Rambler's Top100
Статьи ИКС № 7 2006
Олег ЧЕКСТЕР  01 июля 2006

Электропитание объектов связи Возводим пирамиду качества

Формально или комплексно?

В состав электроустановки объекта связи в общем случае входят линии электропередачи, трансформаторные подстанции, собственные дизельные электростанции, установки питания постоянного и переменного тока, электрические сети технических территорий и помещений, устройства защиты, средства освещения, вентиляторы, кондиционеры и многое другое.

Не пытаясь объять необъятное, отвлечемся от оборудования жизнеобеспечения здания и подробно рассмотрим те «кирпичики», из которых складывается надежная система электропитания непосредственно аппаратуры связи. Это системы заземления и распределения переменного/постоянного тока, устройства защиты, автоматики и коммутации в цепях переменного/постоянного тока, фильтры, регуляторы (стабилизаторы) напряжения, резервные источники электроэнергии (дизель-генераторные установки – ДГУ) и постоянного тока (аккумуляторные батареи – АБ), мониторинг и диагностика, техническое обслуживание. При этом вопросы схемотехники оборудования, архитектуры построения и оптимального соотношения мощностей установок питания, а также определение конкретного вклада элементов системы в общую надежность оставим за рамками данного материала.

Для оптимального построения СЭП необходимо оценить слагаемые надежного электропитания и удельный вес каждой в конечном результате. Достаточно ли установить в здании дорогое оборудование, чтобы не иметь проблем в ближайшей перспективе? Существует два общих подхода к решению задачи.

При формальном подходе исходят из требований, предъявляемых аппаратурой связи к характеристикам качества электроснабжения, и определяют следующие параметры: состав установки питания постоянным током (электропитающей установки – ЭПУ), количество и мощность выпрямителей с учетом резерва, емкость аккумуляторной батареи, мощность резервных источников, дизель-электрической станции и/или установки питания переменным током (UPS). На базе собранных данных рассчитывается предполагаемая надежность системы в целом.

Однако это не дает уверенности в том, что питаемое или питающее оборудование не выйдет из строя в результате, например, грозы, не дает представления о том, где же находится «самое слабое звено» получившейся системы, каковы оптимальные пути дальнейшего изменения мощностей установок питания и каким образом можно повысить надежность уже существующей системы.

Комплексный подход отличается тем, что ЭПУ и резервные источники рассматриваются как части единой системы электропитания, которые влияют на конечный результат – качественное и надежное питание телекоммуникационного оборудования. Только оптимальное с точки зрения качества, надежности и затрат построение системы электропитания может гарантировать компании, что вложенные деньги и труд потрачены не напрасно.

Рассмотрим каждую составляющую СЭП в порядке возрастания важности, изобразив их для наглядности в виде «пирамиды качества электропитания».


Из чего же, из чего же, из чего же… сделана пирамида качества?

Система заземления – фундамент пирамиды


Основой безопасной и устойчивой работы любой электронной аппаратуры, в том числе и аппаратуры связи, является правильно выполненная система заземления. При проектировании заземления главная цель – снизить до приемлемого уровня напряжения и разности потенциалов в системе заземления объекта при внешних и внутренних дестабилизирующих воздействиях. В основном это достигается двумя способами:

строится изолированная система (Isolated Bonding Network – IBN), подключение к которой производится в одной-единственной точке (Single Point Connection – SPC), и все нежелательные контакты с системой заземления здания исключаются;

либо создается многоточечная система заземления, при которой происходит выравнивание потенциалов, возникающих при внешних воздействиях (Mesh Bonding Network – Mesh-BN).

Основным нарушением в IBN и источником проблем в Mesh-BN являются соединительные цепи с удаленным оборудованием, заземленным, к примеру, через коаксиальный кабель.

Поясним важность этого положения на примере. В последние годы довольно часто встречается способ размещения оборудования связи вне крупных объектов связи. Это могут быть базовые станции сотовой сети, оборудование сети доступа и т.д. В таких случаях нельзя подходить к построению системы заземления формально. Дело в том, что для вынесенного оборудования зачастую трудно обеспечить достаточный уровень сопротивления заземляющего устройства. Сопротивление заземления состоит из двух элементов – сопротивления собственного заземлителя и сопротивления удаленного заземлителя, представляющего собой нейтраль питающей сети переменного тока. При совместном измерении можно получить вполне приемлемую величину сопротивления, которая укладывается в рамки требований. Однако энергия воздействующего на оборудование короткого импульса перенапряжения, поступившего извне (например, во время грозы) или в результате внутренних коммутационных процессов, не может быть эффективно рассеяна в сети заземления из-за высокого сопротивления собственного заземлителя и высокой индуктивности проводов удаленного заземлителя. Это может привести к преждевременному выходуиз строя устройств защиты, а в худшем случае – к серьезным повреждениям дорогостоящего оборудования.

Именно через систему заземления в наибольшей степени проявляется взаимное влияние оборудования, поэтому только правильно построенная система заземления позволяет создать эффективную систему защиты оборудования от внешних электромагнитных воздействий.

Устройства защиты рассеют перенапряжения и сверхтоки

Вторым по важности элементом в стратегии обеспечения качественного электропитания являются защитные устройства, в качестве которых используются, как правило, варисторы и разрядники. Их задача – рассеивать энергию перенапряжений и сверхтоков в системе заземления. Устройствами защиты могут также служить фильтры, предназначенные для снижения влияния высокочастотных помех с малой амплитудой. Фильтры устанавливаются в распределительных устройствах или непосредственно на входе особо чувствительной аппаратуры.

Характерная ошибка при эксплуатации оборудования связи в малых объектах, находящихся вне телекоммуникационных центров, – отсутствие многозвенной защиты от импульсных воздействий. Это может привести к необратимым последствиям, особенно с учетом того, что уровня сопротивления собственного заземлителя часто бывает недостаточно. Оптимальным решением здесь будет использование как минимум двух последовательно включенных защитных устройств с установкой дополнительной индуктивности между ними, что в несколько раз повышает эффективность защиты.

Для крупных объектов связи, имеющих несколько этажей, достаточно одного звена защиты на вводе в здание. Роль индуктивности здесь выполняет протяженная токораспределительная сеть. Однако в непосредственной близости от питаемого оборудования в распределительных щитах в качестве второй ступени защиты могут быть установлены дополнительные защитные устройства, а при большой длине проводников и использовании для питания аппаратуры настенных розеток в них можно установить фильтры.

Следует иметь в виду, что распределительная сеть переменного тока имеет высокое сопротивление и, следовательно, более чувствительна к внешним наводкам, в отличие от низкоомной токораспределительной сети постоянного тока. Поэтому оборудование, подключенное к сети переменного тока, надо защищать в первую очередь. Кроме того, на входе аппаратуры, которая питается постоянным током, практически всегда имеются фильтры, снижающие помехи и наводки от сети.

Стабилизаторы напряжения могут быть эффективнее UPS

С одной стороны, развитие выпрямительной техники достигло сегодня такого уровня, что выпрямители с бестрансформаторным входом и высокочастотным преобразованием имеют достаточно широкий допустимый диапазон изменения входного напряжения и не нуждаются в регуляторах или стабилизаторах напряжения. С другой – такие выпрямители критичны к импульсам перенапряжения на входе, а это ведет к пробою полупроводниковых компонентов при быстром изменении входного напряжения. Столь высокая чувствительность выпрямителей к переходным процессам в питающей сети диктует необходимость надежной системы заземления и защиты от перенапряжений.

В то же время использование на оконечных сельских станциях стабилизаторов сетевого напряжения с допустимым диапазоном входного фазного напряжения от 120 до 280 В не только положительно сказывается на надежности выпрямителей, но и значительно продлевает срок службы резервной аккумуляторной батареи (за счет увеличения времени питания нагрузки от выпрямителей и сокращения количества разрядов батареи). Таким образом, в ряде случаев при низком качестве внешней сети переменного тока стабилизаторы напряжения могут быть технически и экономически более эффективными, чем UPS.

Аккумуляторные батареи – главный резерв

При кратковременных перерывах во внешнем электроснабжении основным резервным источником электроэнергии служат аккумуляторные батареи, а при продолжительных перерывах – ДГУ (которые обычно запускаются тоже от АБ). Насколько же надежен этот, как выяснилось, главный резервный источник?

Надежность электропитающей установки определяется надежностью аккумуляторной батареи. Это утверждение может показаться спорным, однако отказ любого выпрямителя не должен приводить к отказу ЭПУ (поскольку есть резервные выпрямители), а вот отказ батареи (как правило, при отсутствии внешнего электроснабжения) приводит к нарушению питания нагрузки. Кроме того, обычно напряжение на батарее определяется выпрямителями, а не самой аккумуляторной батареей. В результате выпрямители контролируются постоянно, а батарея – преимущественно во время разряда.

Произвести оценку состояния герметизированных аккумуляторных батарей весьма проблематично – можно проконтролировать лишь напряжение, температуру и межэлементный разброс напряжений в батарее. Конец срока службы такой АБ зависит не только от коррозии пластин (как в открытых аккумуляторах), но и от потери воды. Поэлементный контроль напряжения, подсчет отдаваемой и получаемой батареей емкости не позволяют получить точных данных о «здоровье» аккумулятора.

Исправная и не исчерпавшая своего срока службы АБ обеспечивает очень высокую надежность ЭПУ при времени разряда менее расчетного, но резко снижает надежность при превышении в процессе разряда расчетного времени аккумуляторного резерва.

ДГУ, UPS, АВР, устройства коммутации – не панацея, но…

Для гарантированного электроснабжения необходимость использования дизель-генераторных установок не подвергается сомнению.

Пристального внимания заслуживают источники бесперебойного питания переменным током, которые обеспечивают «безобрывность» электропитания. Однако UPS – не панацея от всех неприятностей, поступающих из внешней сети. Применение ИБП переменного тока оправданно в компьютерных центрах или при питании отдельных нагрузок при значительных, выходящих за допустимые пределы, колебаниях сетевого напряжения. Но для систем заземления и защиты использование UPS отнюдь не входит в число альтернативных вариантов правильного построения.

Если система заземления является самым важным, базовым элементом «пирамиды качества», без которого не удастся достичь требуемого качества электропитания, то рассматриваемый уровень «пирамиды» имеет, пожалуй, наибольший потенциал своего развития. Только тот факт, что оборудование и системы расположенных ниже «этажей» работают постоянно, а резервные источники подключаются лишь периодически, заставляет признать последние менее важными.

Обслуживание, или Человеческий фактор

В вопросах повышения устойчивости СЭП нельзя игнорировать человеческий фактор. Так, по результатам различных исследований, до 40% проблем с электропитанием вызвано ошибками при монтаже оборудования, неправильными действиями при авариях, недостаточной подготовкой эксплуатационного и ремонтного персонала.

Современные цифровые системы связи позволяют производить дистанционный контроль и передачу информации о состоянии станционного оборудования и внешних устройств, в том числе и о режимах работы и неисправностях систем электропитания. Такие профилактические мероприятия повышают надежность работы оборудования за счет своевременного получения полной информации, статистической обработки полученных сообщений, возможности подключения более квалифицированного персонала эксплуатационных центров.

Повышение надежности, связанной с качественным электропитанием, напрямую зависит от эффективного обслуживания оборудования, в основе которого – знание современного оборудования и его особенностей, повышение квалификации персонала.

Мониторинг – инструмент оперативного реагирования

Решая задачи снижения трудоемкости и повышения качества обслуживания оборудования (а иногда телекоммуникационная аппаратура установлена в таких местах, где появление постороннего персонала нежелательно), разработчики стали предлагать системы с микропроцессорным контролем и управлением, в которых передача и прием информации производятся по каналам связи. Надежность работы подобных устройств в большой степени определяется заданными алгоритмами работы, т.е. способностью выполнять единственно необходимую операцию при случайном сочетании внешних и внутренних условий. В этом случае своевременное получение информации об изменениях режимов работы ЭПУ позволяет оперативно реагировать на эти изменения.

Современное оборудование имеет тенденцию к сокращению срока службы, и в этом отношении ЭПУ – не исключение. Причина заключается в его быстром техническом старении. В недавнем прошлом средний срок службы телекоммуникационного оборудования составлял 20 лет – в течение этого времени было целесообразно его ремонтировать. Но технологии развиваются все быстрее, постоянно появляются более эффективные компоненты, меняются требования эксплуатации, и сейчас при выборе оборудования электропитания (особенно расположенного вне крупных коммутационных центров) в развитых странах ориентируются на 5 лет. С экономической точки зрения более частая смена оборудования может быть оправданна только увеличением надежности оборудования, сокращением эксплуатационных расходов и повышением удобства обслуживания.

Современные контроллеры ЭПУ, помимо мониторинга текущих параметров оборудования, управления температурной компенсацией напряжения подзаряда АБ и сохранения в памяти изменений режимов работы и аварий оборудования, могут управлять последовательным отключением второстепенных нагрузок при пропадании внешнего электроснабжения и работе от батареи. Этим обеспечивается более продолжительная работа приоритетных потребителей. Некоторые контроллеры позволяют контролировать не только саму ЭПУ, но и проводить мониторинг всего здания – от электрооборудования до системы охраны.

Резко повышает надежность ЭПУ использование не аналоговых сигналов управления, а цифровых, которые значительно расширяют возможности диагностики неисправностей: дистанционно передается не только сигнал о прекращении работы, например, выпрямителя или о низком напряжении на АБ, но также информация о симптомах неисправностей, будь то нарушение режима работы элементов выпрямителя (притом что сам выпрямитель еще работает!) или изменение распределения напряжения на элементах батареи.

Резервирование для «пассивной» надежности

Неслучайно резервирование венчает «пирамиду качества» и имеет самый малый «удельный вес». Выход из строя одного выпрямителя никак не сказывается на работе системы, выход из строя одновременно двух и более выпрямителей говорит либо о низком качестве оборудования, либо о нарушениях в нижних этажах «пирамиды».

Стандартным для отечественной аппаратуры выбрано резервирование по принципу N+1. Для ЭПУ это обычно означает 4+1 (на 4 рабочих выпрямителя приходится 1 резервный), для UPS принцип резервирования может быть 1+1.

Один из путей повышения надежности оборудования ЭПУ и UPS – закладывание избыточного резерва с целью повышения «пассивной» надежности. Подобный подход встречается при организации электропитания удаленных или труднодоступных объектов. При этом особенно следует обратить внимание на защиту ЭПУ и оборудования связи от внешних неблагоприятных воздействий, способных вывести их из строя. Полная автономность электропитания объекта связи должна сочетаться с эффективной защитой от внешних воздействий.

Резервирование по схеме N+2 и более может быть рекомендовано только для труднодоступных объектов или объектов с сезонным доступом, но для них целесообразно изначально выбирать более надежное оборудование.

Условия введения дополнительной защиты оборудования от возмущений сети:
  • ограниченная мощность ввода и старая разводка в зданиях;
  • расположение здания вблизи строительных площадок и маршрутов электротранспорта;
  • наличие в доме мощного индустриального оборудования;
  • расположение оборудования в сельских районах, удаленных от местных подстанций;
  • наличие воздушных линий связи и электропитания;
  • расположение оборудования в зоне с повышенной грозовой активностью.

Для надежной работы аккумуляторной батареи система контроля и управления ЭПУ должна обеспечивать:
  • температурную компенсацию напряжения подзаряда (для свинцово-кислотных герметизированных аккумуляторов);
  • оценку степени заряженности батареи;
  • управление отключением батареи в конце разряда с защитой от ложного срабатывания;
  • ограничение тока заряда;
  • периодическое тестирование батареи.

Новинки рынка электропитания

Недавно популярная и заслуженная линейка линейно-интерактивных ИБП АРС ES пополнилась новыми недорогими источниками питания для дома или малого офиса APC Back-UPS ES 400/550/700 VA. Они гарантируют защиту от скачков напряжения в электросети и линии телефона, факса, модема, обеспечивая стабильность работы при отключении электропитания, защищают оборудование от сбоев, возникающих в линиях.

Трехфазные ИБП AIS 5000 и AIS 3000, построенные по топологии online, разработаны АРС специально для промышленного применения. Источники поддерживают непрерывность работы промышленного оборудования и систем АСУ ТП. Оптимальны для защиты производственных и обрабатывающих установок в различных отраслях.

В AIS 5000 (диапазон нагрузки 10–100 кВА) использована архитектура модульных компонентов с инвертором, зарядным устройством, статическим переключателем и электронной схемой контроля. Система выдерживает высокие пиковые токи, скачки напряжения и отказы выходных цепей. Компактный модульный AIS 3000 применяется при нагрузке 10–40 кВА.

Запущенная корпорацией АРС программа BLADE READY позволяет использовать мультивендорный подход к проектированию и внедрению приложений высокой энергетической плотности – blade-серверов. Цель программы – сосредоточить максимально широкий спектр ресурсов у одного поставщика. Первым шагом на пути к решению технических задач стал сервис АРС по оценке готовности к переходу на blade-серверы – Blade Readiness Assessment Service.

Новая модификация ИБП с двойным преобразованием напряжения Powerware 9355, выпущенная Eaton Corporation, обеспечивает высокие показатели плотности выходной мощности на единицу площади, а внутренние аккумуляторные батареи позволяют экономить место серверных комнат. Мощность новинки, имеющей топологию двойного преобразования online, – 40 кВА. В стандартной комплектации она оснащена сервисным байпасом, поддерживает нагрузки с коэффициентами мощности от 0,7 (емкостного) до 0,8 (индуктивного характера).

Совет напоследок

Итак, с чего же следует начинать при построении новых и модернизации существующих систем электропитания объектов связи? С оценки важности того или иного «кирпичика» СИСТЕМЫ и определения очередности решения задач.

Каждый отдельно взятый этаж приведенной «пирамиды качества» таит в себе много собственных возможностей повышения надежности электропитания при сокращении и стоимости оборудования, и эксплуатационных затрат.

Предлагаемое сегодня на российском рынке оборудование позволяет обеспечить электропитание любого объекта с требуемым качеством. К сожалению, многие компании, именующие себя системными интеграторами в области питания, не готовы взять на себя комплексное решение по созданию СЭП объекта связи.

Эта ниша игроков рынка, по сути, пуста. Однако спрос рождает предложение. Необходимо только подходить к выбору источников питания ответственно и рассматривать каждую локальную задачу обеспечения надежного питания в масштабах всей системы электропитания.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!