

Химические батареи или компактные маховики могут использоваться в качестве накопителей энергии для преодоления кратковременных сбоев в сети, пока дизельный двигатель не возьмет на себя нагрузку.

Рекомендуемое видео- Хранение энергии маховика НАСА 360

Тот факт, что все низковольтные компоненты, включая всю электронику управления и программное обеспечение, созданы на основе обычных и тщательно протестированных низковольтных блоков, является значительным преимуществом такой конфигурации.

На рисунке 6 ниже показано электрическое (однолинейная схема) и физическое (серые прямоугольники) расположение компонентов системы.

design integrated medium voltage diesel rotary ups
Рисунок 6 – Конструкция интегрированного дизельного роторного ИБП среднего напряжения (DRUPS), показывающая электрическое (однолинейная схема) и физическое (серые прямоугольники) расположение компонентов системы

6. Концепции резервирования

Высококачественный источник питания для критически важных приложений основан на идее резервирования. Существует несколько хорошо известных и проверенных решений для систем низкого напряжения, включая концепцию параллельного резервирования N+1 и схему резервирования системы N+N с двумя резервными фидерами A и B, которые могут соединять двухкабельные нагрузки.

Концепция резервирования является НЕОБХОДИМОЙ для высококачественного источника питания для критически важных приложений. Существует несколько хорошо зарекомендовавших себя и проверенных решений для систем низкого напряжения, таких как концепция параллельного резервирования N+1 или схема резервирования системы N+N с двумя резервными фидерами A и B, к которым можно подключить нагрузки с двойным кабелем.

Эти концепции и устройства могут быть легко применены к конфигурации среднего напряжения без каких-либо затруднений. Они представляют собой простые установки, с которыми легко работать операторам и обслуживающему персоналу.

На рис. 7 показаны однолинейные схемы таких резервированных систем. Опять же, распределение мощности от места установки ИБП к трансформаторам нагрузки осуществляется при среднем напряжении.

mv ups modules redundant system configurations
Рисунок 7 – Модули ИБП среднего напряжения в конфигурациях системы с резервированием

Изолированная параллельная система (IP-система) — это совершенно новая передовая технология, направленная на достижение резервирования при одновременном снижении мощности короткого замыкания. Каждая нагрузка питается от отдельных частично загруженных модулей ИБП. Когда модуль ИБП выходит из строя, назначенная нагрузка будет питаться через общую IP-шину, в которую каждый модуль ИБП вносит свой вклад через IP-дроссель.

Принципиальная конструкция IP-системы среднего напряжения показана на рис. 8, что позволяет разработать высоконадежную систему электропитания, имеющую некоторые преимущества по сравнению с двумя предыдущими системами.

mv ups modules integrated ip system
Рисунок 8 – Модули ИБП среднего напряжения, интегрированные в IP-систему

7. Площадь пола и потери в больших системах

На производственных объектах или в центрах обработки данных площадь помещения является одной из основных проблем, связанных с затратами. Сокращение пространства, необходимого для инфраструктурного оборудования, такого как источник питания, высвобождает больше места для производственного или информационного оборудования. Площадь для системы ИБП часто ограничена, особенно в старых зданиях, однако количество необходимой мощности растет.

Современные модули ИБП высокой мощности с накоплением кинетической энергии в технологии низкого или среднего напряжения очень хорошо подходят для решения этой проблемы.

В таблице 1 вы можете сравнить занимаемое пространство между различными концепциями резервирования низкого и среднего напряжения. Для проведения этих сравнений использовалась общая потребляемая мощность 10 МВА и уровень питающего напряжения 13,2 кВ. Типовые значения занимаемой площади для статических и поворотных модулей ИБП, 5-минутных батарей и распределительных шкафов взяты из брошюр производителей. Трансформатор среднего напряжения и дроссель изготовлены из литой смолы сухого типа с опорами, взятыми из реальных проектов.

Полная система состоит из 7 групп, каждая из которых имеет мощность 1670 кВА, и достигается за счет использования либо 3-х параллельных статических ИБП, либо 1 вращающегося блока для каждой группы. Вращающийся блок имеет маховик, а каждый статический блок имеет 5-минутную батарею. 7-я группа добавляет избыточность, делая конфигурацию 6+1.

Таблица 1– Сравнение пространства, необходимого для системы ИБП с резервированием 10 МВА, 13,2 кВ, N+1, в различных концепциях проектирования

Distrib. voltageUPSGroupsSpace Required
TypeVoltagePowerEnergy StoreUPS per groupNo. of groups
LVStaticLV600 kVABattery37692 m2
MVStaticLV600 kVABattery37921 m2
MVRotaryLV1670 kVAKinetic17151 m2
MVRotaryMV1670 kVAKinetic17154 m2

При сравнении первой и второй строк в Таблице 1 видно, что размещение статических ИБП низкого напряжения между повышающим и понижающим трансформаторами увеличивает общую площадь системы примерно на 25 %. Как видно из строк 3 и 4, использование роторного ИБП как в низком, так и в среднем диапазоне приводит к значительному уменьшению пространства.

Электрические потери также следует учитывать в дополнение к воздействию на окружающую среду. Потери при распределении становятся проблемой, особенно при распределении на большие расстояния, чтобы охватить огромные промышленные объекты или районы рассредоточенных аэропортов. Рисунок 9 сравнивает вышеупомянутые схемы со 100-метровым кабелем между ИБП и нагрузкой.

Типичные потери для ИБП и трансформаторов взяты из каталогов или брошюр. Потери в кабеле были рассчитаны с использованием соответствующего типа кабеля, соответствующего току.

В этом примере в кабеле низкого напряжения потери составляют 1,5 % (линия 1), а в кабеле среднего напряжения потери составляют всего 0,1 %. Это не лучший подход, потому что трансформаторы (линия 2) должны выдерживать дополнительные 2,4% потерь из-за повышающего и понижающего метода. Потери на 0,5% ниже при использовании мощного одномодульного поворотного ИБП (линия 3), но они значительно ниже при удалении повышающих понижающих трансформаторов (линия 4).

Разница между двумя предыдущими цифрами, если сложить потери за год, составляет более 1 миллиона киловатт-часов или почти 100 000 долларов США .

Влияние кабеля будет увеличиваться с увеличением длины распределения, что еще раз улучшит результаты для распределения среднего напряжения.

comparison losses 10 mva 13.2 kv ups distribution design
Рисунок 9 – Сравнение потерь распределения ИБП 10 МВА, 13,2 кВ в различных конструктивных решениях

Тем не менее, кабельная разводка и распределение должны быть сбалансированы с ИБП среднего напряжения и распределительным устройством среднего напряжения с точки зрения инвестиционных затрат. Очевидно, что распределительные устройства среднего напряжения и модули ИБП стоят дороже, чем компоненты низкого напряжения. Для распределения можно использовать меньше меди, особенно в длинных и сложных распределительных сетях, чтобы компенсировать некоторые из этих более высоких затрат.

Если по техническим причинам требуется решение среднего напряжения, использование реальных модулей ИБП среднего напряжения более рентабельно и более эффективно, чем любая интеграция стандартных модулей ИБП низкого напряжения в распределительную сеть среднего напряжения.

8. Примеры:

8.1 ИБП среднего напряжения в полевом освещении аэропорта

Источники питания высокой надежности традиционно использовались в связанных с безопасностью установках в аэропортах, таких как радиолокационные системы, диспетчерские вышки и освещение аэродромов. Эти жизненно важные нагрузки широко рассредоточены по аэродрому, поэтому часто используется электрическое распределение среднего напряжения.

На рис. 10 показан пример системы электроснабжения среднего напряжения, в которой используются четыре модуля дизельных ИБП мощностью 1670 кВА, соединенных параллельно с резервированием, для обеспечения питания общей нагрузки 3,8 МВт при уровне напряжения 20 кВ. Общая протяженность сети СН составляет 56 километров. ИБП подключается к текущей сети последовательно.

Две группы из двух параллельных блоков в каждой составляют четыре DRUPS. Распределительное устройство обеспечивает работу по схеме n+1 или с резервированием “система-система” в зависимости от потребности нагрузки.

drups configuration airport runway lighting supply
Рисунок 10 – Конфигурация DRUPS для освещения взлетно-посадочной полосы аэропорта

Рекомендуемое видео – Дизельный роторный ИБП Hitec 625 кВА

8.2 Электроснабжение завода полупроводников мощностью 35 МВт

Во втором примере показана система электроснабжения завода по производству полупроводников, который включает в себя когенерационную установку из девяти генераторных установок с двигателями на природном газе по 3,9 МВт каждая. Расстояние между электростанцией и производством составляет несколько сотен метров как при транспортировке тепла, так и электроэнергии.

Общий уровень напряжения 20 кВ. Задача системы ИБП состоит в том, чтобы обеспечить интерфейс между основной шиной коммунальных услуг и высококачественной шиной питания, чтобы обеспечить резервирование от коммунального предприятия и предотвратить любые проблемы, связанные с сетью.

В качестве второй важной задачи, ИБП с его маховиком обеспечивает стабилизацию мощности для постоянного уровня напряжения и частоты в переходных режимах.

flywheel based energy storage system
Рисунок 11 – Система накопления энергии на базе маховика Kinetic Power Booster на автозаводе SKODA

В отличие от других систем ИБП, специальный режим работы накопителя на маховике позволяет распределять и поглощать всю доступную мощность. Двунаправленный поток мощности позволяет эффективно регулировать частоту, особенно в переходных ситуациях и в строгих пределах для всей системы.

Однолинейная схема основной компоновки показана на рисунке 12.

combining cogeneration grid backup high quality power supply
Рисунок 12 – Комбинация когенерации и резервного питания от сети с высококачественным источником питания для производства полупроводников

8.3 Резервный ИБП среднего напряжения в высотном центре обработки данных

Последний пример, показанный на рис. 13, объясняет электроснабжение крупного центра обработки данных. Общая нагрузка, состоящая из кратковременной нагрузки 10,8 МВА и нагрузки без паузы 28,8 МВА, близка к 40 МВА. При уровне напряжения 11 кВ система снабжения организована как изолированная резервная система.

В дополнение к одной резервной группе из четырех модулей для обеспечения резервного питания в случае выхода из строя одной из шести основных групп ИБП организованы в шесть основных групп по три модуля в каждой. Таким образом, имеется в общей сложности 22 ИБП, каждый из которых сконфигурирован как дизельный ИБП среднего напряжения и предлагает 1600 кВА постоянной мощности и 600 кВА прерывистой мощности.

Дальнейшее нисходящее распределение осуществляется в среднем напряжении на отдельные этажи центра обработки данных и заканчивается трансформаторами питания, дополненными статическими переключателями, расположенными рядом с ИТ-оборудованием.

single line diagram redundant 40 mva high quality power supply system
Рисунок 13 – Однолинейная схема резервированной системы высококачественного электроснабжения мощностью 40 МВА для интернет-центра обработки данных

Изолированная резервная линия реализована с использованием двух разных маршрутов питания нагрузок: первый на уровне СН с автоматическими переключателями (АВР) перед питающими трансформаторами, а второй на уровне НН, питающий непосредственно от статического электричества автоматические переключатели (STS), подключенные к нагрузкам.

9. Заключение и что делать дальше

Тенденциями сегодняшнего дня являются увеличение удельной мощности и повышение общей потребности в электроэнергии на отдельных объектах в сочетании с растущими требованиями к высоконадежному питанию в ИТ-бизнесе и на производственных объектах. Система электроснабжения должна отвечать подходящими конструкциями ИБП и распределения.

Переход на уровень среднего напряжения является подходящим технологическим решением, так как, с одной стороны, мощные низковольтные системы вызывают ограничения по току в распределении, а с другой стороны, часто приходится шунтировать большие расстояния. Системы среднего напряжения повышают эффективность распределительной сети за счет уменьшения размера кабеля и потерь.

Кроме того, использование встроенных модулей ИБП высокой мощности среднего напряжения сводит количество компонентов к минимуму. Базовые части этих модулей взяты из стандартного и проверенного низковольтного оборудования, в том числе управляющее и программное обеспечение.

ИБП среднего напряжения позволяют четко спланировать конфигурацию системы высокой мощности, удерживая ее сложность в управляемых пределах.

Рекомендуемое видео– Установка DRIPS на площадке центра обработки данных: как это выглядит

Экономия фактических затрат является одним из явных преимуществ перехода на систему среднего напряжения. Например, система распределения электроэнергии 480 В требует использования большего количества материалов, связанных с распределением, включая медные проводники. Учитывая экспоненциальный рост цен на медь, это очень раздражает.

Для систем среднего напряжения требуется все меньше и меньше проводников, что снижает высокую стоимость меди.

Метод DRUPS позволяет избежать «традиционных» ограничений и позволяет построить инфраструктуру объекта на средних уровнях напряжения с последующим распределением с использованием медных кабелей гораздо меньшего размера на тех же средних уровнях напряжения. Кроме того, это дает пользователям этой мощности возможность гибко регулировать уровень напряжения в соответствии с инфраструктурой охлаждения и различными приложениями арендаторов в зале обработки данных.

Например, использование двигателей 4160 В для охлаждения помещения может быть более эффективным, чем использование серверов 415 В/240 В для операционной системы одного арендатора или серверов 480 В/208 В для другой арендатора. Распределите среднее напряжение в области, где оно будет использоваться, а затем понизьте уровень по мере необходимости.

Хотя статический ИБП часто является самым простым вариантом, он не обязательно является лучшим. Прямо сейчас изучите роторные системы ИБП, особенно работающие на дизельном топливе .

Насколько полезной была эта информация?

Нажмите на звездочку, чтобы оценить!

Средний рейтинг / 5. Подсчет голосов:

Голосов пока нет! Будьте первым, кто оценит эту страницу