Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego

Pewność zasilania
Niezawodne zasilanie
nowoczesnego budynku biurowego
4.5.1
Pewność zasilania
Pewność zasilania
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
Hans De Keulenaer, Uuropean Copper Institute
Prof Angelo Baggini, Universita di Bergamo
Czerwiec 2003
Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość
Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da
Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org.
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM)
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-profit, finansowaną przez dostawców miedzi oraz
producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe
i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są
zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami
badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi
się rozwojem miedzi na całym świecie.
Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi
(ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi
na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu
1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu,
we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo
rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań
Miedzi) powstałemu w 1961 roku.
Zrzeczenie się odpowiedzialności
Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej
odpowiedzialności.
Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności
za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia
informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright© European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.
Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła.
Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania:
Politechnika Wrocławska
Akademia Górniczo-Hutnicza
Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska
Medcom Sp. z o.o.
Pewność zasilania
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
Wstęp
Niniejsza nota aplikacyjna przedstawia podejście do projektowania zapewniające odporne i niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego o dużym nasyceniu urządzeniami elektronicznymi. Opisano w niej studium przypadku 10-kondygnacyjnego budynku biurowego w Mediolanie (ze względu na poufność określanego dalej jako „budynek”). Budynek ten jest
główną siedzibą dużej instytucji finansowej i mieści 500 pracowników, intensywnie użytkujących urządzenia informatyczne.
Na podstawie oceny bieżącego stanu instalacji elektrycznej w budynku oraz wyników przeprowadzonych pomiarów jakości energii elektrycznej przedstawiono dwie propozycje projektowe, które zapewniają odporne i niezawodne zasilanie.
Opracowanie uzupełniono analizą kosztów.
Opis istniejącej sytuacji
Schemat instalacji
rozdzielczej
Zasilanie
standardowe
Budynek jest przyłączony do sieci energetycznej 23 kV. Po stronie średniego napięcia główny układ zasilania budynku składa się z dwóch transformatorów 23/0,4 kV,
50 Hz. Instalacja po stronie niskiego napięcia jest zaprojektowana w systemie TN-S.
Pod względem wymagań co do ciągłości zasilania obciążenie jest podzielone
na odbiory standardowe, „preferencyjne”
- o podwyższonym stopniu wymagań co
do ciągłości zasilania, i uprzywilejowane
(będzie to omówione bardziej szczegółowo w dalszej części opracowania). Istnieje także drugi punkt wspólnego przyłączenia (PWP) dla zasilania niewielkiej części standardowych odbiorników. Obydwa
punkty wspólnego przyłączenia są zasilane
z tej samej sieci, nie są więc niezależne.
W celu zapewnienia ciągłości zasilania zainstalowano dwa bezprzerwowe układy zasilające UPS (80 + 200 kVA) oraz zespół
silnik-generator (250 kVA), jak na schemacie z rys. 1. Należy zauważyć, że w układzie przedstawionym na tym schemacie
przewód neutralny winien być połączony
z ziemią tylko raz, do głównego zacisku
uziemiającego a nie przy każdym transformatorze. W przeciwnym przypadku korzyści z zastosowania konfiguracji TN-S – poprawa kompatybilności elektromagnetycznej i jakości energii - zostaną utracone.
Zasilanie
standardowe
LV
MV 23 kV
TR1
800 kVA
400 V
TR2
800 kVA
D
250 kVA GS
400 V
LV
200 kVA
Odbiorniki
standardowe
Odbiorniki
uprzywilejowane
GS
Generator
D
Silnik
400 V
LV
80 kVA
Odbiorniki
uprzywilejowane
Odbiorniki
standardowe
UPS
Rys. 1. Schemat ideowy istniejącej instalacji rozdzielczej
Zastosowany układ rozdziału energii jest kompromisem pomiędzy systemem promieniowym i równoległym1. Instalacja była rozbudowywana w sposób przypadkowy, nie tworząc spójnej struktury. Bezpośrednią przyczyną tego stanu były liczne zmiany w zapotrzebowaniu na moc, zachodzące w czasie eksploatacji budynku. Każda kondygnacja jest zasi1
Układ równoległy: magistralny przewód szynowy wspólny dla wszystkich kondygnacji; na każdej kondygnacji wykonano połączenie do tablicy
rozdzielczej nn dla danej kondygnacji. Układ promieniowy: każda tablica rozdzielcza nn ma oddzielne połączenie z odpowiadającą jej aparaturą
łączeniową w rozdzielnicy głównej niskiego napięcia znajdującej się w przyziemiu.
1
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
lana z dwóch tablic rozdzielczych. Każda tablica
ma dwie sekcje (dla odbiorów standardowych i
uprzywilejowanych) odpowiadające sekcjom odbiorów standardowych i uprzywilejowanych w
rozdzielnicy głównej niskiego napięcia (rys. 2).
Dla obwodów odbiorczych zastosowano pojedynczy układ promieniowy.
Wewnętrzne linie zasilające
Instalacja rozdzielcza trójfazowa jest wykonana
za pomocą wielożyłowych kabli miedzianych. W
przypadkach, kiedy przekrój poprzeczny przewodu fazowego jest większy niż 35 mm2, zastosowano przewód neutralny o przekroju o połowę
mniejszym.
Rys. 2. Schemat strukturalny istniejącej instalacji rozdzielczej
Ciemne linie oznaczają instalację rozdzielczą dla odbiorników standardowych
Jasne linie oznaczają instalację rozdzielczą dla odbiorników uprzywilejowanych
Obciążenie
Znamionowe obciążenie budynku biurowego jest typowe i obejmuje:
dźwigi osobowe (ok. 80 kVA),
media i systemy budynku (ok. 100 kVA),
klimatyzację (ok. 600 kVA),
instalacje oświetlenia i „siły” dla przestrzeni biurowych (ok. 35 kVA na kondygnację).
Jakość energii
Prądy: fazowy i neutralny obydwu UPS-ów są odkształcone
– zob. rys. 4 i 5.
20
20
10
10
0
0
-10
-10
-20
-20
100%
80%
60%
27.5%
W niektórych przewodach fazowych, szczególnie w obwodach oświetlenia, współczynnik odkształcenia harmonicznego dla prądu (trzecia, piąta i siódma harmoniczna) przekracza
75% – zob. rys. 6. W obwodach oświetleniowych i zasilających urządzenia informatyczne wartość trzeciej harmonicznej prądu jest znaczna – zob. rys. 4, 5 (przewód neutralny) i
rys. 6. W niektórych przewodach neutralnych prądy harmonicznych przewyższają dwukrotnie prąd fazowy.
30
50.4%
Na rysunkach 3 do 6 podano przykłady zmierzonych przebiegów czasowych prądów i napięć oraz ich widmo harmoniczne. Należy podkreślić następujące aspekty:
30
Prąd (A)
W celu oceny jakości zasilania zmierzono zawartość harmonicznych prądu w głównych obwodach zasilających każdą
kondygnację oraz na tablicach rozdzielczych dla mediów i
systemów budynku.
40%
20%
Harmoniczne parzystych rzędów pojawiają się w wynikach
więcej niż jednego pomiaru (ok. 30% na rys. 5). Oznacza to,
że przebieg czasowy prądu nie wykazuje zwykłej symetrii. W
niektórych przypadkach w przebiegu prądu występuje więcej niż jedno przejście przez zero w okresie przebiegu sinusoidalnego (rys. 5).
2
0%
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
H
Rys. 3. Przebieg czasowy i zawartość harmonicznych
prądu fazowego (faza L1) w rozdzielnicy głównej nn
w obwodzie zasilającym dźwigi osobowe 1 i 2
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
50
50
0
0
-50
-50
-100
-100
-150
-150
100
100
50
50
0
0
-50
-50
-100
-100
100%
80%
80%
60%
60%
40%
40%
20%
13.9%
24.4%
100%
20%
0%
15.1%
100
150
27.6%
100
150
Prąd (A)
150
Prąd (A)
150
0%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
H
1
Rys. 4. Przebieg czasowy i zawartość harmonicznych
prądu fazowego (faza L1) w obwodzie 80 kVA zasilającym
UPS (przestrzeń biurowa)
2
3
4
5
6
H
7
8
9
10
11
12
Rys. 5. Przebieg czasowy i zawartość harmonicznych
prądu neutralnego w obwodzie 80 kVA zasilającym
UPS (przestrzeń biurowa)
W przewodzie uziemiającym stwierdzono stałą obecność stosunkowo dużych prądów. Jest to typowym objawem tego, że nie zachowano systemu TN-S, co oznacza, że istnieją wielokrotne połączenia pomiędzy przewodem neutralnym i ziemią. Warunkiem, który musi być
przestrzegany jest istnienie tylko jednego głównego zacisku uziemiającego, stanowiącego połączenie między
przewodem neutralnym i ziemią. Należy poinstruować
miejscowy personel, aby unikał jakichkolwiek połączeń
między przewodem neutralnym i ziemią w instalacji rozdzielczej nn.
100%
66.3%
80%
42.0%
60%
19.9%
40%
20%
0%
1
2
3
4 5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
H
Rys. 6. Zawartość harmonicznych w prądzie fazy L2
w rozdzielnicy głównej w obwodzie zasilania tablicy
rozdzielczej parteru (głównie obwody oświetleniowe)
Powyższe pomiary wykonano za pomocą jednofazowego
analizatora jakości energii Fluke 43, 0 – 600 V, z przetwornikiem prądowym 600 A/1 mV/A.
Zdarzenia
Użytkownik budynku spotykał się z dużą i stale rosnącą liczbą zdarzeń i uszkodzeń związanych głównie z nadmiernym
nagrzewaniem się obwodów rozdzielczych i niepożądanym działaniem urządzeń zabezpieczających.
Analiza istniejącej sytuacji
Obecny stan instalacji wskazuje na brak organizacji i racjonalności w podejściu. Nie odpowiada on projektowi mającemu zapewnić pewność zasilania, który przedsiębiorstwo przyjęło na początku (zasilanie instalacji rozdzielczej przez wiele transformatorów, UPS i układ silnik-generator).
Niektóre z elementów nie są zgodne z aktualnymi normami. Nawet pełna zgodność z normami nie gwarantuje prawidłowej, z punktu widzenia jakości energii i EMC, realizacji funkcji budynku o kluczowym znaczeniu.
3
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
Schemat instalacji rozdzielczej
Schemat instalacji rozdzielczej nie jest ani systematyczny ani racjonalny, prawdopodobnie z powodu licznych modyfikacji dokonywanych od początku jej istnienia. Istnieją istotne ograniczenia dotyczące niezależności i rezerwy obciążalności. Istnieją pewne „wąskie gardła”, np. na poziomie głównego przewodu szynowego nn (rys. 1). Dwa zastosowane transformatory nie są niezależne.
Nadmierne nagrzewanie się wewnętrznych linii zasilających
Duże nasycenie urządzeniami informatycznymi takimi, jak komputery PC, serwery itp., oraz oświetlenie wyposażone w
elektroniczne zapłonniki są przyczyną wysokiej zawartości harmonicznych prądu w wielu obwodach.
Zjawiska te powodują przegrzewanie się przewodów neutralnych (zwiększone prądy w przewodach neutralnych o
zbyt małych przekrojach – p. części 3.1 i 3.5.1 Poradnika), jak również nieprawidłowe działanie urządzeń zabezpieczających.
Koordynacja zabezpieczeń i obciążalności wewnętrznych linii zasilających
Obciążalności prądowe niektórych wewnętrznych linii zasilających nie są skoordynowane z ich zabezpieczeniem nadprądowym. Duża liczba obwodów prowadzonych w tych samych listwach instalacyjnych czyni ten problem jeszcze bardziej
krytycznym, ponieważ temperatura ich pracy jest wyższa.
Analiza uszkodzeń obwodów wykazała, że ich przyczyną było długotrwałe nadmierne nagrzewanie się przewodów w listwach instalacyjnych.
Należy zwrócić uwagę na wartości współczynników korygujących, podawane w załącznikach informacyjnych do krajowych i międzynarodowych przepisów dotyczących oprzewodowania.
Konfiguracja przewodu neutralnego
W opisanym przypadku zastosowania zwielokrotnionego zasilania w układzie sieci TN-S prąd neutralny winien być sprowadzony bezpośrednio do głównego zacisku uziemiającego.
Należy wprowadzić procedury zapobiegające wykonaniu jakichkolwiek dodatkowych połączeń pomiędzy przewodem
neutralnym a ziemią. Połączenia takie tworzą alternatywne drogi dla prądu neutralnego, eliminując w ten sposób korzyści wynikające z zastosowania układu TN-S.
Koncepcja projektowania
Użytkownik budynku, działający w sektorze finansowym, zamierza przeprowadzić modernizację instalacji elektrycznej,
ponieważ pewność i jakość zasilania mają dla niego kluczowe znaczenie.
Biorąc pod uwagę problemy wynikające z niniejszej analizy oraz pomiarów jakości energii, należy przeprowadzić modernizację układów instalacji elektrycznej w następujących zakresach:
racjonalizacja układu wewnętrznych linii zasilających,
modernizacja instalacji elektrycznej na poszczególnych kondygnacjach.
Klasyfikacja odbiorników
Klasyfikacja odbiorników jest pierwszym krokiem do optymalnej racjonalizacji wewnętrznych linii zasilających. Wszystkie odbiorniki podzielono na 3 grupy:
standardowe,
„preferencyjne” – o podwyższonym stopniu wymagań co do ciągłości zasilania,
uprzywilejowane.
4
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
Odbiorniki standardowe są wykorzystywane w codziennej działalności, ale ich wyłączenie z eksploatacji nie powoduje zagrożenia dla zdrowia personelu, uszkodzenia urządzeń lub przerw w działalności firmy. Do ich zasilania wystarcza
zwykły układ promieniowy, a stosunkowo długie czasy obsługi są dopuszczalne (tabela 1).
Odbiorniki preferencyjne wymagają redundancji zasilania, na przykład takiej, jaką zapewnia podwójny układ promieniowy, prowadzony albo od pionowych linii zasilających, albo wykonany na poziomie połączeń pośrednich (tabela 2).
Odbiorniki standardowe - opis
Umożliwiają normalne funkcjonowanie budynku, ale ich niedostępność
nie powoduje zagrożenia dla personelu lub urządzeń:
Ogólne systemy budynku, np. klimatyzacja (ale bez pomieszczenia
serwera)
Rodzaj wymaganego zasilania
Wymagany czas obsługi
Standardowe obwody promieniowe
Nie jest określony
Wznowienie pracy może nastąpić po
pewnym czasie bez spowodowania
uszkodzeń
Niedostępność systemu może być
tolerowana przez stosunkowo długi
czas
Odbiorniki mogą być wyłączone
Oświetlenie ogólne
Ogrzewanie
Gniazda wtyczkowe
Tabela 1. Opis, kryteria projektowe i wymagany zakres interwencji dla odbiorników standardowych
Odbiorniki preferencyjne - opis
Rodzaj wymaganego zasilania
Normalne funkcjonowanie odbiornika jest wymagane dla zapewnienia
komfortu i bezpieczeństwa personelu
i klientów, jak również niezakłóconego działania firmy, np.:
Rezerwowane
Oświetlenie klatek schodowych, korytarzy i niektórych pomieszczeń
Zapewnienie minimalnych warunków
oświetlenia w celu uniknięcia paniki
Ogrzewanie lub klimatyzacja niektórych pomieszczeń
Podwójne promieniowe zasilanie
główne, zapewniające funkcjonalną
i fizyczną niezależność pionowych
linii zasilającyc
Można zastosować dwa oddzielne
piony zasilane albo z generatora albo
z dwóch niezależnych punktów siec
Nie dopuszcza się wyłączania odbiorników
Wymagany czas obsługi
Zgodnie z normą, przy długich przerwach w zasilaniu dopuszczalny czas
interwencji dla odbiorników zasilanych z generatora wynosi 20 sekund
Typowe wartości dla tej grupy odbiorników:
Pierwsza próba w ciągu 5 sekund,
Druga próba w ciągu 10 sekund
Trzecia próba w ciągu 15 sekund
Dźwigi osobowe
UPS
Tabela 2. Opis, kryteria projektowe i wymagany zakres interwencji dla odbiorników preferencyjnych
Odbiorniki uprzywilejowane - opis
Rodzaj wymaganego zasilania
Zasadnicze systemy budynku:
Bezpieczne
Oświetlenie bezpieczeństwa
Serwery
Podwójny układ promieniowy z niezależnymi pionami
Ewakuacja personelu
Przynajmniej jeden pion winien
zapewniać dużą niezawodność zasilania
Systemy alarmowe i ochrony
Stosowanie UPS
Sygnalizacja pożarowa i system
przeciwpożarowy
Dla niektórych odbiorników należy
rozważyć zastosowanieoddzielnych
UPS
Systemy telekomunikacji
Obwody telewizji dozorowej
Wymagany czas obsługi
Odbiorniki o czasie interwencji do
15 sekund
Odbiorniki dopuszczające krórką
przerwę w zasilaniu do 0,15 s
Niektóre odbiorniki wymagają ciągłego zasilania
Niektóre systemy pomocnicze
Tabela 3. Opis, kryteria projektowe i wymagany zakres interwencji dla odbiorników uprzywilejowanych
5
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
Odbiorniki uprzywilejowane mają kluczowe znaczenie dla
funkcjonowania budynku. Ich wyłączenie z pracy oznacza
poważne zagrożenie dla personelu lub możliwość powstania
znacznych szkód w działalności firmy. Dla każdego odbiornika
należy ustalić poziom niezależności. Minimalnym wymogiem
jest, aby odbiorniki te były zasilane z dwóch niezależnych źródeł, z możliwością automatycznego przełączania (tabela 3).
Rodzaj odbiornika
Udział procentowy
Standardowy
49%
Preferencyjny
13%
Uprzywilejowany
38%
Tabela 4. Klasyfikacja odbiorów
Schematy głównej instalacji rozdzielczej
W celu uniknięcia “wąskiego gardła”, występującego na głównych szynach nn, istniejący układ instalacji rozdzielczej winien być przekształcony w podwójny układ promieniowy (rys. 7, z lewej).
Zasilanie
standardowe
MV
23 kV
MV
D 2K(1/2+1/8) A
D
2 (A K)
TR1
100 kVA
2K (1/2+1/8) A GS
500 kVA
UPS
K 1/2 A
200 kVA
Odbiorniki
standardowe
GS
Generator
D
Silnik
Odbiorniki
uprzywilejowane
2 (A K)
TR2
800 kVA
K 1/8 A
50 kVA
Odbiorniki
preferencyjne
TR3
800 kVA
GS 500 kVA
400 V
LV
LV
K 3/8 A
150 kVA
23 kV
UPS
K 1/2 A
200 kVA
K 1/8 A
50 kVA
Odbiorniki
uprzywilejowane
Odbiorniki
preferencyjne
K 3/8 A
150 kVA
Odbiorniki
standardowe
400 V
800 kVA
HVAC
UPS
Rys. 7. Schemat ideowy proponowanej instalacji rozdzielczej w budynku
Parametry transformatorów TR1 i TR2 muszą być takie, aby każdy z nich mógł przenosić pełne obciążenie. Zważywszy,
że z powodu charakteru odbiorników przebieg prądu obciążenia będzie silnie odkształcony, transformatory powinny być
wymiarowane z uwzględnieniem prądów harmonicznych. Wymiarowanie transformatorów dla obciążenia prądami z zawartością harmonicznych zostało omówione w części 3.5.2 Poradnika.
W celu zmniejszenia prądów zwarciowych układ jest zwykle eksploatowany z otwartym sprzęgłem szynowym, ale krótkotrwała praca równoległa obu transformatorów jest możliwa.
Sekcję transformatorów należy zmodyfikować przez dodanie nowego transformatora TR3, o mocy 800 kVA, do zasilania
układów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC).
Odbiorniki standardowe są zasilane z jednego punktu sieci. Ten sam kabel energetyczny, pion i promieniowe obwody rozdzielcze zasilają również odbiorniki preferencyjne i uprzywilejowane.
Dwa zespoły silnik-generator zasilają odbiorniki preferencyjne i uprzywilejowane. Odbiorniki standardowe są odłączane
za pomocą wyłączników zlokalizowanych na końcach szyn głównych.
6
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
W przypadku awarii zasilania podstawowego i rezerwowego, odbiorniki uprzywilejowane są zasilane z dwóch UPS-ów.
Instalacja zasilania podstawowego i rezerwowego jest wykonana w układzie TN-S. Instalacja
zasilania bezprzerwowego UPS-ów może być
wykonana w układzie TN-S albo w układzie IT,
co w tym przypadku oznacza izolowanie od ziemi. Układy sieci odizolowane od ziemi są szczególnie korzystne z punktu widzenia ciągłości zasilania, nie mogą jednak zagwarantować ochrony personelu. Jeżeli instalacja jest wykonana w
układzie IT, to należy podjąć odpowiednie środki bezpieczeństwa zapewniające, że tylko upoważniony personel może mieć dostęp do obwodów IT.
Z układu wyeliminowano drugi punkt wspólnego
przyłączenia (rys. 7).
Rys. 8. Rozwiązanie w układzie promieniowym
(10 kondygnacji z trzema rodzajami odbiorów = 30 oddzielnych
pionowych linii zasilających)
Ciemna linia oznacza instalację rozdzielczą dla odbiorów standardowych
Szara linia oznacza instalację rozdzielczą dla odbiorów preferencyjnych
Jasna linia oznacza instalację rozdzielczą dla odbiorów uprzywilejowanych
Każda kondygnacja jest nadal zasilana z dwóch
tablic rozdzielczych, z których każda ma trzy sekcje (dla odbiorów standardowych, preferencyjnych i uprzywilejowanych) odpowiadające takim
samym sekcjom w rozdzielnicy głównej nn.
Obwody rozdzielcze mogą być wykonane w układzie równoległym (rys. 7) lub pojedynczym promieniowym (rys. 8).
Układ równoległy (wspólna linia zasilająca
wszystkie kondygnacje budynku dla każdego
rodzaju odbiorów) jest rozwiązaniem tańszym
i bardziej elastycznym w razie zwiększenia obciążenia w przyszłości. Niestety, jego użyteczność jest ograniczona przez mniejszą odporność na zwarcia w głównej linii zasilającej i
pionach.
Układ promieniowy pojedynczy (jedna linia zasilająca na każdą kondygnację budynku dla każdego rodzaju odbiorów) zapewnia:
Rys. 9. Rozwiązanie z oddzielnymi pionowymi liniami zasilającymi
(trzy rodzaje odbiorów = trzy pionowe linie zasilające
wspólne dla wszystkich kondygnacji)
Ciemna linia oznacza instalację rozdzielczą dla odbiorów standardowych
Szara linia oznacza instalację rozdzielczą dla odbiorów preferencyjnych
Jasna linia oznacza instalację rozdzielczą dla odbiorów uprzywilejowanych
minimalizację wzajemnych zakłóceń i spadku napięcia spowodowanego przez obciążenie,
że w przypadku zwarcia tylko odbiorniki zasilane z uszkodzonej linii są pozbawione zasilania,
łatwiejszą obsługę i konserwację instalacji.
Schemat promieniowy jest zatem preferowanym układem instalacji.
Dobór wewnętrznych obwodów zasilających
Tabela 5 przedstawia dobór – ze względu na moc obciążenia – wszystkich głównych sekcji systemu.
Całkowite obciążenie zainstalowane (kolumny 2 i 3) jest pomnożone przez współczynnik jednoczesności (kolumny 4 i 5)
w celu obliczenia mocy zapotrzebowanej (kolumny 6 i 7). Margines dla przyszłego przyrostu obciążenia zapewniono dobierając obwody zasilające (kolumny 8 i 9) z uwzględnieniem współczynnika wynoszącego 130% i 115% odpowiednio
dla obwodów siłowych i oświetlenia.
7
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
Obciążenie
Obciążenie
zainstalowane
(kVA)
(1)
Poziom podziemny drugi
Poziom podziemny pierwszy
Parter i systemy ogólne
Pierwsze piętro
Drugie piętro
Trzecie piętro
Czwarte piętro
Piąte piętro
Szóste piętro
Siódme piętro
Ósme piętro
Dziewiąte piętro
Sterownia ogrzewania
Ogrzewanie, wentylacja,
klimatyzacja
Boksy
Dźwigi osobowe
SUMA
Współczynnik
jednoczesności
Moc
Moc
zapotrzebowana zapotrzebowana
(kVA)
z uwzględnieniem
rezerwy (kVA)
Siła
(2)
Światło
(3)
Siła
(4)
Światło
(5)
Siła
(6)
Światło
(7)
Siła
(8)
Światło
(9)
7
114
43
50
50
50
50
50
50
50
29
3
29
10
15
15
17
17
17
17
17
17
17
12
2
0
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
--
5
80
30
35
35
35
35
35
35
35
20
2
20
10
15
15
17
17
17
17
17
17
17
12
2
0
6,5
104
39
45,5
45,5
45,5
45,5
45,5
45,5
45,5
26
2,6
26
11,5
17,25
17,25
19,55
19,55
19,55
19,55
19,55
19,55
19,55
13,8
2,3
0
843
0
0,7
--
590
0
767
0
14
114
1546
5
0
178
0,7
0,7
--
1
1
--
10
80
1082
5
0
178
13
104
1407
5,75
0
204,7
Tabela 5. Dobór obwodów rozdzielczych wg mocy szczytowej
Biorąc pod uwagę zmierzone przebiegi prądu, wszystkie nowe linie zasilające zostały dobrane z uwzględnieniem zawartości harmonicznych i wymagań pewności zasilania:
przekrój poprzeczny przewodu neutralnego dobrano równy przekrojowi przewodów fazowych (część 3.5.1.),
uwzględniono zmniejszenie znamionowej obciążalności kabli (części 3.1. i 3.5.1. Poradnika).
Szczególną uwagę należy poświęcić doborowi przewodów neutralnych i fazowych w celu uniknięcia ich przegrzewania
i nieprawidłowego wyzwalania urządzeń zabezpieczających. Zasilacze bezprzerwowe UPS lub zespoły silnik-generator
nie są użyteczne, jeżeli uszkodzenie linii zasilającej następuje po ich stronie odbiorczej.
Analiza kosztów
W tabeli 6 porównano koszt istniejącej instalacji z kosztami dwóch możliwych rozwiązań. W obu alternatywnych rozwiązaniach różnice dotyczą tylko pionowych linii zasilających, a zatem także kosztu rozdzielnicy głównej nn.
Rozwiązanie 1 to układ równoległy. Rozwiązanie 2 jest prostym, pojedynczym układem promieniowym, który jest preferowanym dla nowych budynków, natomiast trudnym do wprowadzenia w przypadku modernizacji istniejącej instalacji.
Wysokość kosztów, jeżeli wybór następuje w początkowej fazie projektowania
W istniejącej sytuacji należy podkreślić, że:
wartości procentowe odnoszą się do kosztu istniejącej instalacji,
dodatkowy koszt lepszego rozwiązania jest niski, jeżeli wybór wariantu będzie podjęty w początkowej fazie projektowania,
koszt rozwiązania najlepszego technicznie (tzn. rozwiązania 2 – pojedynczy układ promieniowy dla obwodów odbiorczych) będzie różnił się tylko o 3% od kosztu rozwiązania 1, jeżeli zostanie ono przyjęte w początkowej fazie projektowania, natomiast będzie znacznie większy, jeżeli będzie ono wprowadzane dopiero na etapie modernizacji,
8
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
za podstawę kosztów przyjęto rok 2001,
koszt UPS obejmuje tylko koszt zakupu i zainstalowania. Należy uwzględnić dodatkowe koszty obsługi i konserwacji.
Nawet jeżeli oszacowanie przeciętnych kosztów systemu zaprojektowanego zgodnie z zasadami jakości energii jest trudne, należy przyjąć, że:
kosztorys obejmuje koszty związane z praktycznymi trudnościami wykonania instalacji i renowacji budynku położonego w centrum dużego miasta,
modyfikacja układu głównej instalacji rozdzielczej jest najważniejszym i najbardziej pożytecznym działaniem,
które ma być podjęte,
rozwiązanie z oddzielnymi pionowymi liniami zasilającymi jest bardzo trudne do zrealizowania w trakcie eksploatacji budynku.
Pozycja
Koszty projektowe
Rozdzielnica główna nn
Piony
Instalacja rozdzielcza pozioma
Odbiory zasilane z zespołów generatorów
UPS
Zasilanie gniazd wtyczkowych
Oświetlenie
Suma
Różnica kosztów
Koszt modernizacji instalacji
Koszt dodatkowy
Stan istniejący
(€)
32 000
30 000
107 000
87 000
55 000
355 000
500 000
1 166 000
Rozwiązanie 1
(€)
Rozwiązanie 2
(€)
35 000
35 000
135 000
107 000
105 000
375 000
525 000
1 317 000
151 000k (+13%)
45 000
60 000
135 000
107 000
105 000
375 000
525 000
1 352 000
186 000 (+16%)
422 000 (+36%)
543 000 (+46%)
Tabela 6. Porównanie kosztów
Wnioski
Niski koszt początkowy nie zawsze oznacza dobrą jakość. System zgodny z wymaganiami jakości energii elektrycznej,
początkowo droższy, pozwala zaoszczędzić znaczne kwoty w okresie jego eksploatacji. Studium przypadku, analizowane
w niniejszej publikacji, pokazuje, że instalacja elektryczna zaprojektowana bez uwzględnienia zagadnień jakości energii
elektrycznej prowadzi do znacznych i niepotrzebnych wydatków. Należy podjąć decyzję, czy rozwiązywać te problemy,
czy też godzić się na wynikające z nich niewygody i skutki przestojów w eksploatacji.
Analiza kosztów i korzyści wykazuje, że pewność zasilania powinna być starannie rozważona na etapie projektowania.
Wzrost kosztu instalacji o zaledwie 16% (1% kosztu budynku) zapewnia:
trzy stopnie ochrony przeciwko wyłączeniom zasilania dla odbiorników o kluczowym znaczeniu (podwójne tablice rozdzielcze na każdej kondygnacji, zespół silnik-generator, UPS),
system o wysokiej odporności, w którym każda kondygnacja jest zasilana z dwóch tablic rozdzielczych; tablice
te są od siebie niezależne, a także niezależne od wszystkich tablic pozostałych kondygnacji,
dużą elastyczność układu pod względem możliwości zwiększenia obciążenia w przyszłości.
Jakkolwiek rozwiązanie o wysokiej odporności może wydawać się drogie, w typowych warunkach powiększa koszt budynku o ok. 1%. Dla budynków komercyjnych, w których koszty eksploatacyjne zrównują się z początkowym kosztem
budowy po 7-8 latach, inwestycja ta zostanie spłacona wzrostem produktywności o 10 minut na tydzień. Cała reszta stanowi zysk.
Projektowanie zgodne z obecnymi normami nie gwarantuje uzyskania wyników optymalnych pod względem jakości
energii i kompatybilności elektromagnetycznej i wymaga rozważenia innych rozwiązań.
Ulepszone normy europejskie znajdują się obecnie w trakcie opracowania.
9
Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego
LITERATURA
1. Chizzolini P., Noferi P. L.: Ottimizzazione degli interventi sulla rete di distribuzione mirati al miglioramento della continuita’ del servizio
elettrico. LXXXVII Riunione AEI, Firenze 1986.
2. Gruzs T. M.: A survey of neutral currents in three-phase computer power systems. IEEE Transaction on industry applications,
vol. 26, n° 4 July/August 1990.
3. IEC 364-5-523 - Electrical installations of buildings - Part 5-52: Selection and erection of electrical equipment – Wiring systems.
4. Baggini A., Bossi A.: Componenti e carichi suscettibili ai disturbi’, Corso ‘Interazioni elettromagnetiche tra componenti e sistemi in
ambito industriale: compatibilitŕ elettromagnetica in bassa frequenza’. Dipartimento di Elettrotecnica del Politecnico di Milano, 21-25
febbraio 1994.
5. Silvestri A., Tommazzolli F.: Schemi per gli impianti di energia: semplicitŕ, affidabilitŕ, risparmio, ridondanza dove e come’, Corso ‘Il
progetto degli impianti elettrici di energia. Le norme e la regola dell’arte. Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Universitŕ degli Studi
di Pavia, AEI, CNR, Pavia, 10-13 giugno 1991.
10
Notatki
11
Notatki
12
Partnerzy główni i referencyjni
European Copper Institute
(ECI)
Web: www.eurocopper.org
Engineering Consulting & Design
(ECD)
Web: www.ecd.it
Polskie Centrum Promocji Miedzi
(PCPM)
Web: www.miedz.org.pl
Akademia Górniczo-Hutnicza
(AGH)
Web: www.agh.edu.pl
Hochschule für Technik und Wirtschaft
(HTW)
Web: www.htw-saarland.de
Provinciale Industriele Hogeschool
(PIH)
Web: www.pih.be
Centre d’Innovació Tecnològica en
Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Web: www-citcea.upc.es
Istituto Italiano del Rame
(IIR)
Web: www.iir.it
Università di Bergamo
Web: www.unibg.it
Comitato Elettrotecnico Italiano
(CEI)
Web: www.ceiuni.it
International Union of Electrotechnology
(UIE)
Web: www.uie.org
University of Bath
Web: www.bath.ac.uk
Copper Benelux
Web: www.copperbenelux.org
ISR - Universidade de Coimbra
Web: www.uc.pt
University of Manchester Institute of
Science and Technology (UMIST)
Web: www.umist.ac.uk
Copper Development Association
(CDA UK)
Web: www.cda.org.uk
Katholieke Universiteit Leuven
(KU Leuven)
Web: www.kuleuven.ac.be
Politechnika Wrocławska
Web: www.pwr.wroc.pl
Deutsches Kupferinstitut
(DKI)
Web: www.kupferinstitut.de
La Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales (ETSII)
Web: www.etsii.upm.es
Zespół redakcyjny
David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr Araceli Hernàndez Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Franco Bua
ECD
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Gregory Delaere
Lemcko
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dipl-Ing Marcel Didden
KU Leuven
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Reiner Kreutzer
HTW
[email protected]
Prof Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Jonathan Manson
Gorham & Partners Ltd
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
UMIST
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA
[email protected]
Roman Targosz
PCPM
[email protected]
Hans De Keulenaer
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
Email:
Web:
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org
Prof Angelo Baggini
Universita di Bergamo
v.le Marconi 5
Dalmine 24044
Italy
Tel:
Fax:
Email:
Web:
00 39 035 2052353
00 39 035 2052377
[email protected]
www.unibg.it
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o.
50-136 Wrocław
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org