EN UPS Szabvány. Szünetmentes berendezések osztályzása. 3.lépés: Kimenet dinamikus tulajdonsága

Magyar Mérnöki Kamara ELEKTROTECHNIKAI TAGOZAT Kötelező szakmai továbbképzés 2014

Szünetmentes áramellátás

1

3.lépés: Kimenet dinamikus tulajdonsága

2. lépés: Kimeneti jelalak

1. lépés: Kimenet függetlensége

IEC 62040-3 / EN 50091-3 szerint

Szünetmentes berendezések osztályzása

2014. október 10.

UPS Szabvány IEC 62040-3 / EN 50091-3

TARTALÉK ÁRAMELLÁTÁS


I

F

V

V

D

I


Az UPS kimeneti feszültsége és frekvenciája nem független a betáphálózattól

A hálózati frekvencia változása megjelenik a kimeneti jelalakban, míg a kimeti feszültsége ettől független

Az UPS kimenete független a hálózati feszültség és frekvencia változásától

F

I

F

V

V

V

D

I

OFF-LINE UPS

LINEINTERACTIVE / DELTA CONVERSION UPS

ON-LINE UPS

UPS felépítése az IEC 62040-3 szerint

F

V

Minősítés 1. lépés: Kimenet függetlensége



X

Y

X

Y



Normál üzem

Nem színuszos: aTHD> 0.08 lineáris és nem lineáris terhelés esetén is a harmonikusok értéke az IEC 61000-2-2 szabványban meghatározott értékeken belül van Akkumulátoros üzem

Színuszos: a THD< 0.08, lineáris és nem lineáris terhelés esetén is a harmonikusok értéke az IEC 61000-2-2 szabványban meghatározott értékeken belül van. Nem színuszos: a THD> 0.08és nem lineáris terhelés esetén a harmonikusok értéke az IEC 61000-2-2 szabványban meghatározott értékeken belül van.

1

2

3

Minősítés 3

Minősítés 2

Dinamikus viselkedés üzemmód váltáskor

Dinamikus viselkedés lineáris terhelésugráskor

Dinamikus viselkedés nem lineáris terhelésugráskor

Minősítés 1

Minősítés 3. lépés : A kimenet dinamikus tulajdonságai

S

S

Minősítés 2. lépés: Kimeneti jelalak



S

F

V

Y

X

S

3

1

1

2014. október 10.

3

2

1

Előadó: Vörös Miklós Ügyvezető igazgató +36 30 933 3831 [email protected] www.interpower.hu Szünetmentes áramellátás

Témafelelős: Dr. Kárpáti Attila Címzetes egyetemi tanár +36 30 496 0663 [email protected] www.aut.bme.hu

Köszönöm a figyelmet!

3

2

1

Kimenet dinamikus tűrése


D

S

I

S

V

I

F

A kimeneti jelalak torzítása

V

A kimenet függősége a hálózattól

Minősítési lépések



13


Dízel aggregátorok

Általános ismeretek

Röviden a dízel aggregátokról

2014. október 10.

TARTALÉK ÁRAMELLÁTÁS Dízel aggregátorok


1

3


 Continuous teljesítmény (COP)  Korlátlan idejű Prime teljesítmény (PRP)  Korlátozott idejű Prime telj. ( LTP)  Standby teljesítmény (ESP)

ISO 8528 Part 1 adja meg a teljesítmény definíciókat

Teljesítmény definíciók

Légszűrők

Vezérlés

Üzemanyagtank

Hűtő

Generátor

Motor

Az áramfejlesztő


t1

(8760 h/év, mínusz szervíz)

t1 Karbantartási leállások

COP dízel erőmű


1 év

t1

Idő

COP Elsődleges hálózati betáp konstans 100% teljesítmény, évi korlátlan üzemidő. Ez a teljesítmény nem terhelhető túl

Continuous teljesítmény


A COP szerint üzemelő generátorok a hálózathoz vannak kapcsolva.

Teljesítmény

Átlag

Teljesítmény

t1

t2

t4

t5

t6

t7

Idő

PRP Alkalmazás

A gép 24 óránkénti terhelési átlaga nem lépheti túl a PRP teljesítmény 70%át.

Változó terhelés

Korlátlan éves óraszám

Korlátlan idejű Prime teljesítmény (PRP): (8760 óra/év mínusz szervíz)

A daru emelési kapacitása 40 tonna, mozgása 135 méter / perc

500kVA teljesítményű aggregát hajtja a konténer rakodó darut.

Kone Cranes


t3

70%

100%

Prime Teljesítmény


t1

Átlag

t1

t2

t3

1 év

t4

t5

t6

t7

Idő

70%

100%

Ha az éves üzemidő meghaladja az 500 üzemórát, Continuous teljesítményszintre kell méretezni

A terhelés nem haladhatja meg a Prime teljesítményt.

 Állandó terhelés

 Korlátozott óraszám 500 h/év

Korlátozott üzemidejű Prime teljesítmény (LTP):

Idő

Nincs tervezett kiesett üzemidő.

 Az átlagteljesítmény 70% -a standby teljesítménynek

Nem lehet több mint 200 h/év

Vészüzemi teljesítmény a hálózakiesés idejére.

ESP

t1 t7 Kevesebb mint 200 üzemóra évenként


1 év

t1

500 h/év max

t1 Leállás karbantartás miatt

Prime Teljesítmény


Vészüzemi Standby teljesítmény

Teljesítmény Teljesítmény

Gépészeti ismeretek



Continuos teljesítmény 1028 kVA

Korlátozott idejű Prime teljesítmény 1400kVA 500h/év állandó terhelésen

Korlátlan idejű Prime teljesítmény 1400kVA A 24 órás átlagteljesítmény (70%) 980kVA

Standby teljesítmény 1675kVA A 24 órás átlagteljesítmény (70%) 1172.5kVA Üzemidő korlát: 200h/év

Nézzünk egy példát: C1675D5


Levegő be zsalu

Flex.elem

14

Levegő ki zsalu

Meleg levegő ki

Az egyenes átszellőztetés a kulcsa a megfelelő gépműködésnek!

Radiator

Gépház szellőzés


 Szellőzési rendszer:  Biztosítja a motor égéslevegőjét  Biztosítja a generátor hűtőlevegőjét  Elviszi a sugárzó hőt a helységből  Hűti a motort a hűtőn keresztül

Hűtőlevegő be

13

Üzemanyag be

Mechanikai energia

Elektromos telj. 35%

Sugárzó hő 10%

Hűtőrendszer 25%

Kipufogógáz 30%

 Forgó mechanikai energia / elektromos energia  Hő

A motorban elégetett üzemanyagból:

Az aggregát energia mérlege


Helység szellőztető ventillátor

Hűtő

szélirány

Uralkodó

A környezet figyelembe vétele


16

A helység levegőjének hőmérséklete megemelkedik, a hűtőradiátor nem lesz képes megfelelően hűteni, a dízel aggregát túlmelegedésre (olaj vagy víz) le fog állni.

Végzetes következmény: Meleg levegő visszaáramlás.

15

A helység szellőztető ventilátor által keltett vákuum szívja be a levegőt a gépházba és juttatja át a gépen. Ez több szempontból is előnyösebb lehet mint a gépre épített hűtő, mert ez a gép leállása után is biztosítja a levegő áramlását és így a gép forró alkatrészeinek hűtést és így megakadályozza a helység hőmérséklet túlzott megemelkedését.

Cool Air Flow In

Levegő be zsalu

Külső hűtős gépház


17

Külső zajok figyelembe vétele


 120-130dB(A)@1m speciális elbánást igényel

Csillapítatlan kipufogó zaj

 rezgés, hajtómű stb.

Mechanikai zaj

 80 – 90dB(A)@1m

Indukciós zaj

 80 – 90dB(A)@1m

Generátor zaj

 100-105dB(A)@1m

Hűtő ventilátor zaj

 100 -110dB(A)@1m

Motorzaj

18

A hűtőlevegő zajcsillapítása













 6 különböző zajforrás:

A különböző zajforrások


20

19

Rezgéscsillapított padló


 Zajcsökkentés 25 - 35 dB(A)

 Critical Silencer


 Residential Silencer


 Industrial Silencer

Kipufogó „hangtompító”


800 kW

800 kW

Forgórész határ

800 kW, 1000 kVA

Locus of 1000 kVA

Stabilitási határ

Motor határ

Példa generátor teljesítmény

Generátor működési karakterisztika


Villamos ismeretek I.



Gerjesztő állórész

PMG

control output

AVR betáp

állórész

Gerjesztő forgórész

Külső gerjesztésű AVR

kimenő terminál mérés bemenet Alapérték bement

Generáto r állórész

Generátor forgórész

Külső gerjesztésű generátor

PMG forgórés z

& AVR betáp

mérés bemenet

kimenő terminál

alapérték bemenet


vezérlés kimenet

Generáto r állórész

Gerjesztő állórész

Öngerjesztő feszültségszabályzó AVR

Generáto r forgórész

Gerjesztő forgórész

Az öngerjesztő generátor működése


2014. október 10.

Dízel aggregátorok

Előadó: Szalai Gábor CAD-Server Kft. [email protected]

Köszönöm a figyelmet!


26

Kérdések ?


Dr. Karpati Attila, Mosonyi Karoly, Voros Mikl6s

Meghatarozasok A cikk sziinetmentes aramellat6 rendszerek (UPS) osztalyba sorolasaval foglalkozik. Rovid magyarazattal osszefoglalja a hal6zati feszUltseg hi bajelensegeit, majd osztalyozza a megoldasokat a kimeneti feszUltseg jelalakja szerint, ezutan alapelrendezeseket ismertet. The paper deals with the classification of UPS systems. A short summary of the the network voltage failures with an interpretation is given. Thereafter follows a classification using the output voltage form and the basic arrangements are given.

A cikk egy tervezett sorozat elsa resze, amelyben a szUnet mentes aramellat6 rendszerek (to vabbiakban UPS-ek) rend szerbe sorolasaval foglalkozunk. Ez reszben a rendelkezesre all6 szabvanyokban alkalmazott rendszerezesen alapul , de a rend szerezest kiegeszitettUk sajat elkepzeleseinkkel is. Az UPS hal6zatp6tl6 aramforras, amely a legfontosabb egy segen a DClAC inverteren kivUI egyeb fontos egysegeket is tar talmaz, mint pI. az automatikus es kezi hal6zat-inverter atkap csol6 (bypass) eg ysegek. Minasitesenek elsa lepese a kimena kbr parametereinek elemzese. Az UPS kimeneti jellemzai: frek vencia, fazisszam, az alland6sult allapotbeli nevleges feszUltseg es aram, cos(
A HALOZATI FESZOLTSEG HIBAJELENSEGEI Harom alapesetet kUlbnbbztetnek meg, ezek:

- Kulbnbbza idotartamu hal6zatkimaradas, amely alatt a hal6 zati feszUltseg nulla ertek kbzelebe csbkken: (pillanatszeru 10 500 msec, rbvid ideju 1-10 sec, idoszakos 10 sec-5 perc, hosszu ideju > 5 perc). Angolul , mains failure > 10 msec. - Alland6sult allapotbeli hiba: tart6s feszUltsegemelkedes ill. -csbkkenes, harmonikus torzitas, jelalaktorzulas.

Elektrotechnika

'0

A mdsodik betukombindci6 (YY) lehet

Angolul: overvoltage, undervoltage, harmonic distortion. - Tranziens hiba: feszUltsegingadozas, atmeneti feszUltseg emelkedes es -csbkkenes, igen rbvid ideju feszultsegnbve kedes, frekvenciavaltozas, kapcsolasi tranziens, villamcsapas okozta tulfeszultseg, periodikus, nagyfrekvencias zavar6 feszultseg csomag . Angolul: power surge « 16 msec, < 4 msec), power sag « 16 msec), frequency variation, switching transient, voltage burst).

Megjegyzesek - A hal6zatkimaradas oka lehet vezetekszakadas (akar legve zeteken vagy kabeles haI6zaton), vedelmi aramkbrbk mukb dese miatti lekapcsolas (megszakit6k, biztosit6k mukbdese soran bekbvetkezo haI6zatkimaradas). - Legfontosabb jellemzojUk a hosszusaguk (1-10 sec) . Hal6zati zavar (hiba) eseten a vedelmek a hibas szakaszt lekapcsoljak, es egy rbvid kivaras utan megpr6balnak vis szakapcsolni. - (10 sec-5 perc) . Bonyolultabb esetben a hal6zati vedelem tbbbszbr megpr6balja a hibat elharitani, kis szUnettel. - (> 5 perc). Tart6s hiba eseten a hal6zat helyreallitasa tbbb idot igenyel. Akar a hal6zati kep atalakitasa akar javitas aran. Az idoigenyetol fUgg a hal6zatkimaradas hossza, de a karbantar tasi idoszakok is jelentos hal6zatkimaradast jelenthetnek. - A taplal6 hal6zat nem idealis feszultseggenerator. Alapeset ben az idealis generator soros R-L elemekkel es parhuzamos kapacitassal egeszitendo ki , ahol a soros elemeket a hal6zat zarlati teljesitmenye hatarozza meg, a parhuzamos kapacitast pedig a vezetekezes kapacitasai es az esetleges meddokom penzal6 kondenzatorok adjak. Ezert a hal6zat kapocsfeszUlt sege a terheles fUggvenyeben valtozik. Nemlinearis terhele seknel (pI. di6das, tirisztoros egyeniranyit6k), a terhel6aram felhar monikusai altai letrehozott jarulekos feszUltsegeses befolyasolja a kapocsfeszUltseg alakjat. - Nagy (meddo) teljesitmeny alland6sult ingadozasa, (pl . iv kemence mukbdese) alland6sult feszultsegingadozast okoz. Nagy terhelesek ki - es bekapcsolasa (a zarlati lekapcsolas is) feszultsegvaltozast eredmenyez. KUlbn csoportba soroljuk a nagyfrekvenc ias kapcsolasi tulfeszUltsegeket, amelyek a hal6zat R,L,C jellege miatt jbnnek letre, a megszakit6k m u kbdese nyo man. A tranziens tulfeszUltsegek specialis cso portjaba tartoznak a villamcsapas okozta tulfeszUltsegek (a szabvanyo s villamcsapas idofUggvenye 1us/ 50 us alaku, azaz a nbvekedesi ida 1 us, a csbkkenesi ida a csucsertek feleig 50 us). A villamcsapas okozta csucsfeszUltseg kisfeszUltsegu, legvezetekes hal6zaton elerheti a 6,5 kV-ot is.

- SS, a kimeneti hullamforma szinuszos (S inusoi dal), a teljes torzitasi tenyezo 0<0.08, es a harmonikusok az IEC610002 2-ben megadott hatarokon belLiI vannak, minden linearis/ nemlineari s refere nciaterhelesre. XX, nemszinuszos, 0>0.08, es a harmonikusok az IEC61 0002 2-ben megadott hatarokon belLiI vannak nemlinearis refe renci aterhelesre. YY, nemszin uszos, 0 >0.08, es a harmonikusok az IEC61 0002 2-ben megadott hatarokon belLiI vanna k minden linear is/ nemlinearis referenciaterhelesre Megjegyzes: Az SS, XX, YY k6dnal az 1. betu normal Lizemre, a 2. betu akkumulatoros Lizemre vonatkozi k.

-r-----'

100 80 -' _

40

.~~

20

' --~ -

_ .,.

0 -

-20 ;- -

1,2,3, a kimenet dinamikus jellemzoi lehetnek, Z=l, 1. osztaly, Z=2, 2. osztaly, Z=3, 3.osztaly Megjegyzes: A ZZZ k6dnal az 1. betu Lizemm6dvaltaskor; 2. betu a linearis terheles ugrasszeru valtozasakor normal/ akkumulatoros Lizemben; 3. betu a nemlinearis terheles ugrasszeru va ltozasakor nor mal /akkumulatoros Lizemben ertendo.

Pelddk VFI - SS - 111 , az UPS kimenete fLiggetlen a taphal6zat feszLiltsegenek es frekvenciajanak valtozasait61. A kimeneti hullamforma szinuszos, a teljes torzitasi tenyezo 0<0,08, es a harmonikusok az IEC610002-2-ben megadott hatarokon be ILiI vannak, minden linearis/nem linearis referenciaterhelesre, mind normal, mind pedig akkumulatoros Lizemben. A kimenet dinamikus viselkedese mind Lizemm6dvaltaskor, mind linea ris terheles ugrasszeru valtozasakor (normal es akkumulatoros

=----- . . : ..~ _._ 0,1

'.J _ _ "_

-.:....

'- ' - _. _ .___ • . L __

- -- .-

1%.10%

';'---2-'O'/'~. - - - - - --r- -- -- ~ .-. ' Unc1 F1rvoltage transisN limi!

-80

-100

=- 0 .1

10

Lizemben), mind pedig nemlinearis terheles ugrasszeru valto zasakor (normal es akkumulatoros Lizemben), az 1. osztalynak felel meg. Hasonl6keppen:VI - SX -122, VFD - SY - 333, stb. Az igenyes szunetmente s aramellat6 rendszerek a VFI-SS-lll osztalyba sorolasnak felelnek meg.

Az alapelrendezesek mindegyikenel feltetelezzLik, hogy az UPS az energiatarol6 egyseghez (akkumulator), valamint a hal6zat hoz megfelelo zavarszuro egysegen keresztLiI csatlakozik. A hal6zati zavarszuro egyseg egyfelol az invertertol a hal6zat fele megfelelo radi6fekvencias (RF) szurest biztosit, masfelol beme neti tulfeszLiltsegvedo egyseget is tartalmazhat. A hagyomanyos terminol6gia szerint a legmagasabb szintu VFI feltetelnek az online (melegtartalekolt ~ az inverter allan d6an mukiidik) szunetmentes berendezesek (4. es 5. abrak) felelnek meg. A hal6zat zavarszuro egysegen keresztLil taplalja

1000

egyen!ranyito I tOllo

1. dbra 1. oszr6ly est? ebe a kimenerijel/emz" a gorben megodotr rure5en beli.il m(](od 4. dbra Hagy monyo; reh:?pliesu onlin e 5zunermentes berendezes biokkvdzlcJra (m elegrartaleko lr rendszer)

Voltage (%)

100 . 80 . 60 . Overvo:tzge tfanslenllimll

40

Az osztalyozas jelzete egy harmas betu-/ szamkombinaci6, azaz XXX-YY-ZZZ, ahol: XXX - VFI, VI, VFD; YY - SS, XX, YY; ZZZ --+ 1,2,3.

Az elsa betiikombincicio (XXX) lehet - VFI, az UPS kimenete fUggetlen (Independent) a taphal6zat feszultsegenek (Voltage) es frekvenciajanak (Frequency) val tozasait61. - VI , a kimenet fUgg a taphal6zat frekvenciavaltozasait61. - VFD, a kimenet fugg (Dependent) a taphal6zat frekvencia- es feszultsegva Itozasait61.

14% 12% 11% 10.%

_ _ _ _ _ _ _ _ _ +10%

20 Nom inal Value

~-

0 ~_~

_ _ _ _ _ _ _ .10%

-20 -40 .

Undel \'ol!a~e lr an sienl limi!

-60

-80 . -100 0.1

10

100

1000

Transient duration (m s)

megOGOi[ [l,(ber, oehil rnorad

Elektrotechnika

100

1. dbra 3. osztdly eseteben a kimene ij ellemzo a gorben megao'orr [(:iresen belUl morao'

Tiriszt oros

100

-t-10% ·20%

-48%

·60

__ ~

10 Transient duration (ms)

~ijmI---t-! ! ·

_~==:::::::-==--:~:-+I

-60 . -80

--- -~ll

overv'OilJ e uan-s-ien- t

f 1

Value

·40 " - -

.r:n

~i r

t-'-----i - .

60 -_ - -

Nominal

~

I -+----'-'It__ I !. I

_

~

Transient dura tion (ms)

A harmadik betukombindci6 (ZZZ) lehet

-100 ·~-

Az osztcilyozcis szempontjai - A kimeneti feszUltseg jelalakjanak fUggese a bemeneti fe szultseg jelalakjat61 . - A kimeneti feszultseg frevenciajanak fUggese a bemeneti fe szUltseg frekvenciajat61. - A kimeneti dinamikus viselkedese.

Vollage (% )

oerendezes lJIokkvdzlara (melegrarw lekolt ren'Jc,zer)

1000

Villamos Berendezések Villamos berendezések és védelmek

és védelmek

Dr. Kárpáti Attila, Mosonyi Károly, Vörös Miklós a hagyomanyos 6 vagy 12 utemu tirisztoros egyeniranyit6 egy seget vagy a korszeru berendezeseknel a hal6zatbarat teljesit menytenyeza korrekci6s (szinuszos bemeneti aram) bemeneti egyeniranyit6t1akkumulatortoltat. A kimenetet az egyenira nyit6 vagy akkumulator altai taplalt DC/ AC atalakit6 (inverter) taplalja. Tehat az energiaatalakitas ket egymas utan kavetkezo fokozaton keresztUl tortenik, ezert gyakran a kettos konverzi6s online UPS elnevezest hasznaljuk ezekre a berendezesekre. A hal6zat valamint a fogyaszt6i kimenet kazatt elektronikus at kapcsol6 (bypass) talalhat6, azaz a zavarszu rt hal6zat az inverter tartaleka. A VI felteteleknek a line-interaktiv (javitott hidegtartalekolt) (6. abra) es a regi delta konverzi6s (7. abra ) szunetmentes be rendezesek felelnek meg.

KIsut es

Szünetmentes áramellátó rendszerek* II. rész

kimeneti feszUltseget. A fa inverter pedig hal6zatkimaradas ese ten eloallitja a teljes kimeneti feszUltseget. Elonyos tulajdonsa ga a (csak) nevleges hal6zati feszUltsegen es linearis terhelesen j6 hatasfok, ami abb61 ered, hogy normal Uzemben csak reszle ges energiaatalakitas tartenik. A galvanikus elvalasztas hianya hal6zatoldali zarlat eseten szelsoseges esetekben fogyaszt6i oldali zavart is okozhat. A legalacsonyabb kovetelmeny szintO VFD felteteleknek az offline, (hidegtartalekolt) szUnetmentes berendezesek felelnek meg (8. abra). Az offline rendszernel a hal6zat kazvetlenul taplalja a terhelest, legfeljebb zavarszuro egyseget beiktatva. Az inverter itt is csak hal6zati hiba eseten, egy atkapcsol6 egysegen keresztlil avatkozik be. Az atka pcso las ideje alatt nehany ms taplal.3skimaradas jelentkezik. Az ismertetett rendszerek zavarelharit6 kepesseget az IEC 62040-3 alapjan az 1. tablazatban foglaltuk ossze, ahol a Class1, 2, 3 megjegyzes a kimenet dinamikus viselkedesere vonatkozik.

6. cibra Line-interaktiv Clavi 0 hidegrarralekolr re

OSZ (I

szunetmen es berendezes blokkvQzlcfa

Kieses

> 10 ms

x

x

x

2

FeszU Itsegcsakkenes

< 16 ms

x

x

x

3

Tranziens tulfeszUltseg

< 16 ms

x

x

x

4

FeszUltsegcsokkenes

fol yamatos

x

x

5

TulfeszUltseg

folyamatos

x

x

6

Kapcsolasi tranziens

idaszakos

x

7

Tulfeszu Itseg laket

< 4 ms

x

8

Frekvenciava Itozas

idoszakos

x

9

TulfeszUltseg

periodikus

x

10

Felharmonikus torzitas

folyamatos

x

7. tciblcizat

A line-interaktiv rendszernel az akkumulatortalta, inverter es tapfomisvalaszt6 funkci6kat az inverter/konverter egyseg IMja el, amely talti az akkumulatort normal Uzemben, es in verterkent mukodik a hal6zatkimaradas alatt. A fa elonye a kialakitasnak, hogy a fogyaszt6 minden uzemallapotban az inverter/konverter egysegre kapcsol6dik, igy azon ravidebb a hal6zatkimaradast kaveto feszUltsegletOres, es normal Uzemben - a szura es fe szUltsegszabalyoz6 funkci6 eredmenyekeppen - a fogyaszt6i feszultseg stabil, leta res- es tullavesmentes. A delta konverzi6s rendszernel a fogyaszt6 szinten folyama tosan az inverterre kapcsol6dik. A hal6zat es a DC sin kaze ka tott un. delta kon verter normal uzemben tolti az akkumulatort, teljesitmenytenyezo korrekci6t hajt vegre (szinuszos aramfel vetel ), es egyidejuleg a kimenet es bemenet kozott leva delta transzformatoron keresztUI stabilizalja (noveli vagy csokkenti) a

Irodalomjegyzek [1 J lEe 62040-3, (1999, m odified): Uninterru p tible power system s (UPS), Part 3: Method of specifying the performance and tes t requirements [2J EN 50091 -3: Specification for uninterruptible power systems (UPS). Perfor ma nce requirements and te st methods.

Dr. Karpati Attila docens Budapest I...Iuszoki Egyerem [email protected]

Mosonyi Karoly !n\eroo~ vet KfT. [email protected]

Voros Miklos .......

Inrerpo'ller ~fr. [email protected]

26 1

Bombázás, robbanás (bombing)

7

A cikk az első részben az UPS-ek telepítésének indoklásával foglalkozik.a hálózati kiesések hatására keletkező anyagi károk elemzésével. A második részben az UPS-ek megbízhatósági jellemzőinek megfogalmazását adja. A harmadik részben pedig irodalmi adatok alapján különböző áramellátási feladatok megoldására rendszermegbízhatóságot javasol.

Alkalmazott szabotázsakciója (employee sabotage)

3

Tranziens feszültségváltozás (power surge)

3

Hurrikán (hurricane)

6

Tűz (fire)

6

The first part of the paper deals with the motivation of the application of UPS systems, on the basis of the financial losses because of the network outages. The second part contains a short summary and interpretation of the reliability parameters used for the UPS systems. In the third part suitable system reliability will be proposed for various power supply poblems.

Földrengés (earthquake)

6

Viharkárok (storm damage)

12

1. Bevezetés A szünetmentes áramellátó rendszerek (UPS-ek) drága berendezések. Telepítésük mégis sokszor indokolt, mert a közhasznú elosztóhálózat ellátási biztonsága sok fogyasztó számára már nem megfelelő. Indokolt a telepítés, ha − az áramellátás kiesése által okozott anyagi veszteségek a telepítési és üzemeltetési költségeket jóval meghaladják, − ill. a közvetlen károkon túlmenően a létrejövő veszélyhelyzet sem elhanyagolható. Az első csoportba tartozik az erősen számítógépesített üzleti szféra. A második csoportba a nagy energiaellátó/ipari/közlekedési rendszerek irányítása sorolható. Először irodalmi adatok alapján néhány általánosabb adatot ismertetünk: − A tápláló hálózat meghibásodása miatt fellépő közvetlen költségek ~ 150 milliárd USD/év. (Business week 1999) − Az üzleti életben alkalmazott számítógéprendszereknél a tapasztalt havi hálózati zavarok száma ~120. (IBM) − Tipikus üzemi tapasztalat: 9 hálózati kimaradás évente. Ennek az eredő költségkihatása majdnem 3 millió USD, a munkavállalók termelékenységcsökkenésének figyelembevétele nélkül. (Find/SVP) − Érdekességképpen a hálózati feszültségkiesések okainak [2] sokféleségét mutatja az 1. táblázat. − Közvetlenül a számítógépesített üzleti szféra veszteségeire (irodalmi, (USA)) adatok alapján) az 2. táblázat tartalmaz összefoglaló adatokat. Nagyipari rendszerekben a veszteségek jóval nagyobbak lehetnek, nem beszélve a keletkező veszélyhelyzetekről. Érzékeltetésképpen néhány példa: − Energiatermelő és -elosztó rendszerek irányítása (atomerőművek, összefüggő/országos energiaelosztó rendszerek). − Veszélyes technológiákat alkalmazó, vegyipari nagyvállalatok (pl. olajfinomítók). − Nagy közlekedési rendszerek irányítása (vasút, repülőtér).

* A cikk I. része az Elektrotechnika 2012/04 szám 10. oldalától olvasható

2

12

%-os érték

Vízszálltó csővezeték törése (burst water pipe)

Jelenleg már sokféle típusú UPS létezik. Ezek között a zavarelhárító képességük és a megbízhatóságuk alapján lehet

Elektrotechnika

Megnevezés Központi betáplálás kiesése (power outage)

Meghatározások

"I

~

1 táblázat A hibatípusok megoszlása kisfeszültségű hálózaton. (A rendelkezésre állás 99,9%-os)

Elektrotechnika 2 0 1 2 / 0 7 - 0 8

12

Közvetlen hálózati kiesés (network outage)

2

Árvíz (flood)

10

Emberi hiba (human error)

2

Hardver hiba (hardware error)

8

Kezelési hiba (service failure)

1

Szoftver hiba (software error)

5

Egyéb (other)

2

2 táblázat Alkalmazás

Költség USD (1 óra kiesési időre)

Tőzsdei brókercég

(5-7) millió

Hitelkártya-üzletág

(2-3) millió

Call center 800# üzletág

150 000 – 225 000

Repülőjegy-biztosítási üzletág

50 000 – 100 000

Mobiltelefon-szolgáltatás

35 000 – 45 000

ATM szolgáltatás

10 000 – 15 000

választani. A zavarelhárító képességek szerinti osztályozást a megelőző cikkben (Szünetmentes áramellátó rendszerek, I. rész) ismertettük. Jelenleg a megbízhatóság szerinti csoportosítással foglalkozunk. Az UPS-ek megbízhatósági jellemzői statisztikus jellemzők. A 2. pontban az ezekkel kapcsolatos legfontosabb alapfogalmakat foglaljuk össze, azok rövid magyarázatával együtt. A 3. pontban a különböző alkalmazásokhoz javasolt megbízhatósági kategóriákat ismertetjük irodalmi adatok, szabványok, és vezető gyártók ajánlásai alapján. Az "összefoglalás" rövid összefoglaló elemzést tartalmaz. 2. Az UPS-ek jellemzésére használt legfontosabb megbízhatósági adatok − Megbízhatósági szempontból minden rendszernek két alapállapota van, ezek: 0hibátlan állapot, Hhibás állapot. − Tartalékolt rendszereknél a két alapállapot között köztes állapotok is fellépnek, amikor a rendszer bizonyos részei már hibásak, de a rendszer az eredeti feladatát még el tudja látni.

MTTR, h 3. táblázat Az RÁ, MTBF és MTTR közötti kapcsolat − A közbülső állapotokból lehetséges az elmozdulás MTBF,h 0,25 0,5 1 3 6 12 24 a H (további meghibásodás), ill. 0 állapot (javítás) 5 000 0,9999500 0,9999000 0,9998000 0,9994004 0,9988014 0,9976057 0,9952229 felé. Számításokkal min10 000 0,9999750 0,9999500 0,9999000 0,9997001 0,9994004 0,9988014 0,9976057 den állapotban való tartózkodás valószínűsége 20 000 0,9999875 0,9999750 0,9999500 0,9998500 0,9997001 0,9994004 0,9988014 meghatározható, mint az 50 000 0,9999950 0,9999900 0,9999800 0,9999400 0,9998800 0,9997601 0,9995202 idő függvénye, ahol az n-ik állapotban való tar100 000 0,9999975 0,9999950 0,9999900 0,9999700 0,9999400 0,9998800 0,9997601 tózkodás valószínűsége 200 000 0,9999988 0,9999975 0,9999950 0,9999850 0,9999700 0,9999400 0,9998800 Pn(t). − Az egyes állapotok közöt500 000 0,9999995 0,9999990 0,9999980 0,9999940 0,9999880 0,9999760 0,9999520 ti átmeneteket az egyes 1 000 000 0,9999998 0,9999995 0,9999990 0,9999970 0,9999940 0,9999880 0,9999760 átmenetekhez tartozó meghibásodási ráták (λ) 2 000 000 0,9999999 0,9999998 0,9999995 0,9999985 0,9999970 0,9999940 0,9999880 és az átlagos javítási idők 3 000 000 0,9999999 0,9999998 0,9999997 0,9999990 0,9999980 0,9999960 0,9999920 (μ, MTTR, mean time to repair) határozzák meg. 0,99 2 9-es; 0,999 3 9-es; 0,9999 4 9-es; 0,99999 5 9-es; 0,999999 6 9-es; 0,9999999 7 9-es; − λ(t + Δt) = ΔNH/(N0-NH)/ ΔT = (ΔNH/N0)/ ΔT/(1 – (NH/N0)), azaz egy vizsgált mintából kieső elemszám relatív értékének időegységre 3. A különböző megbízhatósági kategóriák vonatkozó része, [1/h], ahol ΔNH a ΔT idő alatt kieső, N0 a és az alkalmazások összehangolása kiindulási, NH pedig a t időpontig kiesett darabszám. − ΔT  0; N0  ∞ ; esetben lim(NH/N0) = Q, ill. λ(t) = (dQ/dt)/ Jóllehet, az MTBF a leginkább használt fogalom egy berende(1 – Q(t)) = - (dR/dt)/R(t), ahol R = P(t’>t), az életben marazés megbízhatóságának jellemzésére, de a korrekt megítélésdási, Q = P(t’
5. táblázat A 3.2. táblázatban megadott RÁ tényezőkhöz tartozó MTBF értékek RÁ

1 év = 8760 óra

Javasolt alkalmazási terület

μ, h

MTBF,év

μ, h

MTBF,év

0,99

Háztartás (egyszerű)

24

0,27123

12

0,13562

0,999

Háztartás (gépesített)

24

2,73698

12

1,36849

Gyárak

24

27,3945

12

13,6973

Kórház,repülőtér

24

273,970

12

136,984

Bankok

24

2739,72

12

1369,86

On-line üzletág

24

27397,3

12

13698,6

0,9999 0,99999 0,999999 0,9999999

Megjegyzések − A 3.3 táblázat adataiból megállapíthatóan 4 9-es (0,9999) RÁ értékhez már ~ 14 -27 éves MTBF érték tartozik, feltételezve a 12-24 órás javítási időt. − Ez az MTBF érték a jelenlegi technológiai szint mellett még viszonylag egyszerűen megoldható. − Az ennél nagyobb RÁ étékek megvalósításához már speciális elrendezések tartoznak. − A 6 9-es meghibásodáshoz tartozó 1350-2700 év is egyszerűen indokolható. Tételezzük fel pl., hogy a világban csak 100 atomerőmű működik. Ekkor független meghibásodásokat feltételezve 13,5-27 évenként kell egy balesettel számolni. (Itt nem vettük figyelembe, hogy ilyen meghibásodásoknál a 24 órás javítási idő nagy valószínűséggel illuzórikus.) Az [1] szabványban a rendszer megbízhatóság minősítésére 4 megbízhatósági szintet (SILSafety Integrated Level, SIL 1,2,3,4) alkalmaznak.A definíciók két esetre vonatkoznak. − Alacsony igényű üzemben adott ciklusra adják meg a megbízhatóság értékét (kiesési valószínűség átlagértéke), l. 6. táblázat. Példaképpen: feltételezve, hogy a berendezés egy évig működik és a 4. szintnek megfelelően:

Megbízhatósági szint

Alacsony igényű üzem (Átlagos valószínűsége a meghibásodásnak)

4

≥10-5 <10-4

3

≥10-4 <10-3

2

≥10 <10

1

≥10-2 <10-1

-3

λ(av) = 10-5/év, egy évre közelítésképpen 104 órát véve 10-9/hMTBF = 109h100 000 év. A másik véglet szerint, 1. szint, λ(av) = 10-1/ht véve alapul10-5/hMTBF = 105h10 év. Ebben az esetben λ értéke a ciklusidő alatt (a példában az egyszerűség kedvéért 1 évet tételeztünk fel, de ez változó is lehet) nincs megkötve, csak az átlagérték, λ(av). − Nagy igényű, folyamatos üzemben λ [1/h] a besorolás alapja, l. 7. táblázat. Példaképpen: ha a berendezés folyamatosan működik és a megbízhatósága a 4. szintnek felel meg, akkor λmin = 10-9/hMTBF = 109h100 000 év. λmax = 10-8/h MTBF = 108h10 000 év.

Összefoglalás A cikkben irodalmi adatok alapján az UPS-ek telepítését meghatározó, megbízhatósági kédéssekkel foglalkoztunk, ezek: − Becslésszerű adatokat adtunk meg az energiaellátás zavarainak anyagi kihatásaira. − Röviden ismertettük az alkalmazott megbízhatósági számítások alapelveit, és megadtuk az alkalmazott legfontosabb jellemzőket. − Ajánlásokat adtunk a különböző feladatokat ellátó UPS-ek MTBF és RÁ tényezőinek értékeire − Végezetül röviden ismertettük a bonyolultabb rendszerek szabvány [1] szerinti megbízhatósági osztályba sorolását, (SIL) Irodalomjegyzék [1] en-61508 (2001. december): Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety- related systems. Part 1: General requirements. (SIL definícó). [2] Newave UPS Systems: Availability in UPS Systems [3] Kárpáti, A., Vörös, M., Novák, M.: Szünetmentes áramellátó rendszerek, I. (Meghatározások), Elektrotechnika

Folytatjuk!

Dr. Kárpáti Attila docens Budapest Műszaki Egyetem MEE-tag [email protected]

-2

6. táblázat A megbízhatósági szintek (SIL) értékei alacsony igényű, szakaszos üzemben

Megbízhatósági szint

Nagy megbízhatóságú, vagy folyamatos üzem (A rendszer meghibásodás valószínűsége óránként)

4

≥10-9 <10-8

3

≥10-8 <10-7

2

≥10-7 <10-6

1

≥10-6 <10-5

Mosonyi Károly Interpower Kft. [email protected]

Vörös Miklós Interpower Kft. MEE-tag [email protected]

7. táblázat A megbízhatósági szintek (SIL) osztályba sorolása folyamatos üzemben Lektor: Dr. Gájász Zoltán, BME


13


14


és védelmek

Dr. Kárpáti Attila, Mosonyi Károly, Vörös Miklós

Szünetmentes áramellátó rendszerek* III. rész Telepítési problémák Szünetmentes áramellátó rendszereknél közvetlenül a kapcsolási elrendezésre vonatkozó megbízhatósági értékek (MTBF, RÁ) nem elegendőek a rendszer megbízhatóságának megítélésére, mert azt a telepítés döntően befolyásolhatja. A cikkben a gyakorlati tervezés szempontjából fontos telepítési osztályokat és azok alkalmazását ismertetjük. For the characterization of the reliability of the UPS systems the calculated MTBF and availability values of the basic arrangement are not sufficient, because the installation can strongly determinate these. In he article installation categories and their application, important for the practical applications are reviewed. Bevezetés Valamilyen szünetmentes áramellátó rendszerre kiszámított rendelkezésre állás különösen a sok 9-es tartományban, (pl.99,999%) nem jellemzi elegendően a rendszert. A valóságban a nem megfelelő telepítés és üzemvitel a számított rendelkezése állást jelentősen leronthatja. Ezért különböző rendszerek összehasonlítására a RÁ nem elegendő. Nem közvetlenül a szünetmentes áramellátó rendszerek (UPS, uninterruptible power supplies) fejlesztésével, tervezésével foglalkozó szakemberek, pl. beruházók számára a tájékozódást, az összehasonlítást, a választást és végezetül a döntést elősegítendő az USA-ban telepítési osztályokat (tier classifications) különböztetnek meg, [1]. Az egyes osztályokat a megadott kapcsolási elrendezések és 16 bevezett jellemző segítségével precízen el lehet különíteni. Az osztályba sorolást az UPS-re megadott MTBF, ill. RÁ érték nem befolyásolja, (a gyakorlati tapasztalatok szerint ui. a kiesést okozó problémák ~70%-ban infrastrukturális jellegűek). Az osztályba sorolás [1], [2] A vizsgált rendszer besorolásához a vonatkozó szabványt (Tier Performance Standards) és a magyarázó részt (Tier Commentary Sections) használják. A szabványban és a magyarázó részben használt definíciók a következők: − Számítógép berendezés (Compter equipment). Ide tartoznak egy adatfeldolgozó rendszer összes információtechnikai elemei. − Használható kapacitás, (useable capacity), a maximális terhelés, amellyel az N egységből álló, redundancia nélküli egység terhelhető. − Helyi infrastruktúra, (site infrastructure). A kiszolgáló egységek összessége. (Tipikus adatfeldolgozó rendszereknél ez elérheti a 20-at). − Hibatűrő, (Fault tolerant), redundáns felépítésű rendszer bizonyos hibákat kiesés nélkül elvisel. * A cikk I. része az Elektrotechnika 2012/04, a II. része 2012/7-8 számokban olvasható.

Elektrotechnika 2 0 1 2 / 0 9

11

− Egyidejű szervizelhetőség (Concurrent maintainability). Tervszerű karbantartás vagy hibajavítás az energiaellátás megszűnése nélkül végezhető. Szabványos elrendezések A különböző elrendezések fő jellemzőit az 1. táblázatban foglaljuk össze. 1. táblázat Követelmények

Tier I

Tier II

Tier III

Tier IV

Áramforrás

1 rendsz.

1 rendsz.

1 rendsz.

2 rendszer

Rendszeren belüli tartalékolás

N

N+1

N+1

Minimum N+1

Elosztó hálózat

1

1

1 norm és 1 altern.

2 szimultán aktív

Csoportokra osztás

Nem

Nem

Igen

Igen

Egyidejű szervizelhetőség

Nem

Nem

Igen

Igen

Hibatűrés (1-szeres hiba)

Nem

Nem

Nem

Igen

1. Telepítési osztály (TIER I), alapelrendezés Az elrendezés felépítésbeli és üzemviteli jellemzői: − A számítógép felől nézve tartalék nélküli rendszer, az UPS teljesítménye a maximális terheléshez illesztett. − A hálózat felőli tartalék a generátor, a generátorok sem tartalékoltak. − A számítógépek egyoldali betáplálási lehetőséggel rendelkeznek. − A számítógéphez csatlakozó elosztórendszer nem tartalékolt. − Hálózati hiba esetén a 1. ábra Alapelrendezés, TIER 1. táplálás nem esik ki. − UPS, ill. elosztó rendszeri hiba esetén a táplálás kiesik. − Karbantartáskor a táplálás ugyancsak megszűnik. − A hálózat felől egyszeres betáplálás. − A hűtést a generátorral tartalékolt hálózati feszültség táplálja 2. Telepítési osztály, (TIER II), redundáns teljesítményegységeket tartalmazó elrendezés Az elrendezés felépítésbeli és üzemviteli jellemzői: − A +1 generátor és UPS 100%-os tartalékot ad. − A számítógépek egyoldali betáplálási lehetőséggel rendelkeznek. − A számítógéphez csatlakozó elosztórendszer nem tartalékolt. − Hálózati hiba esetén a táplálás nem esik ki. − 1 db UPS ill. generátor meghibásodásakor a táplálás nem

2. ábra Redundáns teljesítményegységeket tartalmazó elrendezés, TIER II.

4. ábra Telepítési osztály, (TIER IV), hibatűrő elrendezés − Szervizeléskor ill. a tartalékolt oldal kiesésekor a tartalék elosztó rendszer használható. − A hűtést az UPS-ek vagy a hálózat táplálják (tartalékolt rendszer). 4. Telepítési osztály, (TIER IV), hibatűrő elrendezés Az elrendezés felépítésbeli és üzemviteli jellemzői: − A számítógépek táplálására két teljesen független, 100%osan tartalékolt rendszer áll rendelkezésre. − A számítógépek kétoldali betáplálási lehetőséggel rendelkeznek. − Az elrendezés nagymértékben hibatűrő. − A hűtés energiaellátása a terhelésnek megfelelően tartalékolt. Magyarázó rész

3. ábra Egyidejűleg szervizelhető elrendezés, TIER III. esik ki. − Elosztó rendszeri hiba esetén a táplálás kiesik. − Az UPS-ek és az elosztó rendszer karbantartásakor a táplálás megszűnik. − A hálózat felől egyszeres betáplálás. − A generátorok karbantartásakor a hálózat nem tartalékolt. − A hűtést a generátorral tartalékolt hálózati feszültség táplálja 3. Telepítési osztály, (TIER III), egyidejűleg szervizelhető elrendezés Az elrendezés felépítésbeli és üzemviteli jellemzői: − A +1 generátor és UPS 100%-os tartalékot ad. − A tápláló hálózat felől kettős betáplálás. − Emellett a váltakozó áramú tápláló hálózat tartalékai a tartalékolt generátorok. − A számítógépek kétoldali betáplálási lehetőséggel rendelkeznek. − Két elosztó rendszer áll rendelkezésre (tartalékolt elosztó rendszer).


12

A különböző elrendezések esetén javasolt számszerű jellemző értékeket a 2. táblázat tartalmazza. Megjegyzések 1 100W/ft2 léghűtéskor, >100W/ft2 –nél vízhűtés, vagy egyéb alternatív hűtés szükséges 2 Nagyobb W/ft2-hez nagyobb kiszolgáló terület szükséges, pl. a középfeszültségű betáplálás több helyet igényel, stb. (100% - 100W/ft2) Javasolt alkalmazási területek Tier I.: Kisvállalkozások, ahol az információtechnikát elsősorban a belső ügyvitel javítására használják, olyan vállalkozások, ahol a webes jelenlét passzív jellegű, internet bázisú, induló vállalkozások, különösebb minőségi igény nélkül. Tier II.: Olyan internet bázisú vállalkozások, ahol a szolgáltatás kimaradása nem jár komoly anyagi követelményekkel, olyan kisvállalkozások, amelyek működése a tradicionális üzleti órákra korlátozódik és az azon kívüli kikapcsolás megengedett, átlagos kutató-fejlesztő cégek, ahol az online és realtime hálózati kapcsolat nem tipikus. Tier III.: Olyan cégek, amelyek külső és belső klienseit 7x24 órán keresztül kell kiszolgálni, mint pl. szervizközpontok, de rövid időre, menetrendszerűen korlátozott szolgáltatás is elviselhető. Olyan üzleti terület, ahol információtechnológiai


és védelmek

2. táblázat Tier I

Tier II

Tier III

Tier IV

Az épület típusa

többcélú

többcélú

különálló

különálló

Személyzet

nincs

1 műszak

1+ műszak

24 órás

Névl. W/ft2 tip.

20 - 30

40 - 50

40 - 60

50 - 80

Max. W/ft2 tip.

20 - 30

40 - 50

100-1501,2,3

150+1,2

Szünetm. hűtés

nem

nem

lehet

igen

Pódium. kiszolg. terület

20%

30%

80-90+%2

100+%

Pódium magasság (tip.)

12”

18”

30-36”2

30-36”2

Födémterhelés, lbs/ft2

85

100

150

150+

Tápl. hál. fesz. (tipikus)

208, 480

208, 480

12-15kV2

12-15kV2

Egyszeres, kiesést okozó hibák

sokféle + emberi hiba

sokféle + emberi hiba

néhány + emberi hiba

nincs + kezelési hiba

Évi kiesési idő, óra

28,8

22,0

1,6

0,8

Reprezentativ RÁ

99,67%

99,75%

99,98%

99,99%

Tip. telep.idő, (hónap)

3

3-6

15-20

15-20

Első alkalmazás

1965

1970

1985

1995

Dr. Mihálkovics Tibor

Összefoglalás A szünetmentes áramellátó rendszerek minőségét a hálózati feszültség zavarelhárításának képessége, a rendszer számított alap megbízhatósága mellett a telepítés alapvetően befolyásolja. A cikkben a telepítési formák osztályozásával, azok hatásával és alkalmazási javaslataival foglalkozunk.

Irodalomjegyzék [1] W.Pitt. Turner, John H., Seader, Kenneth G. Brill: Tier Classifications Define Site Infrastrcture Performance. The Uptime Istitute, White Paper. [2] Renzo Salmina: Newave’s approach for protecting mission critical application © ABB Group June 13, 2012 | Slide, Budapest, June 2012

Folytatjuk!

Dr. Kárpáti Attila docens Budapest Műszaki Egyetem MEE-tag [email protected]

Mosonyi Károly

20 éves

az Interpower Kft. A cég megalakulásakor a távközlési és számítástechnikai ipar részére környezetbarát, jó minőségű áramellátó termékek bevezetését, szállítását és telepítését tűzte ki célul. Cél: magas szinten kielégíteni a felhasználók igényeit.  A vásárlás előtt kérje szakembereink tanácsát!  Jó tanács a legjobb befektetés. A professzionális tervezés, telepítés, valamint üzembe helyezés és oktatás garantálja a rendszerek jövőbeni megbízható, optimális üzemelését. Termékek  Szünetmentes áramellátó rendszerek  Akkumulátorok  Fiókos DC áramellátó rendszerek

A nagy zárlati áramú 126 kV-os hálózaton beépített, védelmi köröket tápláló áramváltók tranziens átvitelének vizsgálata azt mutatta, hogy a korszerű védelmek által megkövetelt pontos átvitel még a védelmi tekercs jelentős túlméretezésével sem biztosítható. A szerző 2x1000/1/1/1A, TPY osztályú, a remanenciát kiküszöbölő, légréses védelmi vasmag használatára tesz javaslatot. A kisebb áramú leágazásokba javasolt 0,5 S (0,2 S) pontossági osztályú mérőmag még 10 A primer áram esetén is <1,5% (<0,75%) hibát garantál. The peak intantaneous (total) error of the traditional protective current transformer (CT) used on 126kV system of high short-circuit currents is too high and the oversize of the rated burden has dissatisfactory effect. The author proposes the use of class TPY, 2x1000/1/1/1A CT with air gap to result in satisfactory transient response. He proposes to use class 0,5S (0,2S) measuring winding in low current transmission line to result in <1,5% (<0,75%) current error at 10A.

Bevezetés

Interpower Kft. MEE-tag [email protected]

Az ELMŰ Rt. (Gábor A., Lőrincz Á., dr. Mihálkovics T. urak) 15-20 éve foglalkozik a 120 kV-os áramváltók (továbbiakban ÁV) tranziens átvitelének kérdésével. A nem megfelelő tranziens átvitel ugyanis a mai korszerű, gyors védelmek hibás működését okozhatja. A védelmi mag jelentős hibájára mutat példát az 1. ábra Népliget – Csarnoktér 126 kV-os kábel „S” fázisában bekövetkezett zárlatról készült zavaríró felvétele.

Lektor: Dr. Gájász Zoltán, BME

INTERPOWER KFT.

the blue energy

(Légréses áramváltók alkalmazása az ELMŰ–ÉMÁSZ 126kV-os hálózatán)

Interpower Kft. [email protected]

Vörös Miklós források automatizált üzleti folyamatokat támogatnak. Társaságok, amelyek tevékenysége több időzónát átölel. Tier IV.: Nemzetközi piaci jelenléttel rendelkező cégek, 24x365 órás forgalommal, erős versenyszférával. Elektronikus piaci tranzakciók, elszámolás, ügyintézés. Nagy, globális vállalatok, amelyek több időzónában dolgoznak, és ahol a realtime forgalom versenyelőnyöket eredményez.

Áramváltók tranziens átvitele

Interpower Kft. 1026 Budapest, Branyiszkó út 22. E-mail: [email protected] www.interpower.hu

Szolgáltatás Interpower szerviz csapata vészhelyzet esetén garantálja a gyors reagálást, és rendelkezésére áll a nap 24 órájában, az év 365 napján. Főbb referenciák Interpower Kft jelentős referenciával rendelkezik. Néhány kiemelkedő munka a távközlés, egészségügy, a banki áramellátás és az IT területén.  Magyar Telekom  HBO Magyarország szerverközpont,  Első Pesti Telefontársaság,  Paksi Atomerőmű,  Budapest Liszt Ferenc Nemzetközi Repülőtér

[1] fontosabb megállapításait az alábbiakban foglaljuk össze. Tranziens átvitel számításához szükséges – ELMŰ által megadott - paraméterek: – ta1= 30 ms: pontosság megmaradásához szükséges idő (azon idő, ameddig a védelem megbízható működéséhez pontos jelet kell szolgáltatni, tehát az ÁV nem telítődhet) – t’ = 80 ms: első zárlat (C) időtartama – tfr = 0,4 s: visszakapcsolási holtidő – ta2 = 30 ms: pontosság megmaradásához szükséges idő a második kioldás esetén (azon idő, ameddig a védelem megbízható működéséhez pontos jelet kell szolgáltatni) – TP = X1/(ω R1) = 20 ms primer zárlati kör időállandója – RCT - az áramváltó tekercsének ellenállása – Rb - az áramváltót terhelő ellenállás Az RS = RCT + Rb eredő ellenállásnak a tranziens átvitelben döntő szerepe van (lásd [3] 3.20 pont alatti képletét), értéke kicsi legyen, tehát 10 (esetleg 6) mm2 keresztmetszetű Cu bekötővezeték alkalmazása szükséges. Legnagyobb 180 m hosszal, FN zárlat esetén a kétszeres ellenállással és RV = 0,2 ohm védelmi készülék ellenállással számolva Rb 6mm2 =1,06+0,2 =1,26ohm Rb 10mm2 =0,64+0,2=0,84ohm. [1] számításai szerint a kisebb 0,84 ohm ellenállás esetén is csak Rct ≤ 1,3ohm ÁV tekercs ellenállás és csak a 2000/1 A áttételű ÁV esetén lehet biztosítani a megfelelő átvitelt. A Kssc névleges szimmetrikus zárlati áramtényező (a primer zárlati áram és a névleges áram hányadosa) ugyanis ekkor Kssc = IPZ/IPN = 40 000/2000 = 20 a helyett. Kssc* = IPZ/IPN* = 40 000/1000 = 40 A nagyobb áramú kötés alkalmazását alátámasztja, hogy a tranziens átvitel lényegesen javul, a mérőkör pontossága viszont lényegében nem romlik (lásd a 6. pontban). A remanencia figyelembevétele a K ≈ X1/R1 túlméretezési tényező növelését teszi szükségessé: K* = K / (1-Kr), ahol Kr = Ψremanencia / Ψtelítési (lásd [4] (15) és (39) képleteit). A Kőbánya állomás mérőváltóit gyártó Haefely-Trench cég az RCT ≤ 1,3 ohm feltételt nem tudta teljesíteni (a vasmagra nem fért rá a szokásos átmérőhöz képest kb. kétszeres átmérőjű rézhuzalból készített tekercs). Az adott konstrukcióval max. 800-900 V könyökfeszültségű (névleges könyökponti e.m.e: a szekunder kivezetésre kapcsolt legkisebb szinuszos feszültség eff. értéke, amelynek 10%-os növekedése a gerjesztő áram eff. értékének 50%-os növekedését okozza) mágnesezési görbével rendelkező és ≥ 2 ohm tekercs ellenállású magot tudtak megajánlani. Már ekkor a Haefely-Trench bambergi gyárában a tervezőkkel folytatott konzultáció során kiderült, hogy a megnyugtató műszaki megoldást a TPY osztályú, légréses vasmag alkalmazása jelentheti, melynek az ÁV teljes árára vonatkoztatott magonkénti kb. 1-1,5% többletköltsége elhanyagolható az elérhető műszaki előnyök mellett. 1000/1A, 5P30-30VA védelmi magra elvégzett tranziens átviteli számítások

1. ábra Jelentős hiba a tranziens zárlati áram mérésében A jobb tranziens átvitel eléréséhez alkalmazott hagyományos módszer: 1 A névleges áramú és erősen túlméretezett névleges teljesítményű védelmi szekunder tekercs(ek) alkalmazása. A témakör vizsgálatában előrelépést jelentett, hogy a Kőbánya állomás rekonstrukciójánál 40 kA zárlati áramú, 2000/1 A és 1000/1 A áttételű, 5P30, 15 VA mérőváltók alkalmazása vált szükségessé és ennek keretében Póka Gyula úr, a témakör elismert hazai szakértője kapott megbízást az ÁV tranziens átviteli viszonyainak elemzésére. Az eredményeket a [1] vizsgálati jelentésben foglalta össze. A fontosabb elméleti összefüggéseket, méretezési képleteket [3] és [4] tartalmazza.


Hagyományos áramváltók tranziens átvitele [1]

14

A témában nagy előrelépést jelentettek a KONCAR (Zágráb) által gyártott mérőváltók típusvizsgálatánál (2004) kapott eredmények ill. a számítógépes programjuk alkalmazásával vizsgált esetek elemzése. A típusvizsgálaton átesett kombinált mérőváltó (kombiváltó) áramváltó részének főbb jellemzői: 145 kV; 31,5 kA; 2 x 500 A//1 A/1 A/1 A mérőmag védelmi magok 0,5 FS5 5P30 5P30 30 VA 30 VA 30 VA

Az 500/1 A kötésben végrehajtott zárlatbiztossági vizsgálat oszcillogramját a 2. ábra mutatja. A felső sugár a 31,5 kA-es primer zárlati áramot, az alsó sugár a rövidrezárt 3S13S2 védelmi mag áramát mutatja. Látható az egyenáramú komponens miatti erős torzulás, az első amplitúdó hibája ~ 50% (a szekunder tekercs néveges terhelése, majd a gyors-visszakapcsolás 2. zárlatánál a remanencia miatt ez a hiba még nagyobb lenne).

Fenti mérőváltóra elvégzett tranziens számítás főbb jellemzői C – O – 0,4s - C – O ciklus esetén: áttétel: zárlati áram: tényleges szekunder teher: vasmag külső/belső Φ/ magasság: vasmagban elhelyezett légrés: védelmi tekercshuzal Φ / ellenállás: primer zárlati kör időállandó: 1. védelmi KI- parancsig az idő: 1. zárlat időtartama: holtidő: egyenáramú komponens: 2. védelmi KI- parancsig az idő: remanencia tényező (Ψremanens / Ψtelítési): árammérés hibája a ta1 pontban: árammérés hibája a ta2 pontban:

1000 A/1 A IPZ = 30 kA 1,5 VA (Rb=1,5 ohm) 300/210/60 mm 2 x 0,5 mm ~1,4 mm/ 3,37 ohm TP = 20 ms ta1 = 30 ms t’ = 80 ms tfr = 0,4 s IDC = 100% ta2 = 30 ms Kr = 0,013 h1 = 4,3% h2 = 10,4%

A légrés miatti gyakorlatilag lineáris mágnesezési görbe kis hibát biztosít. A légrés nélküli és légréses vasmag U – I görbéit a 3. és 4. ábra mutatja.

2. ábra Légrés nélküli ÁV zárlatbiztossági kapcsolása Fenti mérőváltóra a gyártó által elvégzett számítógépes tranziensszámítás főbb jellemzői C – O – 0,4 s - C – O ciklus esetén: Áttétel: zárlati áram: tényleges szekunder teher: vasmag külső/belső Φ/ magasság: védelmi tekercs huzal Φ / ellenállás: primer zárlati kör időállandó: 1. védelmi KI- parancsig az idő: 1. zárlat időtartama: holtidő: zárlati áram egyenáramú komponense: 2. védelmi KI- parancsig az idő: árammérés hibája a ta1 pontban: árammérés hibája a ta2 pontban:

1000 A/1 A IPZ = 30 kA 1,5 VA (Rb=1,5 ohm) 300/210/60 mm 1 mm / 6,37 ohm TP=X1/(ωR1)=20 ms ta1=30 ms t’ = 80 ms tfr = 0,4 s IDC = 60% ta2 = 30 ms h1 = 5,04% h2 = 131,6% (!)

Tehát a 100% helyett az optimista IDC = 60% egyenáramú összetevő esetén is a remanencia miatt a gyors-vissza ciklus 2. zárlata esetén a mérőváltó hibája elfogadhatatlanul nagy. Fenti jelenség elemzését, a terhelés hatását az Infoware Zrt. Zárlati Próbaállomásán elvégzett zárlati kapcsolások 1. Mellékletben közölt oszcillogramjai mutatják. TPY osztályú védelmi magra elvégzett számítások A remanencia, így a mérési hiba csökkentésének legegyszerűbb módja TPY osztályú (lásd [3] 3.5 pontját), légréses védelmi mag alkalmazása. A gyár az 5…6 lépésben elvégzett számítása alapján azt javasolta, hogy az ÁV védelmi tekercse tranziens átvitelének javítására – a tekercshuzal átmérője 1,4 mm legyen, így ellenállása RCT = 3,37 ohmra csökken, – a vasmag 2 x 0,5 mm légréssel készüljön.


15

3. ábra Légrés nélküli vasmag mágnesezési görbéje

4. ábra Légréses vasmag mágnesezési görbéje A fenti számítás mutatja, hogy az igen pesszimista IDC = 100% egyenáramú összetevő esetén is 10%-ra csökkent a 2. zárlat kioldásakor jelentkező hiba. Az ELMŰ a mérőváltókat a fenti változtatásokkal rendelte meg. A számításhoz szükséges összefüggéseket [3] és [4] tartalmazza). A TPY osztályú mérőváltón elvégzett darabvizsgálati eredmények, számítások Az egyik légréses kombiváltó mérőlapját a 2. Melléklet mutatja. Az ÁV 1S1-1S2 jelű mérőmagjánál a valóságos viszonyokhoz közelebb álló 7,5 VA terhelés és 1000/1A áttétel esetén a hibák: 1200 A +0,33% / 1000A +0,32% / 200 A +0,2% / 50 A -0,2% Az adatok tanulmányozása rámutat arra is, hogy a mérőváltókat kisebb áramok esetén is a nagyobb áramú kötésben, jelen esetben 1000 A kötésben kell használni, a hiba ugyanis

200 A ill. 50 A esetén is <0,5%, a tranziens viselkedés szempontjából viszont nagy jelentősége van annak, hogy a KSSC névleges szimmetrikus zárlati áramtényező pl. 30 kA/500 A = 60 helyett csak 30 kA/1000 A = 30 lesz. Kisebb áramú elszámolási méréseknél alkalmazandó mérési célú tekercsek megválasztásának kérdését a 6. pont tárgyalja. Az elvégzett mérések igazolták a számítás szerinti tranziens jellemzőket is. Megrendelő megváltozott feladatai, következtetések, javaslatok Hagyományos áramváltók A hagyományos, esetünkben, a korábbi 5P30 – 30 VA jellemzőkkel rendelkező védelmi tekercses ÁV rendelésénél a gyártó csak a pontossági határtényező betartására kötelezett, tehát az IPZ = 30IN szimmetrikus zárlat esetén kell biztosítani a < 5% hibát. Az 1. zárlat egyenáramú összetevő melletti hibájára, a 2. zárlat kezdetén lévő remanenciára és a 2. zárlat egyenáramú összetevő miatt várhatóan erősen megnőtt hibájára nincs előírás. A megrendelő felelőssége, hogy a valóságosnál lényegesen nagyobb névleges terhelés előírásával javítsa a tranziens átvitelt. Amint [1] elemzéséből kiderült, az előírt terhelés erős növelése (pl. 15 ohm a valós 0,8…1,2 ohm helyett) is korlátozott hatású, ha a gyártó a védelmi tekercset a szokásos RCT = 3….6ohm ellenállással szállítja, ugyanis erre nincs előírás. [1], továbbá a Haefely-Trench és a KONCAR gyárak számításai is igazolták, hogy nagyobb zárlati áramú, nagy egyenáramú ös�szetevővel rendelkező gyors-visszakapcsolási ciklus esetén a hagyományos áramváltókkal a pontossági feltételek gyakorlatilag nem teljesíthetők. TPY osztályú áramváltók A feladat viszonylag egyszerűen, 1-2%-os árnövekedés mellett teljesíthető légréses védelmi magok alkalmazása esetén. A vonatkozó szabvány [3] szerint ilyen esetben „az ÁV konstrukciójának optimalizálása a gyártó kötelessége”, a megrendelőnek a szokásos adatokon túlmenően a tranziens méretezéshez is szükséges adatokat kell szolgáltatnia. Ezeket, az ELMŰ-nél javasolt konkrét értékkel együtt, az Összefoglalás tartalmazza. A TPY osztályú áramváltó választása azt jelenti, hogy – elhanyagolható a remanencia, azaz Kr = ψrem/ψtel < 10% – a pillanatnyi hiba legnagyobb csúcsértéke (váltakozó és egyenáramú összetevő együttes jelenléte esetén is) ε= 10%. Az előírt jellemzők teljesítését a gyártó mérésekkel (mágnesezési görbe, remanencia tényező stb.) és számításokkal igazolja. Az ÁV adattáblája is megváltozik, ezt mutatja a 2. Melléklet adatlapján a 2S1-2S2 és 3S1-3S2 tekercsekhez tartozó bekeretezett rész:

ellenőrizni kell, pl. közeli nagy erőműves betáplálás TP –t növeli. Nagyobb erőművek gyűjtősínjén TP = 60…120 ms (lásd még 7. fejezetet). – törekedni kell ta1 és ta2 csökkentésére, kisebb „KI” parancsidők esetén a tranziens átvitel javul. Mérőmag megválasztása Gyakran felmerülő gondolat, hogy a vonalakba 2x250 A, vagy 2x500 A névleges áramú áramváltók kerüljenek beépítésre a pontosabb elszámolási mérés érdekében. Ehelyett 2x1000 A //1 A / 1 A / 1 A áramváltók beépítését javasoljuk az alábbi indokok alapján. A megoldás a 1. és 2. táblázatból (MSZ EN 60044-1: Mérőtranszformátorok. 1. rész: Áramváltók. szabvány 11. és 12. táblázata) következik. 1. táblázat: Mérőáramváltók áramhiba határai

Pontossági osztály (o.p.)

Áram- (áttétel-) hiba, ± %, a névleges áram százalékaként megadott áramértékeinél 5

20

100

0,1

0,4

0,2

0,1

120 0,1

0,2

0,75

0,35

0,2

0,2

0,5

1,5

0,75

0,5

0,5

1,0

3,0

1,5

1,0

1,0

2. Táblázat: Különleges alkalmazású mérőáramváltók áramhiba határai

Pontossági osztály (o.p.)

Áram- (áttétel-) hiba, ± %, a névleges áram százalékaként megadott áramértékeinél 1

5

20

100

120

0,2 S

0,75

0,35

0,2

0,2

0,2

0,5 S

1,5

0,75

0,5

0,5

0,5

TPY, Rb=1,5ohm, Rct=3,9ohm, Kssc=30, Ktd=6, Tp=20ms, C-80-O-300-C-30-O, Ta1=30ms

Az 1. táblázat szerint pl. 0,5 pontossági osztályú áramváltó 0,05 x IN áramán a hiba ≤ ±1,5%, tehát pl. 1000 / 1 A áttétel választása és 50 A primer áram esetén a hiba ≤ ±0,75 A. A hiba csökkentésére kisebb, pl. 250-500 / 1 A áttétel választása még az ÉMÁSZ hálózatán sem célszerű, mert a védelmi mag tranziens viselkedése szempontjából viszont nagy jelentősége van annak, hogy a KSSC névleges szimmetrikus zárlati áramtényező pl. 25 kA zárlati áram esetén KSSC= 25 kA / 250 – 500 A = 100 - 50 helyett csak 25 kA /1000 A = 25 legyen. A megoldást a különleges alkalmazású 0,5S pontossági osztályú mérőmag (lásd 2. táblázatban) használata jelenti, ez kisebb áramokra is nagyobb pontosságot biztosít. Utóbbi esetben pl. 1000 / 1 A áramváltó – 50 A primer árama esetén a hiba ≤ ±0,375 A – 10 A primer árama esetén a hiba ≤ ±0,15 A

Következtetések, javaslatok – az ÁV szekunder árama 1 A legyen, – a védelmi mag kis terheléséhez a csatlakozó kábel keresztmetszete 10 mm2, (ellenőrzés után esetleg 6 mm2) legyen, – az ÁV áttétele 2x1000 A //1 A/1 A/1 A legyen, ennek indokolást lásd a 6. pontban, – az ÁV a tranziens feltételeket is teljesítő TP… (TPY) osztályú legyen, – a védelmi maghoz a valóságos (pl. 1,5 VA ill. Rb = 1,5 ohm) terhelést kell megadni, túlméretezésre nincs szükség, – a javasolt TP = 35 ms primer zárlati köri időállandó az áramszolgáltatók hálózatán elegendő (az ELMŰ-ÉMÁSZ többségében távvezetékes állomásainál TP = 15…25ms). Értékét időszakosan

Gyártóktól kapott információ alapján a 0,5 S o.p. mérőmag választása gyakorlatilag nem jelent költségnövekedést. Még ennél is nagyobb pontosság igénye ill. < 10 A primer áram (?) esetén 0,2 S o.p. választható. Ennek árát elsősorban az OMH hitelesítés nagyobb költsége növeli. A fentebb számolt 10 A….50 A-hez megjegyezzük, hogy a 126 kV25 MVA-es transzformátor névleges árama: 114,5 A. Fentiekből következik a javasolt áttétel: 2 x 1000//1/1/1 A A 2000 A-es kötést a nagyáramú vonalakban és a sínáthidalókban kell alkalmazni. Nem elszámolási mérésű áramváltóknál elegendő a 1 (0,5) o.p. választása. Elszámolási mérésnél és kis terhelés esetén indokolt a


16

tos tesz Elszámolási mérés < 10A primer tos mérést mérést tesz lehetővé. lehetővé. Elszámolási mérés és és A 2000A-es kötést a nagyáramú vonalakban és a sínáthidalók4 <4 10A primer áram áram esetén esetén 0,2 0,2 S S o.p. o.p. mérőtekercs mérőtekercs választható. választható. ban kell alkalmazni. Fenti választás előnye, hogy aa rendelésnél, az A 2000A-es kötést a nagyáramú vonalakban és a asínáthidalókFenti választás előnye, hogy rendelésnél, ÜBT-nél az áramáramNem elszámolási áramváltóknál elegendő 1 (0,5)ÜBT-nél o.p. A 2000A-es kötést amérésű nagyáramú vonalakban és a sínáthidalókszolgáltató egységes 2x1000//1/1/1A típust használ ban alkalmazni. szolgáltató mérésnél egységesés 2x1000//1/1/1A típust indokolt használ ebből ebből szárszárválasztása. Elszámolási kis terhelés esetén ban kellkell alkalmazni. mazó hátrányok nélkül. mazó hátrányok nélkül. a 0,5S o.p. választása, ez még a 10…50A tartományban is ponNem elszámolási mérésű áramváltóknál elegendő a (0,5) 1 (0,5) o.p. Nem elszámolási mérésű áramváltóknál elegendő a 1 o.p. tos mérést tesz lehetővé. Elszámolási mérésösszehasonlítása és < 10A primer 7. TPY és osztályok választása. Elszámolási mérésnél és kis terhelés esetén indokolt 7. TPY és TPZ TPZ összehasonlítása választása. Elszámolási mérésnél és osztályok kis terhelés esetén indokolt áram esetén 0,2 Sezo.p. mérőtekercs választható. 0,5 választása, még a 10…50 tartományban is pontos ms időállandójú áramkörökben, tehát nagy R erőműTÁV aS o.p. 0,5S o.p. választása, még aA 10…50A tartományban is ponP = 60…120 6. A jó tranziens átvitel biztosításához TPZ osztályú a 0,5S o.p. választása, ez ez még a 10…50A tartományban is pon6. ábra: ábra: 2x1000/1A, 2x1000/1A, TPZ, TPZ, Kssc=40, Kssc=40, Rbb == 1,5ohm, 1,5ohm, T TPP=35ms =35ms A jó tranziens átvitel biztosításához TPZ osztályú ÁV is is választválaszttos mérést lehetővé. Elszámolási és < 10A primer mérést tesz lehetővé. Elszámolási mérés és
5. ábra: 2x1000/1A, TPY, Kssc=40, Rb = 1,5ohm, TP=35ms 5. ábra: 2x1000/1A, TPY, Kssc=40, TP=35ms b = 1,5ohm, 5. ábra: 2x1000/1A, TPY, Kssc=40, Rb =R1,5ohm, TP=35ms

MSZ EN 60044-1: Mérőtranszformátorok. 1. rész: MSZ 60044-6: Mérőtranszformátorok. rész: MSZ ENEN 60044-1: Mérőtranszformátorok. 1. 6. rész:

Terjedelmi okok miatt az 1. és 2. Mellékletet az ElektrotechÁramváltók. (2001. szeptember) Tranziens üzemre alkalmazott védelmi áramváltók követelÁramváltók. (2001. szeptember) nika 2012/10. számában jelentetjük meg. ményei. (1999. december)

MSZ 60044-6: Mérőtranszformátorok. rész: 3 3 MSZ ENEN 60044-6: Mérőtranszformátorok. 6. 6. rész: Tranziens üzemre alkalmazott védelmi áramváltók követelTranziens üzemre alkalmazott védelmi áramváltók követelményei. (1999. december) ményei. (1999. december)

dr. Mihálkovics Tibor műszaki tudományok kandidátusa MEE-tag [email protected]

6. ábra 2x1000/1 A, TPZ, Kssc=40, Rb = 1,5 ohm, TP=35 ms


17

EN UPS Szabvány. Szünetmentes berendezések osztályzása. 3.lépés: Kimenet dinamikus tulajdonsága

Recommend Documents