Устройство бесперебойного электропитания

 

Устройство бесперебойного электропитания относится к области электротехники, в частности, к устройствам электропитания и может быть применено на подстанциях электрических сетей для питания аппаратуры телемеханики, связи, радиосвязи и др. потребителей. Устройство включает источник бесперебойного питания и шкаф внешнего байпаса с подключенными к нему источниками сетевого напряжения,

Сущность полезной модели состоит в том, что с целью увеличения надежности и упрощения обслуживания дополнительно вводятся второй источник сетевого напряжения, блок сигнализации состояния источника бесперебойного питания, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, клеммы ввода/вывода для подключения сетевых источников напряжения, источника бесперебойного питания и потребителей, пять автоматов защиты и коммутации электрических цепей устройства, автоматы подключения и защиты потребителей, при этом, первый источник сетевого напряжения подключен к первым входам, первого коммутатора, блока индикации и четвертого коммутатора через клеммы ввода сетевого напряжения, первый разъединитель и первый блок защиты от импульсных помех, второй источник сетевого напряжения подключен к вторым входам первого коммутатора, блока индикации и четвертого коммутатора через клеммы ввода сетевого напряжения, второй разъединитель и второй блок защиты от импульсных помех, выход первого коммутатора через первый автомат защиты подключен к второму входу второго коммутатора, а через второй автомат защиты, клеммы подключения входа источника бесперебойного питания, источник бесперебойного питания, клеммы подключения первого выхода источника бесперебойного питания и третий автомат защиты к первому входу второго коммутатора, выход второго коммутатора подключен к третьему входу блока индикации, а через четвертый автомат защиты к первому входу третьего коммутатора, выход третьего коммутатора подключен к четвертому входу блока индикации, а через параллельно включенные шестой и седьмой автоматы защиты потребителей к клеммам вывода выходного напряжения шкафа внешнего байпаса, выход четвертого коммутатора через седьмой автомат защиты подключен к второму входу третьего коммутатора, к клеммам вывода выходного напряжения шкафа подключены потребители.

Иллюстрации - один рисунок.

Один зависимый пункт формулы.

Устройство бесперебойного электропитания относится к аварийному или резервному электроснабжению и может быть использовано для электропитания аппаратуры требующей высоконадежных источников электропитания. Например, для электропитания аппаратуры автоматики, телемеханики и связи на подстанциях электрических сетей. Требование обеспечения высокой надежности может быть дополнено требованием сохранения работоспособности при отказе одного из элементов или блоков устройства. Это условие предполагает введение необходимого резервирования.

Техническим результатом использования данного устройства будет повышение надежности и упрощение обслуживания при устранении неполадок или проведении профилактических работ. Использование устройства на многих объектах унифицирует оборудование электропитания, что, в конечном счете, может привести к уменьшению стоимости оборудования.

Устройство содержит два независимых первичных источника переменного напряжения, источник бесперебойного питания (ИБП), или несколько ИБП при возможности их параллельной работы, два разъединителя, два блока защиты от импульсных помех, четыре коммутатора, блок индикации, блок сигнализации, автоматы защиты, клеммы подключения электрических цепей.

Устройство относится к аварийному или бесперебойному электроснабжению с возможностью переключения источников электропитания и может быть использовано для электропитания систем, требующих повышенной надежности обеспечения электропитанием, в частности, при электропитании систем автоматики, телемеханики и связи на подстанциях электросетей.

Известна установка бесперебойного электроснабжения железнодорожной автоматики [1]. Она содержит входные фидеры, блоки контроля, коммутации и индикации фидеров, источники бесперебойного питания и блок ручного управления. Она обеспечивает достаточно полный контроль состояния фидеров и необходимую степень реконфигурации схемы в зависимости от состояния источников электропитания.

Недостатком данной установки, по мнению авторов, является то, что она имеет последовательно соединенные, функционально сложные блоки, поэтому сама по себе представляет собой звено пониженной надежности, поэтому задача увеличения надежности выполняется не в полной мере.

Известно [2] устройство для автоматического переключения источников, однако оно функционально усложнено и не обладает необходимой гибкостью без компьютера.

Известно устройство [3] для автоматического переключения нагрузки с одного источника переменного тока на другой, однако, как и в предыдущих случаях, не обеспечивается необходимая надежность самого устройства при неисправности одного из элементов.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство бесперебойного электропитания потребителя [4], включающее источник бесперебойного питания и шкаф внешнего байпаса, содержащий разъединители, выключатели, внешнюю электрическую сеть, блоки гальванической развязки и блоки защиты от мощных импульсных помех.

Это устройство питает потребители от ИБП, а при его неисправности или техническом обслуживании питание переключается на внешний байпас. Недостатком этого устройства для целей питания телемеханики и связи на подстанциях электросетей является недостаточная надежность, гибкость и прерывание в электропитании при переключении на внешний байпас.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение надежности и упрощение

обслуживания.. Это достигается тем, что в устройство бесперебойного электропитания, включающее источник бесперебойного электропитания, первый источник внешнего сетевого напряжения и шкаф внешнего байпаса, содержащий первый и второй разъединители, первый и второй блоки защиты от импульсных помех и блок индикации дополнительно вводятся второй источник сетевого напряжения, блок сигнализации состояния источника бесперебойного питания, подключенный к второму выходу источника бесперебойного питания, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, клеммы ввода сетевого напряжения в шкаф внешнего байпаса и клеммы вывода выходного напряжения шкафа, клеммы для подключения входа и первого выхода источника бесперебойного питания, первый, второй, третий, четвертый, пятый автоматы защиты и коммутации электрических цепей и шестой, седьмой автоматы подключения и защиты потребителей, при этом, первый источник сетевого напряжения подключен к первым входам, первого коммутатора, блока индикации и четвертого коммутатора через клеммы ввода сетевого напряжения, первый разъединитель и первый блок защиты от импульсных помех, второй источник сетевого напряжения подключен к вторым входам первого коммутатора, блока индикации и четвертого коммутатора через клеммы ввода сетевого напряжения, второй разъединитель и второй блок защиты от импульсных помех, выход первого коммутатора через первый автомат защиты подключен к второму входу второго коммутатора, а через второй автомат защиты, клеммы подключения входа источника бесперебойного питания, источник бесперебойного питания, клеммы подключения первого выхода источника бесперебойного питания и третий автомат защиты к первому входу второго коммутатора, выход второго коммутатора подключен к третьему входу блока индикации, а через четвертый автомат защиты, к первому входу третьего коммутатора, выход третьего коммутатора подключен к четвертому входу блока индикации, а через параллельно включенные шестой и седьмой автоматы защиты потребителей к клеммам вывода выходного напряжения шкафа, выход четвертого коммутатора через седьмой автомат защиты подключен к второму входу третьего коммутатора, к клеммам вывода выходного напряжения шкафа внешнего байпаса подключены потребители.

Обеспечение высоконадежным электропитанием телемеханики и аппаратуры связи на подстанциях и диспетчерских пунктах обусловлено тем, что телемеханика выполняет задачи телесигнализации состояния энергетических объектов, измерения их параметров и телеуправления. Все телемеханические сигналы, а также сигналы по защите энергетических объектов системой релейной защиты передаются по каналам связи аппаратуры связи. Кроме телемеханики и связи имеются и другие объекты, которые требуют высоконадежного электропитания, например, некоторые виды телефонной и радиосвязи, системы учета потребления электроэнергии и т.д. Особо следует отметить требование минимизации времени при переключении с одного источника электропитания, применяемого в устройстве, на другой. Это связано с тем, что для диагностики причин аварийных или иных нештатных ситуаций важно иметь для анализа все сигналы телемеханики аварийного переходного процесса. Таким образом, требование использования надежных, имеющих минимально возможное время перерыва при переключении, а также удобных и гибких в эксплуатации устройств бесперебойного электропитания является оправданным. Выше отмечалось, что требование высокой надежности к ответственной аппаратуре дополняется требованием "один отказ - не отказ".

Высокая надежность обеспечивается различными техническими средствами. Одним из эффективных средств является резервирование наиболее ненадежных или наиболее нагруженных элементов или блоков устройства. Для отказа системы с параллельным соединением элементов в течении наработки необходимо, чтобы все параллельные элементы отказали в течении наработки. Вероятность такого события определяется по

теореме умножения вероятностей как произведение вероятностей отказа параллельно соединйнных элементов и равна: [1]

Где: Q - вероятность отказа системы; q1, q2, qn - вероятности отказа первого, второго, n-го элемента; П - знак произведения, pi=1-qi - вероятность исправности i-го элемента; n - количество элементов, соответственно P=1-Q. Для равнонадежных элементов pi=р, поэтому вероятность безотказной работы будет равна:

Следует отметить, что резервирование простых, высоконадежных элементов, например, автоматов защиты или клемм вряд ли оправдано из-за увеличения громоздкости устройства, это означает, что требование "один отказ - не отказ" в полной мере не может быть выполнено, как не может быть выполнено требование сколь угодно высокой надежности устройства хотя бы потому, что она не может быть выше надежности выходного элемента. Рассмотрим, как выполняются приведенные выше требования в устройстве. На рис.1 приведена схема устройства.

В схеме обозначено:

1 - источник бесперебойного питания (ИБП);

2 - первый источник сетевого напряжения с1;

3 - шкаф внешнего байпаса;

4 - первый разъединитель;

5 - второй разъединитель;

6 - первый блок защиты от импульсных помех;

7 - второй блок защиты от импульсных помех;

8 - блок индикации;

9 - второй источник сетевого напряжения с2;

10 - блок сигнализации состояния источника бесперебойного питания;

11 - первый коммутатор;

12 - второй коммутатор;

13 - третий коммутатор;

14 - четвертый коммутатор;

15 - клеммы ввода сетевого напряжения в шкаф внешнего байпаса;

16 - клеммы вывода выходного напряжения шкафа внешнего байпаса;

17 - клеммы подключения входного кабеля источника бесперебойного питания;

18 - клеммы подключения выходного кабеля источника бесперебойного питания;

19 - первый автомат защиты и коммутации электрических цепей;

20 - второй автомат защиты и коммутации электрических цепей;

21 - третий автомат защиты и коммутации электрических цепей;

22 - четвертый автомат защиты и коммутации электрических цепей;

23 - пятый автомат защиты и коммутации электрических цепей;

24 - шестой автомат подключения и защиты потребителей;

25 - седьмой автомат подключения и защиты потребителей;

26 - потребители.

Исходное (рабочее) состояние схемы следующее:

На входные клеммы 15 поступают сетевые напряжения от первого 2 и второго 9 источников сетевого напряжения. Через разъединители 4, 5 и блоки защиты 6, 7 от помех они поступают на входы 1, 2 первого коммутатора 11, четвертого коммутатора 14 и блока индикации. Все коммутаторы устройства 11, 12, 13 и 14 имеют приоритет по входу 1, т.е.

пропускают на выход напряжения входа 1, а по входу 2 не пропускают. Блок индикации 8 индицирует наличие напряжений источников 2, 9 и выходов коммутаторов два и три. С выхода первого коммутатора 11 через включенный автомат защиты 19 напряжение поступает на вход 2 второго коммутатора 12, а через включенный автомат 20 и клеммы 17 на вход источника бесперебойного питания (ИБП) 1. ИБП включен и его выходное напряжение через клеммы 18 и включенный автомат 21 поступает на вход 1 второго коммутатора 12. Выходное напряжение коммутатора 12 (это напряжение ИБП) поступает на третий вход блока индикации 8, а через включенный автомат защиты 22 на вход 1 третьего коммутатора 13. На входе 2 коммутатора 13 также будет напряжение с выхода четвертого коммутатора через включенный автомат защиты 23. С первого входа коммутатора 13 напряжение проходит на выход коммутатора и далее на вход 4 блока индикации, а через включенные автоматы 24, 25 на выходные клеммы 16, к которым подключены потребители. Таким образом, в исходном состоянии потребители запитаны от ИБП. Работа устройства при нештатных ситуациях, под которыми понимается следующее:

1 - обесточение одного или обоих источников сетевого напряжения;

2 - неисправность ИБП;

3 - неисправности блоков (элементов) устройства бесперебойного электропитания.

При обесточении второго источника сетевого напряжения 9 никаких коммутаций в устройстве не будет. Блок индикации 8 сигнализирует отсутствие напряжения второго источника. Аппаратура телемеханики фиксирует и передает все сигналы, характеризующие работу и состояние энергетического оборудования.

При обесточении первого источника (2) первый и четвертый коммутаторы включат цепь прохождения напряжения 'вход 2 - выход'. На входах коммутаторов два (12), три (13) и ИБП (1) напряжения сохранятся. Блок индикации (8) будет сигнализировать отсутствие первого сетевого напряжения.

При обесточении обоих источников сетевого напряжения потребители будут питаться от ИБП до истощения его аккумуляторного энергоресурса, после чего потребители обесточатся. При восстановлении одного из сетевых напряжений через первый коммутатор подается питание на ИБП и далее через коммутаторы два и три запитываются потребители. После заряда аккумуляторов, ИБП автоматически включается и через цепь вход 1 - выход второго коммутатора берет на себя нагрузку.

При неисправностях первого (11) или второго (12) коммутаторов потребители будут запитаны по цепи третьего и четвертого коммутаторов Блок сигнализации 10 обеспечивает дистанционный контроль состояния ИБП.

Выводы: потребители обесточиваются только в том случае, если пропадет питание от обоих источников сетевого напряжения и иссякнет энергоресурс ИБП.

В течение всего этого времени аппаратура телемеханики и связи выполняет задачи телеуправления, телесигнализации и телеизмерений процессов энергетических объектов.

Как выполняются заявленные требования по увеличению надежности и упрощению обслуживания относительно прототипа.

Для этого сравним по надежности три структуры рис.2, рис.3 и рис.4.

На рис.2 приведена схема по оценке структурной надежности прототипа, на рис.3 схема оценки структурной надежности устройства, в котором вводился бы только второй источник сетевого напряжения, а дополнительной цепи из коммутаторов 13, 14 не было. На рис.4 приведена схема по оценке структурной надежности предлагаемого устройства. Для упрощения из схем исключены общие элементы, имеющиеся в предлагаемом устройстве и прототипе, такие как разъединители, блоки защиты от импульсных помех, источники бесперебойного питания, а вероятность безотказной работы высоконадежных элементов клемм и автоматов защиты принята равной единице.

Выполним численное сравнение структурной надежности схем рис.2 - рис.3. Для этого зададимся вероятностями безотказной работы (надежностью) входящих в схемы элементов. Пусть для рис.2 вероятность наличия напряжения сетевого источника р(с) равна: р(с)=0.9, суммарная вероятность исправности двух выключателей 1 и 3 равна; р(выкл 1,3)=0.9, то вероятность исправности всей схемы равна:

Для варианта устройства, когда вводится только второй источник сетевого напряжения, схема для расчета структурной надежности приведена на рис.3. Источники сетевого напряжения включены параллельно, но ввод осуществляется с помощью коммутатора 11, который включен последовательно с сетевыми источниками и коммутатором 12. Структурная надежность схемы будет равна:

где: р(3) - структурная надежность схемы рис.3; р(с1), р(с2) - вероятность наличия напряжений сетевых источников 1 и 2; р(11), р(12) - вероятность исправности коммутаторов 11 и 12.

Сравнение (3) и (4) показывает, что введение второго источника при принятых вероятностях не дает увеличения надежности. Это потому, что были приняты вероятности исправности коммутационных элементов такими же, как вероятности наличия сетевых напряжений. В реальных случаях вероятности исправности коммутационных элементов выше. Например, при р(с1)=р(с2)=0.9, а р(11)=р(12)=0.95 просчитав по формулам (3) и (4) получим: р(2)=0.855, а р(3)=0.9.

Для предлагаемого устройства схема для расчета структурной надежности приведена на рис.4. Схема дополняется коммутатором 14, с вероятностью исправности р(14), включенным параллельно основной цепи и коммутатором 13 с вероятностью р(13), который по схеме надежности включен последовательно параллельным цепям. Структурная надежность схемы рис.4 будет равна:

Сравнения результатов расчетов (3) - (5) показывает, что структурная надежность предлагаемого устройства наибольшая.

Из рисунка 4 видно, что в предлагаемом устройстве выход одного любого элемента (кроме выходного коммутатора 13) не приводит к отказу всего устройства. Поэтому требование "один отказ - не отказ" выполняется, но с ограничением до одного элемента - выходного коммутатора 13. Надежность устройства также не может быть выше надежности выходного элемента. Учитывая важную роль этого элемента в ограничении надежности, исполнение его должно быть наиболее простым, в пределе - перекидной контакт.

Требование по упрощению обслуживания достаточно очевидно. Наличие второй цепи питания позволяет отключить одну из цепей и проводить ее ремонт или обслуживание. Это обеспечивается возможностью ручного управления коммутаторами. Техническая реализация устройства выполняется на элементах, выпускающихся промышленностью. Ниже приведены возможные типы элементов, входящих в схему устройства рис.1, номинальной мощностью до 2-х кВа. 1 - источник бесперебойного питания любого типа, но при требовании недопустимости провала напряжения при переключениях даже на несколько десятков миллисекунд, типа ON-LINE;

2, 9 - независимые источники с общей нейтралью напряжением 220 В, 50 гЦ;

3 - шкаф внешнего байпаса разрабатывается под схему устройства в настенном или напольном исполнениях, в последнем случае источник бесперебойного питания находится внутри шкафа.

В качестве разъединителей 4,5 могут использоваться выключатели-разъединители типа ВН-321Р25(32)А.

В качестве блоков защиты от помех 6.7 можно использовать микропроцессорное устройство защиты от повышенного, пониженного и скачков напряжения ASP auto 1R или реле типа НRМ-35;

8 - блок индикации монтируется в шкафу и состоит из светосигнальной арматуры, например, АС-220 и ламп;

10 - блок сигнализации состояния источника бесперебойного питания индивидуален и, в зависимости от комплектации и типа ИБП, может использовать или сигналы релейных выходов или обеспечивать дистанционный мониторинг ИБП по локальной сети. Коммутаторы 11-14 выполнены по схеме рис.5.

В схеме рис.5 обозначено:

PI, P2 - реле, например, типа НН63Р или R15;

Kl, K2 - контактные группы соответствующих реле;

В1, В2 - выключатели, например, типа ВН-32 IP 25 А.

Коммутаторы работают с приоритетом по входу 1, ручное управление позволяет отключить вход 1 и включить вход 2 или отключить оба входа.

19-25 автоматы защиты, отключения - автоматические выключатели типа S231 1P 16 (25) А.

Источники информации.

1. RU 2215355 С1, МПК H02J9/06. Установка бесперебойного электроснабжения железнодорожной автоматики.

2. № публикации 69343, дата публ..2007.12.10. МПК H02J 9/06. Устройство для автоматического переключения источников электропитания.

3. МПК H02J9/06, номер публ.2025024. Устройство для автоматического переключения нагрузки с одного источника переменного тока на другой.

4. Полезная модель, RU, МПК H02J 9/06, дата публ. 2007.12.10, № публ. 69342. Устройство бесперебойного электропитания потребителя.

5. RU №ПМ 50349 И1, H02J 9/00. Устройство бесперебойного питания.

6. RU №2304337 С1. Устройство резервного энергоснабжения.

7. RU №2071626. Система бесперебойного электропитания.

8. UA №53290 А;7 H02J 9/06. Пристрiй автоматичного i ручного вмикання резервного джерела електроживлення

9. DE №3444655 Al. H02J 9/06. Schaltung far eine einphasige Geratenstromver-sorgung aus einem Dreiphasennetz.

10. PL 174942, Uklad zasilania stacyjnych urradzen sterowania ruchem Kolejowym.

11. Надежность технических систем, справочник, М., Р и С, 1985.

1. Устройство бесперебойного электропитания потребителей, включающее источник бесперебойного питания, первый источник внешнего сетевого напряжения и шкаф внешнего байпаса, содержащий первый и второй разъединители, первый и второй блоки защиты от импульсных помех и блок индикации, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности и упрощения обслуживания, дополнительно вводятся второй источник сетевого напряжения, блок сигнализации состояния источника бесперебойного питания, подключенный к второму выходу источника бесперебойного питания, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, клеммы ввода сетевого напряжения в шкаф внешнего байпаса, клеммы вывода выходного напряжения шкафа, клеммы для подключения входа и первого выхода источника бесперебойного питания, первый, второй, третий, четвертый, пятый автоматы защиты и коммутации электрических цепей и шестой, седьмой автоматы подключения и защиты потребителей, при этом первый источник сетевого напряжения подключен к первым входам первого коммутатора, блока индикации и четвертого коммутатора через клеммы ввода сетевого напряжения, первый разъединитель и первый блок защиты от импульсных помех, второй источник сетевого напряжения подключен к вторым входам первого коммутатора, блока индикации и четвертого коммутатора через клеммы ввода сетевого напряжения, второй разъединитель и второй блок защиты от импульсных помех, выход первого коммутатора через первый автомат защиты подключен к второму входу второго коммутатора, а через второй автомат защиты, клеммы подключения входа источника бесперебойного питания, источник бесперебойного питания, клеммы подключения первого выхода источника бесперебойного питания и третий автомат защиты - к первому входу второго коммутатора, выход второго коммутатора подключен к третьему входу блока индикации, а через четвертый автомат защиты к первому входу третьего коммутатора, выход третьего коммутатора подключен к четвертому входу блока индикации, а через параллельно включенные шестой и седьмой автоматы защиты потребителей - к клеммам вывода выходного напряжения шкафа внешнего байпаса, выход четвертого коммутатора через седьмой автомат защиты подключен к второму входу третьего коммутатора, к клеммам вывода выходного напряжения шкафа подключены потребители.

2. Устройство бесперебойного электропитания по п.1, отличающееся тем, что коммутаторы устройства содержат два реле напряжения, каждый из которых имеет хотя бы один переключающийся контакт и два выключателя, причем первые входы первого и четвертого коммутаторов являются выходами первого блока защиты от импульсных помех, вторые входы первого и четвертого коммутаторов являются выходами второго блока защиты от импульсных помех, первый и второй входы второго коммутатора являются выходами соответственно третьего и первого автоматов защиты и коммутации электрических цепей, первые и вторые входы третьего коммутатора являются соответственно выходами четвертого и пятого автоматов защиты и коммутации электрических цепей, выход первого коммутатора является входом для первого и второго автоматов защиты электрических цепей, выход второго коммутатора является входом для третьего входа блока индикации и четвертого автомата защиты и коммутации электрических цепей, выход третьего коммутатора является входом для четвертого входа блока индикации и автоматов шесть, семь подключения и защиты потребителей, выход четвертого коммутатора является входом пятого автомата защиты и коммутации электрических цепей, причем первые входы коммутаторов соединены с входами первых выключателей и контактной группой первого реле, вторые входы коммутаторов соединены с входами вторых выключателей и контактной группой второго реле, выходы первого и второго выключателей соединены с входными контактами обмоток первого и второго реле соответственно, выход контактной группы второго реле соединен с контактной группой первого реле, выход которой является выходом коммутатора.



 

Похожие патенты:

Система архитектурно-художественного освещения фасадов зданий объектов деревянного зодчества с богатым декором относится к области наружного освещения зданий и может быть использована для архитектурно-художественного освещения объектов деревянного зодчества с богатым декором.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение электрической изоляции между входными и выходными цепями
Наверх