Member of UPS Service Centers group
Общество с ограниченной ответственностью
АМУЛЕКС
Сервисное обслуживание и ремонт источников бесперебойного питания. Замена аккумулятоных батарей.
Amulex phone
(8017) 300 00 63
 
 

English flagСтатический байпас в модульных источниках бесперебойного питания - центральный или распределенный. Сравнительный анализ.

Архитектура ИБП с центральным (centralized) и распределенным (decentralized) статическим байпасом

Все промышленные on-line источники бесперебойного питания содержат статический и ручной (сервисный) байпас. Статический байпас (СБ) представляет собой быстродействующий статический переключатель, выполненный на двунаправленных тиристорах. Как известно статический байпас защищает критическое оборудование (оборудование, требующее стабильное электропитание) и сам ИБП при возникновении различных аварийных ситуаций, например, при неисправности самого ИБП или при возникновении перегрузки на выходе ИБП. Модульные ИБП не исключение и в обязательном порядке имеют эти устройства. Типовая модульная система представляет собой стойку, в которую монтируются силовые модули. Если ручной байпас практически всегда является центральным, то статический байпас в модульных системах бывает распределенным (Decentralized Bypass Architecture) или центральным (ЦСБ, Centralized Bypass Architecture). В системах с централизованной архитектурой статический байпас выполняется в виде отдельного модуля ЦСБ (Центральный Статический Байпас), который устанавливается в стойку вместе с силовыми модулями 1 - 10 (рис.1) В распределенных системах статический байпас (СБ) устанавливается в каждый силовой модуль (рис.2).

 
Centralized Bypass Architecture
Рис.1. Пример стойки ИБП с централизованной архитектурой статического байпаса
Decentralized bypass
Рис.2. Пример стойки ИБП с распределенной архитектурой статического байпаса
 

Помимо архитектурных отличий имеется еще одно существенное отличие между центральным и распределенным байпасом.

Мощность центрального байпаса соответствует мощности всей стойки ИБП. В примере на рис. 1 центральный байпас рассчитан на мощность 500 кВА и защищен 3-х фазным предохранителем 800А. Мощность распределенного байпаса соответствует мощности силового модуля, в который он установлен. В примере на рис. 2 распределенный байпас рассчитан на мощность 50 кВА и защищен 3-х фазным предохранителем 80А.

Начальные условия при сравнении ИБП с центральным и распределенным байпасами

Проанализируем работу 2-х модульных систем бесперебойного питания с различной архитектурой статического байпаса в различных аварийных ситуациях. Для того, чтобы корректно сравнивать обе системы необходимо изначально поставить эти системы в одинаковые начальные условия:

1. Оба ИБП представляют собой модульные системы с резервированием N+1. Все силовые модули устанавливаются в одну стойку. В стойке должны иметься свободные слоты для установки дополнительных силовых модулей с целью дальнейшего увеличения мощности. Подключение ИБП к электросети должно быть произведено таким образом, чтобы при дальнейшем увеличении нагрузки пользователю не пришлось бы перекладывать силовые кабели и менять устройства защиты (УЗ). Иными словами, пользователь производит монтаж силовых электрических кабелей и установку устройств защиты исходя их максимально-возможной мощности подключаемого ИБП.

2. Сравнение 2-х систем будем проводить на конкретном примере. Количество силовых модулей выбираем исходя из того, что мощность нагрузки = 300 кВА и необходимо обеспечить резервирование N+1. В стойке ИБП должна быть предусмотрена возможность увеличения мощности нагрузки до 450 кВА с тем же резервирование N+1.

Возможность увеличения мощности ИБП в будущем является основным преимуществом модульных ИБП. Поэтому на практике подавляющее большинство модульных ИБП эксплуатируются со свободными слотами, чтобы имелась возможность увеличения мощности ИБП в будущем.

В соответствии с этими условиями стойка ИБП имеет:
- 10 слотов для установки 10 силовых модулей по 50кВа.
- 7 силовых модулей по 50кВА (1-7). Они обеспечивают резервирование N+1 на нагрузке 300 кВА.
- 3 пустых слота (8-10). В дальнейшем туда можно будет установить 3 силовых модуля по 50кВА для увеличения мощности системы до 450кВА с резервированием N+1 (рис. 1,2)

3. В стойке ИБП с распределенной архитектурой статического байпаса установлено 7 силовых модулей (1 - 7), каждый из которых содержит собственный статический байпас СБ, рассчитанный на мощность силового модуля 50 кВА (рис. 2). В стойке ИБП с централизованной архитектурой статического байпаса также установлено 7 силовых модулей (1 - 7) без статического байпаса + модуль Центрального Статического Байпаса (ЦСБ), рассчитанный на максимальную мощность стойки 500 кВА (рис. 1). Производители систем с центральным байпасом комплектуют свои стойки модулем с центральным байпасом, рассчитанным на максимальную мощность всей стойки, поскольку наращивать мощность стойки путем добавления новых силовых модулей с заменой модуля центрального байпаса крайне нерационально.

Стоимость стойки без силовых модулей и без центрального байпаса меньше стоимости стойки без силовых модулей, но с центральным байпасом, однако стоимость самих силовых модулей с встроенным статическим байпасом выше, чем стоимость силовых модулей без статического байпаса. Когда стойки укомплектованы силовыми модулями их стоимости становятся примерно одинаковы.

4. Будем считать, что пользователь для защиты своего оборудования установил во всех помещениях устройства защиты УЗ, рассчитанные на максимальную мощность установленного оборудования с небольшим запасом по мощности и с быстродействием 50 мс. Запас по мощности устройств защиты необходим, потому что нагрузка как правило не является постоянной величиной и в процессе эксплуатации может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от режима работы. Устройства защиты срабатывают через 50 мс после появления перегрузки, т.е. после того, как мощность нагрузки превысит пропускную мощность устройства защиты.

5. Статические байпасы в ИБП защищены предохранителями F0... F7 (рис 1,2). Будем считать, что все статические байпасы в обоих системах ИБП имеют защитные предохранители с одинаковым быстродействием - при 10 кратном увеличении тока от номинального значения предохранители срабатывают (перегорают) за время 20 мс. Этому условию соответствуют замедленные предохранители класса Т.

Предохранители статического байпаса в системе с распределенным байпасом с модулями мощностью 50 кВА имеют номинал 80А (рис.2). Для расчета времени срабатывания предохранителя воспользуемся известным параметром защиты предохранителя, который постоянен в широком диапазоне токов и вычисляется по формуле *t, где I - ток, проходящий через предохранитель (А), t - время, в течение которого предохранитель срабатывает (с.). Данная формула действует при токах, превышающих номинальное значения предохранителя. При токах меньших или равных номинальному значению предохранителя последний не перегорает и время срабатывания = бесконечности. В результате получаем, что параметр защиты предохранителя на 80А равен (10*80)²*0,02=12800 А²с.

В системе с центральным байпасом предохранитель статического байпаса F0 (рис. 1) имеет номинал 800А и его параметр защиты соответственно равен (10*800)²*0,02=1280000 А²с. Таким образом, зная ток, проходящий через тиристор во время перегрузки, мы можем рассчитать время перегорания предохранителя и соответственно определить время, когда выходное напряжение ИБП отключается.

6. Во всех расчетах будем предполагать, что производителю ИБП с распределенным статическим байпасом удалось решить проблему равномерного распределения тока в цепях статического байпаса. Иными словами, тиристоры имеют одинаковое внутренне сопротивление, время задержки включения всех тиристоров одинаково, предохранители имеют одинаковое время срабатывания (перегорания) при перегрузке. Также для упрощения расчетов будем считать, что нагрузка и возникающая при аварии перегрузка равномерно распределена по фазам.

7. Будем считать, что критическая нагрузка, подключенная к ИБП равна 300 кВА, располагается в трех помещениях 1-3 (рис. 3). Каждое помещение оборудовано устройством защиты УЗ-1, УЗ-2, УЗ-3, которое срабатывает в случае перегрузки в течение 50 мс. Будем также предполагать, что ИБП переключается на байпас, когда нагрузка на 1 модуль превышает 110 % от его номинальной мощности, т.е. когда мощность нагрузки достигает 55кВа на модуль.

8. Предполагаем, что тиристоры статического байпаса надежно защищены своими предохранителями, и при любых перегрузках предохранители перегорают быстрее, чем полупроводниковые переходы тиристоров.

Для краткости назовем ИБП с центральным байпасом - ИБП1, ИБП с распределенным байпасом - ИБП2.

Примечание

Реальные технические характеристики предохранителей байпаса и устройств защиты могут существенно отличаться от характеристик, указанных в пунктах 5 и 7. Например, реальный преохранитель на 80А будет перегорать при токах > 100A, а не при токах > 80A, как указано в условии 5. Реальные устройства защиты на практике также не могут иметь постоянное значение времени срабатывания, как указано в условии 7. Время срабатывания зависит от типа используемого устройства защиты, от тока перегрузки и многих других параметров. Упрощение технических характеристик используется для упрощения расчетов, чтобы имелась возможность, не углубляясь в сложные расчеты, сравнить две системы бесперебойного питания в различных ситуациях.

Имея подробные технические характеристики реальных предохранителей байпаса и устройств защиты пользователь может самостоятельно оценить возможности своего оборудования в конкретных условиях эксплуатации.

Сравнение перегрузочной способности ИБП с центральным и распределенным статическими байпасами

 

Centralized Decentralized Bypass
Рис. 3. Пример подключения критической нагрузки к ИБП, где возможно возникновение перегрузки. Устройства защиты рассчитаны на мощность нагрузки с запасом примерно 30%. Перегрузка возникает в помещении 3.

Рассмотрим различные ситуации, которые отличаются между собой величиной нагрузки, подключенной к ИБП с центральным и распределенным байпасом.

Ситуация 1

Штатная ситуация. Общая нагрузка = 150+100+50 = 300 кВА. Нагрузка на каждый модуль составляет 300/7 = 42,9 кВА. Перегрузка отсутствует. Обе системы работают в on-line режиме и обеспечивают режим резервирование N+1.

Отобразим состояние ИБП в виде таблички:

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 300 000 300 000 Суммарная нагрузка = 150+100+50=300 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 42 857 42 857 Нагрузка на 1 модуль = 300/7=42,857 кВА. Перегрузки нет
Коэффициент перегрузки силового модуля 0,86 0,86 Отношение реальной нагрузки на модуль к его номинальной мощности 42857/50000 = 0,86. Силовые модули не перегружены.
Ток в цепи байпаса, А 0 0 Байпас отключен
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0 0 Ток в байпасе отсутствует
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс Предохранители не задействованы
Состояние предохранителя байпаса целый целый
Режим работы ИБП on-line on-line Резервирование N+1


Ситуация 2

Предположим, что в помещении 3 произошла авария. К существующей нагрузке R3 50 кВА подключилась дополнительная нагрузка R4 90 кВА (рис. 3). Общая нагрузка на ИБП выросла до 150+100+50+90=390 кВА.

В соответствии с начальными условиями устройство защиты УЗ-3 отключает нагрузку R3+R4 в помещении 3 через 50 мс. Если предохранители статических байпасов перегораю раньше 50 мс, УЗ-3 не срабатывает и отключается вся критическая нагрузка пользователя R1, R2, R3.

Состояние ИБП:

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 390 000 390 000 Суммарная нагрузка = 150+100+50+90 = 390 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 55 714 55 714 Нагрузка на модуль в обоих ИБП > 55 кВА
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,11 1,11 Коэффициент перегрузки одного модуля 1,11 > 1,1 - включается байпас в обоих ИБП
Ток в цепи байпаса, А 565 81 Ток в цепи байпаса ИБП1 и ИБП2 рассчитывается по формуле:
I1=390000/(230*3) - учитывается мощность всей нагрузки
I2=55714/(230*3) - учитывается мощность на 1 модуль в ИБП2
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0,71 1,01 Предохранитель центрального байпаса ИБП1 нагружен на 71%, плавление предохранителя не происходит.
Ток в цепях распределенного байпаса ИБП2 превышает номинальное значение в 1,01 раза, поэтому начинается процесс плавления предохранителей.
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 1963,25 Расчетное время полного расплавления предохранителей ИБП2 составляет 12800/81²=1963,25 мс (см. начальное условие 5).
Поскольку время срабатывания УЗ-3 = 50 мс < времени плавления предохранителей байпаса, то УЗ-3 отключается первым, вся нагрузка в помещении 3 отключается и процесс плавления предохранителей байпаса прекращается.
Состояние предохранителя байпаса целый целый Предохранитель центрального байпаса ИБП1 остался неповрежденным.
Предохранители в цепях распределенного байпаса ИБП2 остались целыми, хотя процесс плавления был инициирован.
Нагрузка в момент перегрузки запитана через байпас запитана через байпас УЗ-3 отключает всю нагрузку в помещении 3.
Режим работы ИБП после перегрузки on-line без прерывания on-line без прерывания После отключения нагрузки в помещении 3 оба ИБП переходят в on-line режим. Поскольку нагрузка уменьшается, то восстанавливается резервирование N+1.

В результате возникшей аварии в помещении 3 устройство защиты УЗ-3 сработало раньше перегорания предохранителей байпаса ИБП. Статические байпасы выполнили свою функцию - защиту критической нагрузки от перегрузки. Часть критической нагрузки, расположенной в помещении 3, все же отключилась. Однако оборудование в помещениях 1,2 продолжило свою работу без прерывания.

В ситуации 2 можно отметить такой факт, что уже при сравнительно небольших перегрузках (R4=90 кВА) предохранители в распределенных байпасах ИБП2 начинают подгорать, и процесс их плавления останавливается в момент срабатывания УЗ-3.

Ситуация 3

Предположим, что в помещении 3 произошла более мощная авария: подключилась перегрузка R4=2150 кВА. Соответственно суммарная нагрузка на ИБП выросла до 150+100+50+2150 = 2450 кВА.

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 2 450 000 2 450 000 Суммарная нагрузка =150+100+50+2150 = 2450 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 350 000 350 000 Большая перегрузка
Коэффициент перегрузки силового модуля 7 7 7-кратная перегрузка силовых модулей, оба ИБП переходят на статический байпас
Ток в цепи байпаса, А 3 551 507
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 4,44 6,34 Токи в цепях байпаса превышают номинальное значение своих предохранителей. Во всех предохранителях начинается процесс плавления
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 101,53 49,75 Предохранитель в ИБП 1 не успевает перегореть, поскольку его расчетное время плавления = 101,53 мс > 50 мс (время срабатывания УЗ-3). Устройство защиты УЗ-3 срабатывает раньше перегорания предохранителя центрального байпаса.
Предохранители в ИБП2 перегорают поскольку время их сгорания = 49,75 < 50 мс.
Защитное устройство в помещении 3 при работе от ИБП2 не успевает сработать. ИБП2 выключается, вся критическая нагрузка во всех помещениях 1-3 отключается.
Состояние предохранителя байпаса целый сгорел Предохранитель в ИБП1 не сгорел.
Все предохранители 7х3=21 шт. в ИБП2 во всех силовых модулях с распределенным байпасом сгорели.
Нагрузка во время перегрузки запитана через байпас нагрузка отключена ИБП1 продолжает питать нагрузку через центральный байпас.
ИБП2 прекращает питание нагрузки.
Режим работы ИБП после перегрузки on-line без прерывания ИБП выключен, вся нагрузка отключена Байпас ИБП1 выдерживает перегрузку. После отключения перегрузки в помещении 3 ИБП1 переходит в on-line режим и продолжает питать без прерывания нагрузку в помещениях 1,2. Прекращается работа оборудования только в помещении 3, где произошла перегрузка.
Байпас ИБП2 не выдерживает перегрузку. Все предохранители байпаса во всех силовых модулях сгорают. ИБП2 отключает всю нагрузку пользователя R1, R2, R3!
Для запуска ИБП2 придется в ручном режиме отключить перегрузку в помещении 3 и заменить все предохранители статического байпаса 7х3=21шт. в 7-и силовых модулях

Здесь следует обратить внимание на тот факт, что в ИБП2 перегорают все предохранители распределенного байпаса во всех 7-и силовых модулях. Пользователю нужно знать, что факт перегорания предохранителей байпаса не означает факт устранения причины перегрузки. Если пользователь заменит все предохранители и попытается снова запустить ИБП2, то все предохранители снова перегорят, поскольку причина перегрузки не была устранена и УЗ-3 не сработал. Поэтому перед повторным запуском ИБП2 необходимо обязательно найти причину перегрузки и устранить ее, например, отключить синий рубильник в помещении 3 (рис. 3)

Ситуация 4

Предположим, что в помещении 3 произошла еще более мощная авария: подключилась перегрузка R4=3200 кВА. Соответственно суммарная нагрузка на ИБП выросла до 150+100+50+3200 = 3500 кВА.

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Коэффициент перегрузки силового модуля 3 500 000 3 500 000 Суммарная нагрузка = 150+100+50+3200 = 3500 кВА.
Нагрузка на 1 модуль, ВА 500 000 500 000 Большая перегрузка
Общая нагрузка на стойку, ВА 10,00 10,00 10-кратная перегрузка силовых модулей, оба ИБП переходят на статический байпас
Ток в цепи байпаса, А 5 072 725
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 6,34 9,06 Токи в цепях байпаса превышают номинальное значение своих предохранителей. Во всех предохранителях обоих ИБП начинается процесс плавления.
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 49,75 24,38 Предохранители статического байпаса в обоих ИБП перегорают, т.к. время их сгорания меньше времени срабатывания устройства защиты УЗ-3.
В ИБП1 сгорают 1х3=3 предохранителя центрального байпаса.
В ИБП2 сгорают 7х3=21 предохранитель распределенного байпаса, расположенных в 7-и силовых модулях.
Состояние предохранителя байпаса сгорел сгорел В обоих ИБП произошло перегорание предохранителей статического байпаса.
Устройство защиты УЗ-3 не сработало, т.к. предохранители байпаса сгорели ранее 50 мс.
Нагрузка во время перегрузки вся нагрузка отключена вся нагрузка отключена
Режим работы ИБП после перегрузки ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена Оба ИБП не выдержали перегрузки и отключили все оборудование пользователя R1, R2, R3!
Для запуска ИБП необходимо:
1. в ручном режиме обесточить перегрузку в помещении 3 (отключить синий рубильник).
2. заменить предохранители байпаса:
в ИБП1 - 3 предохранителя в модуле центрального статического байпаса
в ИБР2 - 21 предохранитель во всех 7 силовых модулях

Оценивая ситуации 3 и 4 можно сделать вывод, что ИБП1 с центральным байпасом выдерживает 10-кратную перегрузку, ИБП2 с распределенным байпасом выдерживает 7-кратную перегрузку. Существенный выигрыш перегрузочной способности ИБП1 обеспечило использование модуля центрального статического байпаса, который рассчитан на максимальную мощность всего ИБП.

Расчеты были приведены для устройств защиты с временем срабатывания 50 мс. При установке более медленных устройств защиты перегрузочная способность обоих ИБП снижается. Так, например, при установке устройств защиты с временем срабатывания 200 мс ИБП2 отключает всю нагрузку при перегрузке R4=930 кВА (перегрузка = 3,51), а ИБП1 при перегрузке R4=1450 кВА (перегрузка = 5).

Таким образом перегрузочная способность ИБП1 с центральным байпасом существенно выше перегрузочной способности ИБП2 с распределенным байпасом.

Перегрузочная способность ИБП с центральным и распределенным байпасом при внешней перегрузке

Перегрузка может возникнуть не только внутри помещений, где установлена критическая нагрузка вместе со своими устройствами защиты. Рассмотрим случай, когда перегрузка возникает на выходе ИБП до устройств защиты. Такая перегрузка очень опасна для критической нагрузки, т.к. она отключает всю критическую нагрузку во всех помещениях (рис. 4).

Centralized Decentralized bypass

Рис. 4. Внешняя перегрузка возникает между выходом ИБП и устройствами защиты.
 

Ситуация 5

Рассмотрим ситуацию, когда подключилась внешняя перегрузка R4=87 кВА (рис. 4)

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 387 000 387 000 Суммарная нагрузка =150+100+50+87 = 387 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 55 286 55 286 Перегрузка
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,11 1,11 Коэффициент перегрузки > 1,1, оба ИБП переходят на статический байпас
Ток в цепи байпаса, А 560,87 80,12
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0,70 1,002 Ток в цепи центрального байпаса ИБП1меньше номинального значения, предохранитель не перегорает.
Ток в цепи распределенного байпаса ИБП2 превышает номинальное значение своих предохранителей. Предохранители начинают плавиться.
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 1 993,80 Предохранитель центрального байпаса в ИБП1 не перегорает.
Все предохранители распределенного байпаса в ИБП2 перегорают в течение 2 с. Если за это время перегрузка R4 не отключится, то ИБП2 выключается, и вся критическая нагрузка во всех помещениях 1, 2, 3 отключается.
Состояние предохранителя байпаса целый сгорел Предохранитель в ИБП1 не сгорает
Все предохранители 7х3=21 шт. в ИБП2 во всех силовых модулях с распределенным байпасом сгорают.
Нагрузка во время перегрузки запитана через байпас нагрузка отключена ИБП1 продолжает питать нагрузку через центральный байпас.
ИБП2 прекращает питание нагрузки.
Режим работы ИБП после устранения перегрузки on-line без прерывания ИБП выключен, вся нагрузка отключена Байпас ИБП1 выдерживает перегрузку. После отключения внешней перегрузки R4 ИБП1 переходит в on-line режим и продолжает питать без прерывания всю критическую нагрузку в помещениях 1, 2, 3.
Байпас ИБП2 не выдерживает перегрузку. Все предохранители байпаса во всех силовых модулях сгорают. ИБП2 отключает всю нагрузку пользователя R1, R2, R3!
Для запуска ИБП2 необходимо в ручном режиме отключить перегрузку R4 и заменить все предохранители статического байпаса 7х3=21шт. в 7-и силовых модулях

Ситуация 6

Рассмотрим ситуацию, когда подключилась внешняя перегрузка R4=253 кВА (рис. 4)

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 553 000 553 000 Суммарная нагрузка =150+100+50+253 = 553 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 79 000 79 000 Перегрузка
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,58 1,58 Коэффициент перегрузки > 1,1, оба ИБП переходят на статический байпас
Ток в цепи байпаса, А 801 114
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 1,002 1,43 Токи в цепях байпаса обоих ИБП превышают номинальное значение своих предохранителей. Предохранители начинают плавиться.
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 1 992,77 976,46 Предохранитель центрального байпаса в ИБП 1 перегорает за 2 с.
Все предохранители распределенного байпаса в ИБП2 перегорают в течение 1 с.
Состояние предохранителя байпаса сгорел сгорел  
Нагрузка во время перегрузки нагрузка отключена нагрузка отключена Оба ИБП отключают всю критическую нагрузку
Режим работы ИБП после устранения перегрузки ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена Оба ИБП не выдержали перегрузки и отключили все оборудование пользователя R1, R2, R3!
Для запуска ИБП необходимо:
1. в ручном режиме отключить перегрузку в помещении 3 (отключить синий рубильник).
2. заменить предохранители байпаса:
в ИБП1 - 3 предохранителя в модуле центрального статического байпаса
в ИБР2 - 21 предохранитель во всех 7 силовых модулях

Режим внешней перегрузки намного опаснее внутренней перегрузки, потому что отключение всей критической нагрузки происходит при сравнительно небольших перегрузках: в ИБП2 с распределенным байпасом отключение всей критической нагрузки происходит при перегрузке 87 кВА, а в ИБП1 с центральным байпасом отключение происходит при перегрузке 253 кВА. Здесь мы также наблюдаем существенно более высокую надежность ИБП1 с центральным байпасом.

Эффект внешней перегрузки может произойти не только тогда, когда перегрузка возникает между ИБП и устройствами защиты (рис. 4) Этот эффект может происходить даже тогда, когда перегрузка возникает в помещениях с установленными защитными устройствами. Особенно ярко этот эффект проявляется, когда ИБП работает в режиме без резервирования, т.е. когда мощность нагрузки соответствует полной мощность ИБП. Рассмотрим проявление этого эффекта в следующих примерах.

Перегрузочная способность ИБП с центральным и распределенным байпасом в режиме без резервирования. Внутренняя блокировка токовой защиты. Internal Lock Current Protection (ILСP). Энергетические ловушки. Energy Traps.

Многие пользователи считают, что работа модульного ИБП в режиме без резервирования (N+0) не представляет большой опасности и вполне допустима - ведь перегрузки нет. А если перегрузка и возникнет, пользователь думает, что ИБП переключится на статический байпас и пока ИБП будет работать на байпасе пользователь может быстро найти причину перегрузки, быстро устранить ее, наказать виновных и все будет продолжать работать без каких-либо отрицательных последствий. Однако это большое заблуждение. Рассмотрим работу ИБП без резервирования более подробно.

Не следует также забывать, что любой модульный ИБП, работающий в режиме с резервированием N+1, всегда незаметно для пользователя может перейти в режим без резервирования N+0. Например, если потребляемая нагрузкой мощность в процессе эксплуатации увеличилась. И поэтому пользователю очень полезно знать, какие потенциальные угрозы при этом возникают.

Предположим, что пользователь установил в помещениях 1, 2, 3 нагрузку 150, 100, 100 кВА (рис 5). Здесь возможно возникновение 3-х неприятных ситуаций.

Centralized Decentralized Bypass
Рис. 5. Пример работы модульного ИБП в режиме без резервирования. Полная мощность ИБП 7х50 = 350 кВА соответствует мощности нагрузки 150+100+100 = 350 кВА.

Ситуация 7

При нагрузке, указанной на рис. 5 ИБП нагружен на 100 %. Как правило, мощность, потребляемая нагрузкой, является непостоянной величиной и изменяет свое значение в процессе эксплуатации. Нагрузка может как увеличиваться, так и уменьшаться. По этой причине номинальные значения токов срабатывания устройств защиты выбираются с небольшим запасом. В нашем примере запас по мощности устройств защиты составляет около 30%. Изменения нагрузки в помещениях 1-3 имеют случайный характер, но есть вероятность, что мощность нагрузки во всех трех помещениях может вырасти одновременно. Предположим, что в какой-то момент потребляемая мощность в помещениях 1, 2, 3 стало равной соответственно 170, 110, 110 кВА. Устройства защиты при таких значениях нагрузки не срабатывают и остаются включенными - для них перегрузка отсутствует.

Состояние двух ИБП сведем в таблицу:

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  в стойке 7 7
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А²с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 390 000 390 000 Суммарная нагрузка =170+110+110 = 390 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 55 714 55 714 Нагрузка на один модуль = 390/7=55,7 > 55 кВА. Инверторы перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,11 1,11 1,11 > 1,1 - включается байпас в обоих ИБП
Ток в цепи байпаса, А 565 81
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0,71 1,01 Центральный байпас ИБП1 нагружен на 71% - предохранители не перегорают
Распределенный байпас ИБП2 нагружен на 101 % - начинается процесс плавления предохранителей байпаса
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 1 963 Предохранитель центрального байпаса ИБП1 не перегорает.
Расчетное время перегорания предохранителей в ИБП2 с распределенным байпасом составляет около 2 с. Если в течение этого времени полная мощность нагрузки не уменьшится, то все предохранители распределенного байпаса ИБП2 перегорают.
Состояние предохранителя байпаса целый сгорел Предохранитель центрального байпаса ИБП1 не перегорает.
Все предохранители распределенного байпаса ИБП2 перегорают в течение 2 с.
Нагрузка во время перегрузки запитана через байпас нагрузка отключена В результате увеличения мощности нагрузки оба ИБП переключаются на статический байпас.
Предохранитель центрального байпаса в ИБП1 не сгорает, нагрузка продолжает питаться через статический байпас.
В случае, если длительность перегрузки длится более 2 с., все предохранители распределенного байпаса ИБП2 в количестве 3х7=21 шт. перегорают.
Режим работы ИБП после перегрузки on-line без прерывания ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП1 во время перегрузки переключился на байпас. После того, как полная мощность нагрузки уменьшилась, ИБП переключается в on-line режим без прерывания питания нагрузки.
ИБП2 во время перегрузки отключает всю критическую нагрузку во всех помещениях 1, 2 и 3. Все предохранители распределенного байпаса во всех силовых модулях ИБП2 - 21 шт. перегорают.

Данный пример показывает, что небольшое увеличение мощности критической нагрузки (20+10+10 = 40 кВА) в ИБП2 с распределенным байпасом в режиме без резервирования может привести к катастрофическим последствиям для пользователя, в то время как ИБП с центральным байпасом успешно справляется с такой перегрузкой. Возникновение такой ситуации может быть очень редким, например, 1 раз в год, но весьма неприятным событием для пользователя, когда непредсказуемо отключается вся критическая нагрузка. Да и виновных в такой ситуации найти очень сложно. Вроде как перегрузки не было - устройтсва защиты не сработали, а вся критическая нагрузка во всех помещениях отключилась!

ИБП1 с центральным байпасом во время перегрузки переключается на статический байпас, его предохранители не перегорают, и после снижения мощности нагрузки ИБП1 восстанавливает режим работы on-line. Пользователь даже никак не заметит, что произошло что-то потенциально очень опасное.

Ситуация, когда возникающая перегрузка в помещениях с устройствами защиты не вызывает срабатывание устройств защиты критического оборудования, но вызывает отключение всей нагрузки пользователя - довольно распространенное явление и называется Internal Lock Current Protection (ILСP - внутренняя блокировка токовой защиты). ИБП2 с распределенным байпасом в нашем примере попадает в так называемую энергетическую ловушку (Energy Trap).

Здесь следует отметить, что ИБП1 c центральным байпасом в нашем случае (рис. 5) не может попасть в ситуацию внутренней блокировки токовой защиты. Даже если мощность нагрузки во всех помещениях 1, 2, 3 вырастет до номинальных значений устройств защиты 200+130+130 = 460 кВА, коэффициент увеличения тока в цепи байпаса достигнет значения 667/800 = 0,83. Предохранитель центрального байпаса не перегорает и ИБП1 возвращается в on-line режим без прерывания питания нагрузки после прекращения перегрузки. При нагрузке > 460 кВА начинают срабатывать устройства защиты и перегрузочная способность ИБП резко возрастает (см. ситуация 3, 4).

Рассмотрев эту ситуацию видно, что перегрузочная способность ИБП2 с распределенным байпасом в режиме без резервирования (N+0) может существенно уменьшиться (c 7 (N+1, ситуация 3) до 1,11 (N+0, ситуация 7)), в то время как перегрузочная способность ИБП1 с центральным байпасом не изменяется (равна 10 в режимах N+1 и N+0 (ситуация 4)).

Рассмотрим другую ситуацию, в которой мощность нагрузи остается неизменной 150+100+100 = 350 кВА (рис. 5), а неприятные изменения происходят в самом ИБП.

Ситуация 8

Происходит следующее неприятное, но вполне вероятное событие - выходит из строя 1 силовой модуль, который автоматически отключается от всей системы. Такая же ситуация возникает, если кто-то из обслуживающего персонала вручную случайно отключил силовой модуль. Или, например, в случае, если из модуля повалил дым, оператор скорее всего отключит этот силовой модуль. В результате в ИБП остается только 6 работающих силовых модулей. Суммарная нагрузка на ИБП 150+100+100=350 кВА остается неизменной.

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей в стойке 6 6 Количество работающих модулей стало равно 6
Суммарное количество слотов в стойке ИБП 10 10
Предохранитель байпаса, А 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А² с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку, ВА 350 000 350 000 Суммарная нагрузка =150+100+100 = 350 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 58 333 58 333 Нагрузка на один модуль = 350/6=58,333 кВА
Нагрузка на 1 силовой модуль > 55 кВА. Инверторы перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,17 1,17 Перегрузка модуля = 1,17 > 1,1 - включается байпас
Ток в цепи байпаса, А 507 85
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0,63 1,06 Центральный байпас ИБП1 нагружен на 63 % - предохранители не перегорают
Распределенный байпас ИБП2 нагружен на 106 % - начинается процесс плавления предохранителей байпаса
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 1 791  
Состояние предохранителя байпаса целый сгорел Предохранитель центрального байпаса ИБП1 не перегорает.
Все предохранители распределенного байпаса ИБП2 перегорают в течение 1,8 с.
Нагрузка во время аварии (отключении) одного силового модуля запитана через байпас ИБП выключен, вся нагрузка отключена В обоих случаях отключение одного силового модуля привело к переключению ИБП в режим байпас.
В ИБП1 центральный статический байпас нагружен на 63%, поэтому ИБП продолжает непрерывно питать нагрузку. У пользователя имеется возможность заменить неисправный модуль и вернуть систему в on-line режим.
В ИБП2 все предохранители статического байпаса во всех модулях 3х6=18 шт. сгорают. ИБП выключается, вся критическая нагрузка во всех помещениях отключается!

ИБП1 с центральным байпасом намного надежнее в эксплуатации. Его перегрузочная способность не зависит от количества модулей, установленных в стойку. Даже если в стойке останется всего один модуль, ИБП1 с центральным байпасом переключится на байпас, и нагрузка не отключится. У пользователя всегда будет какое-то время на устранение возникшей неисправности. Например, если модуль был по ошибке выключен оператором, его можно снова включить, а неисправный модуль заменить.

ИБП2 с распределенным байпасом очень чувствителен к выходу из строя или выключению даже 1-го силового модуля. При эксплуатации ИБП2 в режиме без резервирования отключение одного модуля приводит к выключению всего ИБП и отключению всей критической нагрузки.

Поэтому ИБП с распределенным байпасом можно безопасно эксплуатировать только в режиме с резервированием N+X, где Х > 0. Эксплуатация систем бесперебойного питания с распределенным байпасом без резервирования (Х=0) крайне опасна! Пользователь рискует даже при незначительной перегрузке (ситуация 7), или отключении всего лишь одного силового модуля (ситуация 8) отключить всю критическую нагрузку!

Здесь следует отметить, что, как правило, силовые модули с встроенным байпасом при возникновении в них неисправности отключаются не полностью. Статический байпас по возможности остается задействованным и при возникновении внутренней неисправности в модуле включается синхронно с другими распределенными статическими байпасами. Поэтому ситуация 8 в ИБП с распределенным байпасом происходит только тогда, когда неисправность силового модуля влияет на работоспособность статического байпаса. Например, в случае возникновения неисправности в плате управления силового модуля.

Ситуация 9

Ситуация, когда ИБП1,2 работают в режиме без резервирования (N+0, рис. 5). Суммарная нагрузка на ИБП 150+100+100=350 кВА.

Бывают такие случаи, когда при возникновении перегрузки ИБП2 с распределенным байпасом переключается на байпас, все предохранители во всех модулях перегорают, нагрузка отключается (например как в ситуации 3). После устранения перегрузки ИБП, как правило, самостоятельно стартует в on-line режиме. Пользователь при появлении напряжения естественно включает всю свою критическую нагрузку и ожидает прибытия сервисных инженеров для того, чтобы они заменили сгоревшие предохранители байпаса. В случае, если держатели предохранителей выведены на переднюю панель, процесс замены предохранителей не вызывает сложностей и может быть выполнен самим пользователем. Их замена производится в on-line режиме. Однако, в некоторых случаях один или несколько силовых модулей могут продолжать сигнализировать о неисправности линии байпаса, например, из-за неисправности в плате управления, которая могла пострадать из-за больших токов перегрузки, проходящих через силовой модуль. В этом случае силовой модуль невозможно переключить на статический байпас. На рис. 6 изображен случай, когда панель индикации силового модуля показывает, что модуль работает в on-line режиме, а линия байпаса недоступна, хотя предохранители статического байпаса целые. Попытка перевести ИБП на статический байпас может привести к отключению критической нагрузки.

Control panel
Рис. 6. Индикация силового модуля с встроенным статическим байпасом показывает, что силовой модуль работает в on-line режиме, а линия байпаса недоступна.

Если аналогичная неисправность возникает в ИБП1 с центральным байпасом, сервисный инженер имеет возможность без выключения ИБП в on-line режиме извлечь модуль центрального байпаса, устранить в нем неисправность и установить модуль центрального байпаса обратно в стойку ИБП. Таким образом, в ИБП1 с центральным байпасом без резервирования можно устранить неисправность центрального байпаса в on-line режиме без отключения критической нагрузки.

В ИБП2 с распределенным байпасом без резервирования восстановить статический байпас в силовом модуле в on-line режиме невозможно, потому что при извлечении силового модуля ИБП отключит всю нагрузку. Перевести ИБП на механический байпас без прерывания питания критической нагрузки тоже нет возможности. Таким образом, перегрузка в ИБП2 с распределенным байпасом может привести к необходимости дважды отключать критическую нагрузку. Первый раз при возникновении самой перегрузки, второй раз для устранения неисправности в статическом байпасе.

На этом примере видно, что размещение статического байпаса в отдельном модуле центрального байпаса (рис. 1) имеет существенные преимущества перед архитектурой распределенного байпаса, где статический байпас встроен в силовые модули (рис. 2). Извлечение силового модуля из ИБП с распределенным байпасом неизбежно приводит к уменьшению полной мощности ИБП и одновременно уменьшению его перегрузочной способности. Установка держателей предохранителей на передней панели силового модуля лишь частично решает проблему встроенного байпаса. Устранение неисправности в плате управления возможно только при извлечении силового модуля из стойки ИБП.

Управление статическим байпасом в ИБП с центральным и распределенным байпасом имеет распределенную архитектуру. В обоих системах команды управления статическим байпасом поступают из силового модуля, выполняющего функцию мастера. В остальных силовых slave - модулях ИБП с распределенным байпасом, как и в модуле центрального байпаса реализованы только исполнительные функции. По сути выполняется только усиление сигнала управления, поступающего от master - модуля. Таким образом, в модуле центрального байпаса отсутствует модуль управления байпасом. Модуль управления центральным байпасом распределен в силовых модулях и имеет такое же резервирование как в ИБП с распределенным байпасом. В центральном байпасе установлены лишь усилители сигнала и схема диагностики байпаса. В модуле центрального байпаса схемы усиления сигнала, как правило, дублируются для повышения надежности и устранения единой точки отказа. Сам тиристорный элемент может быть выполнен на основе одного мощного тиристора или нескольких параллельно соединенных тиристоров. По соображениям повышения надежности работы при доступности тиристоров требуемой мощности предпочтительнее устанавливать один мощный тиристор вместо нескольких маломощных параллельных тиристоров, поскольку в этом случае отсутствует проблема равномерного распределения тока между тиристорами байпаса и разницы времени срабатывания тиристоров. Мощность тиристора центрального байпаса соответствует мощности ИБП с максимально возможным количеством силовых модулей.

Потенциальные риски при техническом обслуживании модульных ИБП с центральным и распределенным байпасом

Рассмотрим еще немаловажный аспект в работе модульных ИБП - надежность работы ИБП1 и ИБП2 при проведении технического обслуживания (ТО), когда сервисные инженеры извлекают из стойки ИБП модуль для его обслуживания, и в это время ИБП продолжает работать на оставшихся модулях. Для того, чтобы ИБП при проведении сервисного обслуживания мог продолжать работать в on-line режиме необходимо, чтобы количество силовых модулей в ИБП обеспечивало резервирование по мощности как минимум N+1. Длительность проведения ТО, когда один из модулей извлечен из стойки для его обслуживания, составляет от 30 минут до нескольких часов в зависимости от количества модулей в ИБП. При извлечении одного силового модуля ИБП работает в режиме без резервирования N+0. В течение сервисного обслуживания также могут возникнуть такие неприятные события, как перегрузка ИБП или выход из строя какого-нибудь модуля в стойке ИБП. Нельзя забывать, что при извлечении силового модуля из стойки нагрузка на остальные модули возрастает.

Предположим, что у пользователя критическая нагрузка установлена в трех помещениях и соответственно равна 150 + 100 + 50 = 300 кВА. Пользователь обеспечил режим резервирования N+1 - установил в ИБП 7 силовых модулей по 50кВА. Полная мощность ИБП = 7х50 = 350 кВА. Устройства защиты в помещениях соответственно равны 200 кВА, 130 кВА, 130 кВА. В нашем примере в помещении 3 установлено устройство защиты УЗ-3 на 130 кВА, чтобы имелась возможность в перспективе увеличить мощность критического оборудования до 100 кВА (рис. 7). Мы умышленно создали такую ситуацию, которая в общем то вполне вероятна, но она позволяет снова проанализировать явление внутренней блокировки токовой защиты, которое было подробно описано в ситуации 7.

Centralized Decentralised bypass
Рис. 7. Работа ИБП при проведении технического обслуживания ИБП.

Ситуация 10

Состояние ИБП1 и ИБП2 перед техническим обслуживанием:

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 7 7 7 силовых модулей обеспечивают резервирование N+1
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А² с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 300 000 300 000 Общая нагрузка = 150+100+50=300 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 42 857 42 857
Коэффициент перегрузки силового модуля 0,86 0,86 Силовые модули загружены на 86%, перегрузки нет
Ток в цепи байпаса, А 0 0 Статический байпас отключен
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0 0
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс
Состояние предохранителя байпаса целый целый
Режим работы ИБП on-line on-line Резервирование N+1

Оба ИБП работают в on-line режиме с резервированием N+1.

Техническое обслуживание: в ИБП1 и ИБП2 извлекается силовой модуль

Рассмотрим ситуацию, когда один силовой модуль извлекается из стойки для проведения технического обслуживания.

Ситуация 11

ИБП1 и ИБП2 работают без одного силового модуля, который извлечен из стойки для проведения ТО.

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 6 6 После извлечения одного силового модуля в обоих ИБП осталось 6 силовых модулей.
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса, А² с 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 300 000 300 000 Общая нагрузка = 150+100+50=300 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 50 000 50 000
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,00 1,00 Силовые модули загружены на 100%, перегрузки нет
Ток в цепи байпаса, А 0 0 Статический байпас отключен
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0 0
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс
Состояние предохранителя байпаса целый целый
Режим работы ИБП во время ТО on-line on-line Оба ИБП продолжают работать в on-line режиме, однако резервирование отсутствует

При извлечении одного силового модуля для проведения его технического обслуживания оба ИБП продолжают работать в on-line режиме.

Ситуация 12

Во время ТО в обоих ИБП извлекли 1 силовой модуль.

Предположим, что в помещении 3 во время ТО подключилась дополнительная нагрузка R4=32 кВА. Эта небольшая дополнительная нагрузка могла возникнуть, например, из-за изменения режима работы оборудования или возникновения какой-нибудь неисправности в самом оборудовании. Общая мощность нагрузки в помещении 3 стала равной 50+32=82 кВА. Устройство защиты УЗ-3 рассчитано на мощность 130 кВА - не срабатывает. Общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+32=332 кВА

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 6 6 1 силовой модуль в ИБП1,2 извлечен
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 332 000 332 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=32 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+32=332 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 55 333 55 333 Нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,11 1,11 Коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - инверторы выключаются, ИБП переключается на байпас
Ток в цепи байпаса, А 481,16 80,19 В обоих ИБП включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 0,60 1,0024 В ИБП1 статический байпас нагружен на 60% - предохранитель байпаса не плавится
В ИБП2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 1 990,37 В ИБП1 предохранитель байпаса не плавится и статический байпас обеспечивает питание критической нагрузки
В ИБП2 все предохранители байпаса во всех силовых модулях начинают плавиться и перегорают через 2 с
Состояние предохранителя байпаса целый сгорел
Режим работы ИБП во время ТО при возникновении перегрузки нагрузка запитана через байпас ИБП выключен, вся нагрузка отключена В ИБП1 предохранитель байпаса не плавится, и критическая нагрузка запитана через статический байпас.
В ИБП2 все предохранители байпаса во всех силовых модулях перегорают. Вся нагрузка отключается.
Режим работы ИБП во время ТО после перегрузки on-line без прерывания питания нагрузки ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП1 после перегрузки возвращается в on-line режим
ИБП2 отключает всю критическую нагрузку пользователя.

Подключение сравнительно небольшой дополнительной нагрузки 32 кВА в помещении 3 во время технического обслуживания силового модуля привело к включению статических байпасов в обоих ИБП.

ИБП1 во время этой перегрузки продолжает питать критическую нагрузку через центральный статический байпас и у пользователя имеется время для устранения аварийной ситуации двумя способами - 1) устранить перегрузку 2) установить обратно силовой модуль, который был извлечен, в стойку.

В ИБП2 при этой же перегрузке 32 кВА перегорают все предохранители статического байпаса во всех 6 силовых модулях, и вся критическая нагрузка во всех помещениях 1-3 отключается. ИБП2 с распределенным байпасом, как и в ситуации 7, вновь попадает в энергетическую ловушку (Energy Trap). Происходит внутренняя блокировка токовой защиты (Internal Lock Current Protection - ILСP). Этот пример ярко демонстрирует уязвимость ИБП2 с распределенным байпасом, когда перегрузка в одном из помещений с установленным устройством защиты может привести к фатальным последствиям - отключению всей критической нагрузки пользователя во всех помещениях.

При увеличении перегрузки R4 вплоть до 80 кВА ситуация 12 остается неизменной. ИБП1 продолжает питать нагрузку через центральный статический байпас, а ИБП2 отключает всю критическую нагрузку. При дальнейшем увеличении перегрузки в помещении 3 (R4 > 80 кВА) общая нагрузка становится > 130 кВА, что приводит к срабатыванию устройства защиты УЗ-3 в течении 50 мс. и отключению критической нагрузки в помещении 3. ИБП2 выходит из энергетической ловушки (Energy Trap), его перегрузочная способность возрастает.

Ситуация 13

Во время ТО в обоих ИБП извлекли 1 силовой модуль. Дополнительная нагрузка R4=1790 кВА. Общая нагрузка на ИБП 150+100+50+1790 = 2090 кВА

При перегрузке R4 > 80 кВА вплоть до 1790 кВА будет срабатывать устройство защиты УЗ-3. Расчетное время перегорания предохранителей байпаса в ИБП1 и ИБП2 будет > 50 мс.

ИБП2 выходит из энергетической ловушки (Energy Trap), его байпас выдерживает перегрузку. Во время перегрузки ИБП1,2 переключаются на байпас, их предохранители не успевают перегорать, устройство защиты УЗ-3 срабатывает через 50 мс., нагрузка в помещении 3 отключается, после чего ИБП1,2 переходят в on-line режим.

Ситуация 14

Во время ТО в обоих ИБП извлекли 1 силовой модуль. Дополнительная нагрузка R4=1800 кВА. Общая нагрузка на ИБП 150+100+50+1800 = 2100 кВА

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 6 6 В ИБП1,2 извлечен 1 силовой модуль
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 2 100 000 2 100 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=1800 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+1800=2100 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 350 000 350 000 Нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 7,00 7,00 Коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - инверторы выключаются, ИБП переключается на байпас
Ток в цепи байпаса, А 3 043 507,25 В обоих ИБП включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 3,80 6,3406 В обоих ИБП1,2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 138,19 49,75 В ИБП1 предохранитель байпаса не успевает расплавиться. Расчетное время плавления > 50 мс.
В ИБП2 все предохранители байпаса во всех силовых модулях расплавляются. Устройство защиты УЗ-3 не срабатывает.
Состояние предохранителя байпаса целый сгорел
Режим работы ИБП во время перегрузки нагрузка запитана через байпас вся нагрузка отключена В ИБП1 предохранитель байпаса не успевает расплавиться, и критическая нагрузка запитана через статический байпас.
В ИБП2 все предохранители байпаса во всех силовых модулях перегорают.
Режим работы ИБП после перегрузки on-line без прерывания ИБП выключен, вся нагрузка отключена В ИБП1 статический байпас выдерживает перегрузку. Нагрузка в помещении 3 отключается. После отключения УЗ-3 ИБП1 продолжает работать в on-line режиме
В ИБП2 все предохранители байпаса во всех силовых модулях перегорают. Вся нагрузка отключается.

При перегрузках R4 > 1800 кВА ИБП2 с распределенным байпасом отключает всю критическую нагрузку. Все предохранители байпаса 3х6=18 шт. перегорают.

ИБП1 с центральным байпасом выдерживает перегрузку. Отключается только критическая нагрузка в помещении 3, где произошла перегрузка.

Ситуация 15

Во время ТО в обоих ИБП извлекли 1 силовой модуль. Дополнительная нагрузка R4=3200 кВА. Общая нагрузка на ИБП 150+100+50+3200 = 3500 кВА

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 6 6 В ИБП1,2 извлечен 1 силовой модуль
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 3 500 000 3 500 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=3200 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+3200 = 3500 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 583 333 583 333 Нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 11,67 11,67 Коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - инверторы выключаются, ИБП переключается на байпас
Ток в цепи байпаса, А 5 072,46 845,41 В обоих ИБП включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса 6,34 10,5676 В обоих ИБП1,2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс 49,75 17,91 В ИБП1,2 время перегорания предохранителей < 50 мс.
Все предохранители байпаса расплавляются.
Состояние предохранителя байпаса сгорел сгорел В ИБП1 перегорают 1х3=3 предохранителя байпаса.
В ИБП2 перегорают 6х3=18 предохранителей байпаса.
Устройство защиты УЗ-3 не срабатывает.
Режим работы ИБП во время перегрузки вся нагрузка отключена вся нагрузка отключена  
Режим работы ИБП после перегрузки ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена В ИБП1 и ИБП2 все предохранители байпаса перегорают. Вся нагрузка отключается.

При перегрузках R4 > 3200 кВА оба ИБП1 и ИБП2 не выдерживают перегрузку и отключают всю критическую нагрузку пользователя во всех помещениях.

Здесь также видно, что при проведении ТО силовых модулей перегрузочная способность ИБП с центральным байпасом существенно выше перегрузочной способности ИБП с распределенным байпасом и поэтому вероятность отключения критической нагрузки во время проведения ТО в ИБП1 с центральным байпасом ниже, чем в ИБП2 с распределенным байпасом.

Техническое обслуживание: в ИБП1 извлекается модуль центрального статического байпаса, в ИБП2 - силовой модуль

В ИБП1 с центральным байпасом кроме силовых модулей имеется еще и сам модуль центрального статического байпаса, который так же необходимо периодически обслуживать - т.е. извлекать из стойки на какое-то время. При этом нужно учитывать, что обслуживание модуля статического байпаса можно проводить гораздо реже, чем обслуживание силовых модулей, поскольку он практически все время находится в отключенном состоянии (включается только во время перегрузок), его вентиляторы охлаждения практически никогда не включаются и нет необходимости в частой чистке внутренних узлов от пыли. Да и длительность ТО модуля центрального байпаса из-за его простоты намного меньше длительности ТО силового модуля. Ориентировочно можно утверждать, что ТО силового модуля занимает 30 - 40 мин., ТО модуля центрального байпаса 10 - 15 мин. Причем модуль центрального байпаса один, а общее количество силовых модулей может достигать более 10. Кроме того, силовые модули необходимо обслуживать 1 - 2 раза в год, модуль центрального статического байпаса достаточно обслуживать 1 раз в 5 - 7 лет.

Сравним работу ИБП1 и ИБП2, когда у ИБП2 для проведения ТО извлекли один силовой модуль, а у ИБП1 извлекли модуль центрального статического байпаса. Во время ТО произошла такая же перегрузка, как в ситуации 12 - подключилась дополнительная нагрузка в помещении 3 R4=32 кВА.

Ситуация 16

В ИБП1 при проведении технического обслуживания извлекли модуль центрального статического байпаса, а в ИБП2 извлекли силовой модуль. Во время ТО в помещении 3 подключилась дополнительная нагрузка R4=32 кВА. Общая мощность нагрузки в помещении 3 стала равной 50+32=82 кВА. Устройство защиты УЗ-3 рассчитано на мощность 130 кВА - не срабатывает. Общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+32=332 кВА.

 

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 7 6 В ИБП1 для проведения ТО извлекли модуль центрального статического байпаса, в стойке осталось 7 силовых модулей
В ИБП2 извлекли один силовой модуль, в стойке остается 6 силовых модулей
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 332 000 332 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=32 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+32=332 кВА.
Нагрузка на 1 модуль, ВА 47 429 55 333 В ИБП1 нагрузка на один модуль < 55 кВА, силовые модули не перегружены.
В ИБП2 нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены.
Коэффициент перегрузки силового модуля 0,95 1,11 В ИБП1 коэффициент перегрузки силовых модулей < 1,1 - ИБП продолжает работать в on-line режиме.
В ИБП2 коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - инверторы выключаются, ИБП переключается на байпас.
Ток в цепи байпаса, А байпаса нет 80,19 ИБП1 продолжает работать в on-line режиме.
В ИБП2 включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него.
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса байпаса нет 1,0024 В ИБП2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится.
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс байпаса нет 1 990,37 В ИБП2 все предохранители байпаса во всех силовых модулях начинают плавиться и перегорают через 2 с.
Состояние предохранителя байпаса байпаса нет сгорел
Режим работы ИБП во время ТО on-line ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП1 продолжает работать в on-line режиме
В ИБП2 все предохранители байпаса во всех 6 силовых модулях перегорают. Вся нагрузка отключается.

В ситуации 16 во время проведения ТО ИБП1 с центральным байпасом несмотря на перегрузку продолжает питать всю критическую нагрузку в on-line режиме, а ИБП2 с распределенным байпасом выключается, вся нагрузка во всех помещениях отключается, все предохранители статического байпаса во всех оставшихся 6 силовых модулях перегорают. Ситуация 16 не изменяется и при больших значениях перегрузки вплоть до значения R4=80 кВА. ИБП1 продолжает работать в on-line режиме, а ИБП2 - выключается и отключает всю критическую нагрузку. Во всем диапазоне перегрузок R4 от 32 до 80 кВА ИБП2 с распределенным байпасом не способен питать критическую нагрузку пользователя. Мощности встроенных статических байпасов не хватает для питания критической нагрузки.

ИБП2, как в ситуации 12, снова попадает в энергетическую ловушку, когда сравнительно небольшая перегрузка в одном из помещений становится причиной отключения всей критической нагрузки во всех помещениях.

Когда значение перегрузки R4 в помещении 3 становится больше 80 кВА начинает срабатывать устройство защиты УЗ-3. Рассмотрим эту ситуацию.

Ситуация 17

В ИБП1 для проведения технического обслуживания извлекли модуль центрального статического байпаса, а в ИБП2 извлекли силовой модуль. Во время ТО в помещении 3 подключилась дополнительная нагрузка R4=81 кВА. Общая мощность нагрузки в помещении 3 стала равной 50+81=131 кВА. Устройство защиты УЗ-3, рассчитанное на мощность 130 кВА, срабатывает в течение 50 мс. Общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+81=381 кВА.

 

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 7 6 В ИБП1 для проведения ТО извлекли модуль центрального статического байпаса, в стойке осталось 7 силовых модулей
В ИБП2 извлекли один силовой модуль, в стойке остается 6 силовых модулей
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 381 000 381 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=81 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+81=381 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 54 429 63 500 В ИБП1 нагрузка на один модуль < 55 кВА, силовые модули не перегружены
В ИБП2 нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,09 1,27 В ИБП1 коэффициент перегрузки силовых модулей < 1,1 - ИБП продолжает работать в on-line режиме
В ИБП2 коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - инверторы выключаются, ИБП переключается на байпас
Ток в цепи байпаса, А байпаса нет 92,03 ИБП1 продолжает работать в on-line режиме.
В ИБП2 включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него.
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса байпаса нет 1,1504 В ИБП2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс байпаса нет 1 511,33 Расчетное время плавления предохранителей в ИБП2 > 50 мс, срабатывает устройство защиты УЗ-3, предохранители статического байпаса в ИБП2 не перегорают
Состояние предохранителя байпаса байпаса нет целый
Режим работы ИБП до срабатывания УЗ-3 on-line нагрузка запитана через статический байпас ИБП1 продолжает работать в on-line режиме.
ИБП2 перешел на байпас. Предохранители не перегорают
Режим работы ИБП после срабатывания УЗ-3 on-line on-line без прерывания ИБП1 продолжает работать в on-line режиме.
После того, как сработал УЗ-3, ИБП2 вернулся в on-line режим.
В обоих случаях критическая нагрузка в помещении 3 отключилась, нагрузка в помещениях 1,2 продолжает работать.

В ситуации 17 оба ИБП выдерживают перегрузку R4=81 кВА, однако критическая нагрузка в помещении 3 отключается - срабатывает устройство защиты УЗ-3. Данная ситуация сохраняется при дальнейшем увеличении перегрузки R4 вплоть до 85 кВА.

Здесь мы наблюдаем интересный эффект. При перегрузке > 80 кВА ИБП2 с распределенным байпасом выходит из зоны энергетической ловушки: его предохранители не перегорают, отключается нагрузка только в помещении 3.

Ситуация 18

В ИБП1 для проведения технического обслуживания извлекли модуль центрального статического байпаса, а в ИБП2 извлекли силовой модуль. Во время ТО в помещении 3 подключилась дополнительная нагрузка R4=86 кВА. Общая мощность нагрузки в помещении 3 стала равной 50+86=136 кВА. Общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+86=386 кВА. Устройство защиты УЗ-3 срабатывает в течение 50 мс.

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 7 6 В ИБП1 для проведения ТО извлекли модуль центрального статического байпаса, в стойке осталось 7 силовых модулей
В ИБП2 извлекли один силовой модуль, в стойке остается 6 силовых модулей
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 386 000 386 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=86 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+86=386 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 55 143 64 333 В ИБП1 и ИБП2 нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 1,1029 1,29 В ИБП1 и ИБП2 коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - в обоих ИБП инверторы выключаются.
ИБП1 отключает нагрузку, т.к. модуль статического байпаса извлечен для проведения ТО.
ИБП2 переключается на статический байпас.
Ток в цепи байпаса, А байпаса нет 93,24 В ИБП1 инверторы выключены, нагрузка отключена
В ИБП2 включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса байпаса нет 1,1655 В ИБП2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс байпаса нет 1 472,43 Расчетное время плавления предохранителей в ИБП2 > 50 мс, срабатывает устройство защиты УЗ-3, предохранители статического байпаса в ИБП2 остаются целыми
Состояние предохранителя байпаса байпаса нет целый
Режим работы ИБП до срабатывания УЗ-3 нагрузка отключена нагрузка запитана через статический байпас В ИБП1 инверторы выключены, нагрузка отключена.
ИБП2 перешел на байпас. Предохранители не перегорают.
Режим работы ИБП после срабатывания УЗ-3 нагрузка отключена, УЗ-3 не сработал on-line без прерывания ИБП1 выключен, нагрузка обесточена.
После того, как сработал УЗ-3, ИБП2 вернулся в on-line режим без прерывания питания нагрузки.
Нагрузка в помещении 3 отключилась.

При перегрузке R4=86 кВА ИБП1 отключил нагрузку, поскольку при перегрузке силовых модулей ИБП не имеет возможности включить статический байпас, который был извлечен для проведения ТО.

ИБП2 при перегрузке R4=86 кВА переключился на статический байпас. После срабатывания устройства защиты УЗ-3 ИБП2 восстанавливает работу в on-line режиме без прерывания питания нагрузки. В данной ситуации статический байпас выполнил свою функцию - обеспечил непрерывное питание нагрузки в помещении 1 и 2 при возникновении перегрузки в помещении 3. Нагрузка в помещении 3 отключилась.

Ситуация 18 не изменяется при значениях перегрузки R4 вплоть до 1790 кВА. При перегрузке R4 > 1800 кВА предохранители статического байпаса ИБП2 перегорают раньше того, как срабатывает устройства защиты УЗ-3, нагрузка отключается. Рассмотрим эту ситуацию подробнее.

Ситуация 19

В ИБП1 для проведения технического обслуживания извлекли модуль центрального статического байпаса, а в ИБП2 извлекли силовой модуль. Во время ТО в помещении 3 подключилась дополнительная нагрузка R4=1800 кВА. Общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+1800=2100 кВА.

Наименование ИБП1 - центр. байпас ИБП2 - распредел. байпас Комментарий
К-во модулей  стойке 7 6 В ИБП1 для проведения ТО извлекли модуль центрального статического байпаса, в стойке осталось 7 силовых модулей
В ИБП2 извлекли один силовой модуль, в стойке остается 6 силовых модулей
Макс. возможное к-во мод. в стойке 10 10
Предохранитель байпаса, A 800 80
Параметр защиты предохранителя байпаса 1 280 000 12 800
Выходное напряжение, В 230 230
Общая нагрузка на стойку,  ВА 2 100 000 2 100 000 После подключения дополнительной нагрузки R4=1800 кВА общая нагрузка на ИБП стала равной 150+100+50+1800=2100 кВА
Нагрузка на 1 модуль, ВА 300 000 350 000 В ИБП1 и ИБП2 нагрузка на один модуль > 55 кВА, силовые модули перегружены
Коэффициент перегрузки силового модуля 6,00 7,00 В ИБП1 и ИБП2 коэффициент перегрузки силовых модулей > 1,1 - в обоих ИБП инверторы выключаются.
ИБП1 отключает нагрузку, т.к. модуль статического байпаса извлечен для проведения ТО.
ИБП2 переключается на статический байпас.
Ток в цепи байпаса, А байпаса нет 507,25 В ИБП1 инверторы выключены, байпаса нет, нагрузка отключена
В ИБП2 включается статический байпас и ток перегрузки протекает через него
Коэффициент увеличения тока в цепи байпаса байпаса нет 6,3406 В ИБП2 статический байпас нагружен > 100% - предохранители байпаса начинают плавится
Время срабатывания предохранителя байпаса, мс байпаса нет 49,75 Время плавления предохранителей в ИБП2 < 50 мс, все предохранители статического байпаса ИБП2 перегорают, устройство защиты УЗ-3 не срабатывает
Состояние предохранителя байпаса байпаса нет сгорел
Режим работы ИБП при перегрузке ИБП выключен, нагрузка отключена ИБП выключен, нагрузка отключена В ИБП1 инверторы выключены, вся критическая нагрузка отключена, УЗ-3 не сработал.
ИБП2 перешел на байпас. В течение < 50 мс все предохранители статического байпаса во всех силовых модулях в количестве 3х6=18 шт. перегорают. Вся нагрузка отключается. УЗ-3 не сработал.

При нагрузках более 2100 кВА все предохранители во всех силовых модулях распределенного байпаса в ИБП2 сгорают, вся нагрузка отключается.

Для более наглядного представления все результаты анализа ситуаций 11 - 19, возникающих при проведении ТО ИБП при различных перегрузках сведем в таблицы 1 и 2:

Таблица 1. Во время ТО в ИБП1 и ИБП2 извлечен силовой модуль

  Общая нагрузка включая перегрузку R1+R2+R3+R4, кВА
Вид ТО ИБП 0-331
С.11
332 - 380
Ситуация 12
381  - 2090
Ситуация 13
2100 - 3490
Ситуация 14
> 3500
Ситуация 15
ИБП1 с центральным байпасом.
Проводится ТО силового модуля.
on-line вся нагрузка запитана через статический байпас on-line без прерывания, УЗ-3 срабатывает, нагрузка в помещении 3 отключена on-line без прерывания, УЗ-3 срабатывает, нагрузка в помещении 3 отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена
ИБП2 с распределенным байпасом.
Проводится ТО силового модуля.
on-line ИБП2 выключен, вся нагрузка отключена.
ИБП2 в энергетической ловушке
on-line без прерывания, УЗ-3 срабатывает, нагрузка в помещении 3 отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена, УЗ-3 не срабатывает ИБП выключен, вся нагрузка отключена

При техническом обслуживании силовых модулей ИБП1 с центральным байпасом существенно более устойчив к перегрузкам, чем ИБП2 с распределенным байпасом. ИБП1 с центральным байпасом обеспечивает надежное питание критической нагрузки вплоть до перегрузок R4 = 3200 кВА, в то время как ИБП2 с распределенным байпасом может отключить всю критическую нагрузку пользователя уже при перегрузке R4 = 32 кВА. Разница в 100 раз! Системы с распределенным байпасом при их техническом обслуживании, когда извлекается силовой модуль, очень чувствительны к перегрузкам и практически всегда при возникновении даже небольшой перегрузки могут отключить всю критическую нагрузку пользователя.

Такая низкая надежность ИБП2 с распределенным байпасом обусловлена тем, что при извлечении силового модуля из стойки вместе с модулем извлекается часть статического байпаса, который распределен по всем модулям и соответственно уменьшается перегрузочная способность ИБП2.

Таблица 2. Во время ТО в ИБП1 извлечен модуль центрального байпаса, в ИБП2 - силовой модуль

  Общая нагрузка включая перегрузку R1+R2+R3+R4, кВА
Вид ТО ИБП 0-331 332 - 380
Ситуация 16
381 - 385
Ситуация 17
386 - 2090
Ситуация 18
> 2100
Ситуация 19
ИБП1 с центральным байпасом.
Проводится ТО модуля центрального байпаса.
on-line on-line on-line, УЗ-3 сработало, нагрузка в помещении 3 отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена
ИБП2 с распределенным байпасом.
Проводится ТО силового модуля.
on-line ИБП выключен, вся нагрузка отключена.
ИБП2 в энергетической ловушке
on-line без прерывания, УЗ-3 сработало, нагрузка в помещении 3 отключена on-line без прерывания, УЗ-3 сработало, нагрузка в помещении 3 отключена ИБП выключен, вся нагрузка отключена

При обслуживании модуля центрального байпаса устойчивость к перегрузкам ИБП1 существенно снижается. Но здесь следует напомнить, что модуль статического байпаса обычно не требует технического обслуживание, т.к. он в штатном режиме работы ИБП бездействует, ток через него не протекает, вентиляторы охлаждения выключены. Модуль статического байпаса включается только в моменты перегрузок и как правило на непродолжительное время. Кроме того, продолжительность ТО модуля центрального статического байпаса в силу его простоты намного меньше продолжительности ТО нескольких силовых модулей.

В ситуациях 11 - 19 было подробно изложена работа ИБП1 и ИБП2 во время проведения ТО при возникновении различных перегрузок.

Последствия выхода из строя одного из модулей в стойке ИБП во время ТО ИБП

Во время ТО одного их модулей (который извлекается из стойки) может произойти и другая неприятная ситуация - может выйти из строя какой-нибудь силовой модуль или модуль центрального статического байпаса, которые остаются в стойке ИБП. Выход из строя силового модуля в стойке ИБП во время ТО силового модуля вполне вероятен, поскольку при извлечении одного силового модуля из стойки ИБП для его ТО нагрузка на остальные модули возврастает. Выход из строя модуля центрального байпаса очень маловероятен, т.к. он по прежнему остается ненагруженным, т.е. отключенным.

Выход из строя силового модуля в ИБП1 с центральным байпасом во время ТО приведет к переключении нагрузки на центральный статический байпас. В этой ситуации имеется возможность установить обратно обслуживаемый модуль, чтобы вернуть ИБП в режим on-line.

В ИБП2 с распределенным байпасом аналогичная неисправность приведет в зависимости от вида неисправности в силовом модуле или к отключению всей нагрузки или переходу ИБП2 на статический байпас. Риски отключения всей нагрузки намного выше, чем у ИБП1 с центральным байпасом.

Выход из строя модуля центрального байпаса во время проведения ТО силового модуля в ИБП2 не изменяет режим работы ИБП. Он продолжает работать в on-line режиме. В такой ситуации имеется возможность установки обслуживаемого силового модуля обратно для увеличения уровня резервирования до N+1 и после этого можно извлечь модуль центрального байпаса для его ремонта. Все эти операции проводятся в on-line режиме без отключения критической нагрузки пользователя. Кроме того, вероятность выхода из строя центрального байпаса, когда он не работает ничтожна мала. Его перегрузочная способность и соответственно надежность существенно выше распределенных байпасов. Для ремонта любого встроенного в силовой модуль статического байпаса необходимо извлечь сам силовой модуль из стойки ИБП. При этом снижается полная мощность ИБП, нагрузка на каждый оставшийся в ИБП силовой модуль увеличивается, повышаются риски отключения критической нагрузки. Ремонт центрального байпаса не требует извлечения силовых модулей. Полная мощность ИБП и нагрузка на силовые модули не изменяется. ИБП при извлеченном модуле центрального байпаса продолжает работать с резервированием N+1.

Выводы:

Перегрузочная способность системы с центральным байпасом всегда выше перегрузочной способности системы с распределенным байпасом. Перегрузочные способности обоих систем выравниваются только при полном укомплектовании стойки ИБП2 с распределенным байпасом всеми силовыми модулями.

ИБП2 с распределенным байпасом более уязвимы к перегрузкам и их эксплуатация особенно опасна для критической нагрузки, когда они работают в режиме без резервирования. Даже незначительное увеличение мощности нагрузки (40 кВА, ситуация 7), или отключение одного силового модуля (ситуация 8) приводит к отключению всей критической нагрузки. ИБП2 с распределенным байпасом легко попадает в энергитические ловушки (ситуация 7), а ремонт силовых модулей иногда требует выключения критической нагрузки (ситуация 9). В режиме без резервироания модульная система с распределенным байпасом даже менее надежна, чем моноблочный ИБП, который, в случае возникновения неисправности в самом ИБП, без проблем переключается на статический байпас.

ИБП1 с центральным байпасом такой проблемы не имеют, поскольку перегрузочная способность центрального байпаса не зависит от количества установленных в систему модулей и соответствует максимальной мощности ИБП. В ИБП1 с центральным байпасом любое количество силовых модулей может быть извлечено из стойки ИБП для ремонта или ТО без перевода ИБП на ручной байпас.

Аналогичные проблемы возникают при проведении технического обслуживания, когда из системы извлекается один силовой модуль (ситуация 11 - 19). Даже незначительная перегрузка в ИБП2 с распределенным байпасом (например, 32 кВА - ситуация 12) во время ТО может привести к фатальным последствиям для всей нагрузки пользователя. В то время как ИБП1 с центральным байпасом при проведении ТО справляется с очень большими перегрузками (например, до 3200 кВА - ситуация 15).

При извлечении силового модуля в ИБП1 с центральным байпасом перегрузочная способность ИБП не меняется, а при извлечении силового модуля из ИБП2 с распределенным байпасом его перегрузочная способность уменьшаеся вместе с полной мощностью ИБП.

Если в каком-либо силовом модуле возникает какая-нибудь неисправность (например выходит из строя инвертор, зарядное устройство, плата управления и т.д.), то для его ремонта его необходимо извлечь из стойки ИБП.

В ИБП1 с центральным байпасом извлечение неисправного модуля не составляет проблем, даже если отсутствует резервирование по мощности. ИБП1 после извлечения силового модуля из системы будет продолжать работать в on-line режиме, или перейдет на статический байпас, перегрузочная способность которого остается неизменной.

В ИБП2 с распределенным байпасом неисправный модуль можно безопасно извлечь только, если ИБП имеет резервирование по мощности N+1 и более. Если резервирования нет, то извлечь модуль из стойки можно только переведя ИБП2 на механический байпас. А эта возможность имеется не всегда (см. ситуация 9) и зависит от типа неисправности в силовом модуле.

Во всех ситуациях, когда возникает перегрузка в ИБП2 с распределенным байпасом (см. ситуации 3 - 8), перегорают все предохранители статического байпаса во всех силовых модулях. Ситуация, когда перегорают предохранители статического байпаса только в одном силовом модуле, исключена, поскольку токи в статических байпасах равномерно распределены. Поэтому пользователь при эксплуатации систем с распределенным байпасом должен иметь в запасе полный комплект предохранителей байпаса на все силовые модули. Например, в системе с семью модулями необходимо иметь 3х7=21 предохранитель. По факту здесь мы имеем единую точку отказа, "размазанную" по всем силовым модулям. Все предохранители распределенного статического байпаса сгорают всегда одновременно! Здесь мы имеем имитацию отсутствия единой точки отказа.

Отсутствие единой точки отказа предполагает, что один элемент системы может выйти из строя и система может продолжить работу на оставшихся элементах. А если все эти элементы выходят из строя всегда одновременно, то все они вместе образуют единую точку отказа.

В системе с центральным статическим байпасом достаточно иметь в запасе 1х3=3 предохранителя. Их замена происходит намного быстрее, чем замена всех предохранителей во всех силовых модулях в системе с распределенным байпасом. И, кроме того, вероятность перегорания предохранителей распределенного статического байпаса выше чем предохранителей центрального байпаса из-за меньшей перегрузочной способности.

В модуле центрального статического байпаса сам тиристор статического байпаса тоже без проблем можно выполнить в виде нескольких параллельно соединенных тиристоров со своими предохранителями, но это не превращает центральный байпас в модуль без единой точки отказа. И разнесение этих тиристоров по силовым модулям нисколько не увеличивает надежность работы всей системы, а только создает дополнительные сложности при ее обслуживании и ремонте. Выход из строя силового модуля со встроенным статическим байпасом или его извлечение из системы для ремонта или обслуживания ведет к уменьшению перегрузочной способности всей системы. Статический байпас, определяющий перегрузочную способность системы, выполняет роль "спасательного круга для утопающего".

Установка держателей предохранителей на передней панели силовых модулей в системах с распределенным байпасом - косвенное признание производителя в слабости распределенной архитектуры статического байпаса. Ситуации с перегоранием всех предохранителей байпаса во всех модулях встречаются не часто, но все же бывают. Представьте себе процедуру смены всех предохранителей, если они установлены внутри силовых модулей. А если еще отсутствует резервирование по мощности, то такую замену можно провести только с прерыванием питания критической нагрузки или частичным ее выключением. Предохранители статического байпаса в ИБП2 с распределенным байпасом не перегорают по одному - они перегорают сразу во всех силовых модулях по крайней мере на той фазе, в которой произошла перегрузка.

Поскольку статический байпас в ИБП2 с распределенным байпасом устанавливается внутри силового модуля, то при возникновении перегрузки, ток перегрузки протекает непосредственно через силовой модуль, создавая мощную импульсную помеху внутри силового модуля. Вырастает угроза в устойчивой работе силового модуля во время перегрузки. Могут, например, произойти ложные включения транзисторов инвертора. А ошибочное включение транзисторов инвертора при работе ИБП в режиме байпас - это 100 % смерть инвертора (по крайней мере его предохранителей) и соответственно всего силового модуля.

Центральный байпас устанавливается в отдельную линию байпаса (Bypass), и во время перегрузки ток перегрузки переключается на эту отдельную линию. Все силовые модули и их узлы управления, подключенные к основной линии (Mains/Rectifier), будут работают в более благоприятных условиях, поскольку источник мощной импульсной помехи - ток перегрузки отведен в отдельную линию Bypass. В частности, разъемы на задней панели силовых модулей не будут подвергаться разрушению (подгоранию), центральный процессор силового модуля будет корректно обрабатывать аварийную ситуацию, не произойдет ошибочное включение IGBT транзисторов в инверторах.

В ИБП2 с распределенным байпасом при перегрузке статические байпасы включаются в параллель и здесь мы имеем классическую схему параллельной работы полупроводниковых коммутаторов, в которой отсутствует схема активного управления током каждого коммутатора. Схема, состоящая из нескольких параллельно соединенных маломощных полупроводниковых коммутаторов, менее надежна, чем схема, состоящая из одного мощного коммутатора, даже если полные мощности одинаковы. Один мощный коммутатор всегда надежнее нескольких параллельно соединенных маломощных коммутаторов. Надежная работа параллельно соединенных полупроводниковых коммутаторов возможна лишь при наличии схемы регулирования тока в каждом коммутаторе. Такую схему управления несложно реализовать при использовании транзисторов и невозможно реализовать, если в качестве коммутаторов применяются тиристоры. При параллельном соединении тиристорных коммутаторов возможно использование лишь реактивных ограничителей тока (индукторов). Однако, они по причине плавного нарастания тока при включении тиристоров добавляют дополнительную просадку в выходном напряжении ИБП при переключении на статический байпас и могут привести к сбою в работе критической нагрузки в момент перегрузки.

Для того, чтобы обеспечить максимальную перегрузочную способность системы с распределенным байпасом все тиристоры должны иметь минимальный разброс таких параметров, как проводимость во включенном состояния и время задержки включения. Все предохранители байпаса должны иметь минимальный разброс параметра защиты предохранителя I²t, который определяет время перегорания предохранителя при протекании перегрузочного тока. Проблема согласования перечисленных характеристик особо остро стоит, когда приобретается новый силовой модуль через несколько лет после приобретения самого ИБП, в котором тиристоры и предохранители могли подвергаться тепловому воздействию при перегрузках в процессе эксплуатации оборудования.

В on-line режиме статические байпасы не задействованы - ток через них не протекает. Для них on-line режим по факту является режимом простоя. Статический байпас включается только в режиме перегрузки силовых модулей и надежность его работы в первую очередь зависит не от количества установленных статических байпасов, а от коэффициента увеличения тока в цепи байпаса, который во всех рассмотренных ситуациях (3-15) у систем с центральным байпасом меньше, чем у систем с распределенным байпасом.

В модульных ИБП, в отличие от моноблочных ИБП, статический байпас не включается при выходе из строя ИБП - отказе какого-либо силового модуля. При аварии силового модуля в системе с резервированием N+X неисправный силовой модуль отключается, и система продолжает работать в on-line режиме на исправных силовых модулях. Статический байпас включается только при перегрузке в силовых модулях. Т.е., если в моноблочных системах статический байпас выполняет две функции: защита от неисправности ИБП и защита от перегрузки, то в модульных системах только одна функция - защита от перегрузок. Функция защиты критической нагрузки от внутренней неисправности ИБП перешла к структурной организации ИБП - модульному построению системы.

Андрей Ларионов
Сентябрь 2018
Дополнительная документация Размер Язык
Принципы работы плавкого предохранителя   русский
Гарантированный разрыв при сверхтоках   русский
О байпасах ИБП   русский
Мастер Статик Байпас 347 КБ русский
Static bypass in modular uninterruptible power supplies - central or distributed. Comparative analysis. 800 КБ английский
Статик Байпас Vertiv 396 КБ английский
Плавкие вставки/предохранители 1,18 МБ русский
Как работают время-токовые характеристики выключателей и предохранителей   русский
     
SCU Power Systems
Amulex UPS
Newave UPS
Rittal Systems
Wohrle UPS
ABB Power Protection SA
Huawei UPS
APC UPS
Amberwave UPS
Borri UPS
Powerware Eaton UPS
SSB Battery
RP battery
Fiskars
 
Главная Статьи Сервис ИБП SCU ИБП Amulex ИБП ABB АКБ SSB Бат. шкафы Контакты
 
10.08.2019 10:48