Глава XVI
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЗЛОВ СВЯЗИ
§ 75. Оборудование выпрямительных помещений
Все технические устройства, составляющие электропитающую установку узла связи, обычно размещают в двух помещениях. В аккумуляторном помещении устанавливают стеллажи с аккумуляторными батареями, а в выпрямительном помещении — выпрямительные устройства и щиты управления и коммутации (щиты переменного тока ЩПТ, батарейные щитки БЩ, контакторные сборки щелочных противоэлементов КСЩП, щитки заземлений и т. п.). Часто к этим двум помещениям добавляют помещение для резервной электростанции.
Оборудование внутри выпрямительного помещения располагают так, чтобы обеспечить удобства его обслуживания и безопасность работы обслуживающего персонала. При размещении зарядно-буферных выпрямительных устройств необходимо стремиться к сокращению длин проводов, соединяющих наиболее мощные агрегаты с аккумуляторными батареями и питаемыми устройствами, так как это позволит уменьшить сопротивление проводов и колебания напряжения на питаемых устройствах связи при изменениях нагрузки. По этой же причине выпрямительные помещения следует располагать рядом с аккумуляторными или возможно ближе к ним.
Кроме того, выпрямительное помещение должно быть расположено возможно ближе к тем устройствам связи, которые потребляют от него наибольшие мощности (обычно крупные АТС и ЛАЗы). Выпрямительные помещения должны быть сухими, светлыми и защищенными от взрывоопасных и вредных газов. Высота их должна быть не менее 3 м. Проводку в выпрямительном помещении выполняют при помощи металлических воздушных желобов (кабельростов).
В небольших узлах связи в тех случаях, когда в состав электропитающей установки входят лишь выпрямительные устройства небольшой мощности, отдельные выпрямительные помещения можно вообще не устраивать, а размещать выпрямительные устройства в аппаратных залах (например, в ЛАЗе).
Во многих электропитающих установках некоторые точки соединяют с землей, т. е. заземляют. Кроме электрической схемы, в ЭПУ всегда заземляют стативы, щиты, шкафы выпрямительных устройств и все металлические части, к которым обслуживающий персонал может прикасаться во время работы. Для этого делается заземляющее устройство, состоящее из заземлителя и заземляющих проводников.
Заземлителем называется один или несколько металлических проводников любой формы (трубы, стержни, пластины и т. п.), зарываемые в землю и осуществляющие непосредственный контакт с ней.
Заземляющие проводники соединяют заземлитель со всем заземляемым оборудованием в помещениях узла связи.
Заземляющее устройство, как и всякий другой элемент электрической цепи, обладает электрическим сопротивлением, величина которого нормируется ГОСТ 464—79. В соответствии с этим стандартом в узлах связи применяются четыре вида заземлений: рабочее — для использования земли в качестве одного из проводов электрической цепи; защитное—для соединения с землей молниеотводов, оболочек кабелей, цистерн НУП, а также металлических частей электротехнического оборудования, которые не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при повреждении изоляции проводов, и служащее для защиты обслуживающего персонала от опасных напряжений; линейно-защитное — для соединения с землей металлических оболочек кабелей на их трассах и молниеотводов на воздушных линиях связи; измерительное — для контрольных измерений сопротивлений рабочего и защитного заземлений.
Рабочее и защитное заземляющие устройства в узлах связи могут быть объединены в общее рабоче-защитное устройство. Поэтому в узлах связи обычно делается объединенное рабоче-защитное и два измерительных заземляющих устройства (для возможности электрических измерений каждого из них). Заземляющие проводники от них выводятся в выпрямительное помещение, где для них устраивается специальный контрольный щиток с тремя клеммами и пакетными выключателями.
От этого щитка заземляющие проводники расходятся по всем техническим помещениям узлов связи.
§ 76. Принципы резервирования электроснабжения узлов связи переменным током
Быстрое развитие и непрерывное увеличение интенсивности работы современных устройств связи предъявляют все более жесткие требования к стабильности напряжения и непрерывности подачи электроэнергии к электропитающим установкам узлов связи. Это ставит ряд сложных технических проблем, разрешение которых может быть основано лишь на использовании новых организационно-технических принципов, обеспечивающих в большей или меньшей мере требуемые надежность и бесперебойность электроснабжения. Наиболее надежным средством обеспечения этих факторов является установка в узлах связи небольших резервных электростанций, которые могут запускаться на время перерыва подачи электроэнергии от действующих сетей электроснабжения и питать узлы связи переменным током. Такие резервные электростанции оказываются выгодными и потому, что они позволяют резко сократить потребные емкости аккумуляторных батарей и мощности зарядно-буферных агрегатов. Необходимость в резервных электростанциях возрастает также вследствие быстрого увеличения в узлах связи аппаратуры, получающей питание непосредственно от сети переменного тока.
Резервная электростанция в основном состоит из двигателя внутреннего сгорания и электрического генератора переменного тока, размещенных на общей фундаментной плите. Валы обеих машин соединяются друг с другом эластичной муфтой. В качестве двигателей обычно используются дизели, для запуска которых при помощи электрических стартеров требуется время порядка нескольких минут. В этой продолжительности периода запуска кроется главная проблема резервирования электроснабжения, потому что в зависимости от состава оборудования узла связи такая длительность запуска может быть приемлемой или недопустимо большой. Многие устройства связи (в частности, аппаратура передачи данных) для достижения высокой достоверности передачи требуют полной надежности электроснабжения. Поэтому в настоящее время разработаны и постепенно внедряются новые способы повышения бесперебойности подачи переменного тока к электропитающим установкам.
Одним из этих способов является частичная или полная автоматизация резервных электростанций, которая позволяет сократить время запуска дизель-электрического агрегата до 20—30 с и в то же время сокращает потребность в квалифицированном обслуживающем персонале.
Для дальнейшего сокращения продолжительности возможного перерыва питания в период запуска дизель-электрического агрегата разработаны различные виды устройств автоматического включения резерва (АВР), действие которых основывается на автоматическом переключении электропитающей установки с основного фидера переменного тока на резервный. При наличии устройств АВР перерывы в подаче электроэнергии могут быть сокращены до 0,6—0,7 с. Для такого способа резервирования нужно иметь в распоряжении два независимых фидера электроснабжения от местной энергосистемы.
Чтобы полностью исключить какие бы то ни было перерывы подачи переменного тока, созданы так называемые устройства гарантированного питания (УГП). Эти устройства включаются в работу практически мгновенно и действуют до того момента, пока резервная электростанция примет на себя все питание узла связи переменным током. Действие УГП основывается на использовании запаса энергии в аккумуляторных батареях или вращающихся маховиках.
Для транспортных узлов связи применяют резервные электростанции мощностью от 6 до 60 кВ · А. Обычно они размещаются в отдельном помещении в подвале здания, где располагается узел связи, или в отдельном небольшом одноэтажном здании вблизи этого узла. Агрегат резервной электростанции устанавливается на прочном бетонном фундаменте, изолированном от стен здания. Выхлопная труба должна быть выведена наружу.
Рекомендуется применять дизель-генераторные агрегаты типов ДГА-12М, ДГА-24М, ДГА-48М и ДГА-72М соответственно на 12, 24, 48 и 72 кВ · А. Кроме этих агрегатов, в помещении резервной
электростанции размещается различная аппаратура для обслуживания станции и автоматизации ее работы, а также распределительный щит с приборами для управления электрическими цепями.
Рис. 144. Размещение оборудования резервной электростанции ДГА-12М
Примерное расположение оборудования в помещении резервной электростанции типа ДГА-12М для узла связи средней величины показано на рис. 144, где 1 — умывальник; 2 — стеллаж со стартерной аккумуляторной батареей; 3 — зарядный выпрямитель; 4 — кабельные трубы; 5 — панель с температурными датчиками; 6 — вывод электрокабеля; 7 — глушитель; 8 — маслоотстойник; 9 — щит управления; 10 — генератор; 11 — дизель; 12 — бак для топлива; 13— ручной насос; 14 — приямок; 15— бак для воды; 16 — насос с электродвигателем для топлива; 17 — бак для масла; 18 — ввод топливных труб.
Автоматизированный агрегат резервной электростанции может запускаться стартером при помощи системы телеуправления в моменты прекращения подачи электроэнергии из основной сети. Для сокращения продолжительности пуска предусматривается предварительный подогрев электроподогревателем воды и масла в двигателе. Если пуск с первого раза не состоялся, то он повторяется до четырех раз с определенными интервалами. Нагрузка к агрегату подключается лишь после того, как напряжение и частота вращения двигателя достигнут установленных значений.
Во время работы агрегата напряжение его стабилизируется с точностью ±2 % при изменении нагрузки на агрегат в пределах от 20 до 100 %. Агрегат останавливается при восстановлении нормального энергоснабжения или при нарушении его нормальной работы из-за повреждения или перегрузки.
§ 77. Устройства автоматического включения резерва и гарантированного питания
Устройство автоматического включения резерва АВР представляет собой несложную коммутационную схему, состоящую из контакторов К (рис. 145), автоматически переключающих всю электропитающую установку узла связи ЭПУ с основного фидера переменного тока
Φид.1 на резервный фидер Фид.2 при пропадании или недопустимом снижении напряжения в основном фидере. Контакторы быстро срабатывают под воздействием управляющей группы реле Р. При восстановлении напряжения в первом фидере ЭПУ снова переключается на него.
Описанное резервирующее устройство отличается большой простотой и надежностью действия, однако применение его на практике возможно лишь в тех случаях, когда к ЭПУ подводятся два независимых фидера электроснабжения. Учитывая, что электроснабжение в нашей стране повсюду осуществляется от единых энергосистем, в которых все электростанции работают параллельно на общие кольцевые сети, термин «независимые фидеры» следует понимать в том смысле, что они подходят к ЭПУ узла связи от разных трансформаторных подстанций.
Резервирование электроснабжения при помощи устройств АВР сопровождается кратковременным перерывом подачи электроэнергии (примерно 0,6 с) во время переключения мощных контакторов, но зато запуск резервной электростанции не требуется.
Схема резервирования электропитания всего узла связи в целом по рис. 145 может быть рационально совмещена с использованием в электропитающей установке узла выпрямительных устройств типа ВУЛС (§ 57), обеспечивающих питание присоединенных к ним устройств связи без всяких перерывов.
Устройства гарантированного питания УГП обеспечивают полную бесперебойность электроснабжения устройств связи. Однако они рассчитываются лишь на непродолжительное время работы до запуска резервной электростанции. Применяются УГП на основе электрических машин с аккумуляторными батареями или инерционным маховиком. Простейшее УГП с аккумуляторной батареей (рис. 146, а) представляет собой агрегат из трех электрических машин, валы которых соединены муфтами. При нормальной работе асинхронный двигатель АД, получая через контактор к1 переменный ток из сети, вращает две другие машины. Синхронный генератор СГ вырабатывает трехфазный ток, который поступает в электропитающую установку ЭПУ. При пропадании напряжения в сети размыкается контактор к1 и замыкается контактор к3. Ток аккумуляторной батареи А Б поступает в двигатель постоянного тока ДПТ, который продолжает вращать СГ. Таким образом, электроснабжение ЭПУ не прекращается. Однако сравнительно небольшой запас энергии в аккумуляторной батарее не может обеспечить надолго электроснабжение всего узла связи. Поэтому сейчас же после начала использования аккумуляторной батареи необходимо пустить в ход резервную электростанцию РЭС и перевести на нее электроснабжение узла связи через контактор к2.
Рис. 145. Принцип действия устройства АВР
Рис. 146. Кинематическая схема устройства гарантированного питания
Простейшее УГП с инерционным маховиком (рис. 146, б) имеет в своем составе синхронный двигатель-генератор СДГ, на валу которого укреплен маховик М с большим моментом инерции. При нормальной работе переменный ток из сети поступает через контактор к1 в ЭПУ и одновременно в синхронный двигатель-генератор СДГ, который работает в режиме синхронного двигателя и вращает маховик М. При пропадании напряжения в сети маховик продолжает вращать машину, которая в этом случае начинает работать синхронным генератором и продолжает питание ЭПУ переменным током вплоть до запуска резервной электростанции РЭС.
Необходимо заметить, что на рис. 146, a и б показаны только принципы действия УГП и исключены все необходимые автоматические устройства, управляющие коммутацией и устанавливающие режимы работы всех устройств. В будущем намечается также широко использовать в качестве устройств гарантированного питания узлов связи мощные инверторные установки, получающие энергию от аккумуляторных батарей. Такие стационарные установки будут иметь преимущества по сравнению с машинными агрегатами в отношении габаритов и надежности их действия.
§ 78. Общие понятия о надежности
Надежность действия устройств электропитания имеет первостепенное значение, поскольку от нее в первую очередь зависит бесперебойность работы питаемых устройств транспортной связи. Поэтому она является одним из важнейших эксплуатационных показателей работы современных узлов связи.
Под надежностью понимается способность технических устройств выполнять свои функции и сохранять заданные характеристики в определенных условиях их эксплуатации. Утрата этой способности называется отказом устройства.
Различают внезапные (или полные) и постепенные (или допусковые) отказы. При внезапном отказе устройство электропитания утрачивает свою способность выполнять заданные функции. При постепенном отказе происходит сравнительно медленное изменение характеристик устройства, в результате чего один или несколько показателей выходят за допустимые пределы, хотя устройство и продолжает функционировать. Таким образом, одно из основных свойств надежности — это безотказность в работе, т. е. сохранение работоспособности в течение некоторого времени без вынужденных перерывов. Это время называется наработкой на отказ.
Отказ — это событие случайное, появление которого нельзя предсказать в какое-либо время. ЛАожно лишь говорить о вероятности появления отказа. Поэтому количественные характеристики носят вероятностный характер.
Всякое устройство электропитания состоит из многих связанных в единое целое компонентов (функциональных узлов, блоков, отдельных конструктивных элементов), каждый из которых имеет свои характеристики надежности. В большинстве случаев полные отказы отдельных узлов, блоков и элементов приводят к отказу устройства электропитания в целом. Поэтому сложные многокомпонентные устройства электропитания могут иметь низкую надежность, несмотря на высокую надежность отдельных компонентов. Вследствие этого для обеспечения достаточной надежности всякого устройства электропитания в целом необходимо использовать при его изготовлении высоконадежные компоненты, т. е. полупроводниковые элементы, трансформаторы и функциональные узлы в виде сборок и микросхем.
Надежность отдельных компонентов, а следовательно, и созданных из них устройств значительно зависит от электрических режимов и условий эксплуатации. Интенсивность отказов растет с увеличением электрической и тепловой нагрузки, повышением или понижением окружающей температуры по сравнению с нормальной, повышением влажности, механических нагрузок и т. п. Поэтому одним из средств повышения надежности является выбор таких режимов работы элементов, при которых интенсивности отказов снижаются. В частности, целесообразно устанавливать рабочие токи и напряжения ниже номинальных значений.
Одним из наиболее эффективных средств повышения надежности электропитающих установок является резервирование их составных частей (главным образом выпрямителей и групп аккумуляторных батарей). Однако эффективность резервирования как средства повышения надежности будет реальной лишь в том случае, если резервирующие устройства регулярно проверяются в условиях эксплуатации.
Наряду с безотказностью надежность характеризуется также такими свойствами, как сохраняемость, ремонтопригодность и долговечность.
Сохраняемостью называется свойство изделия сохранять работоспособность в течение и после срока хранения и транспортировки.
Ремонтопригодностью называется приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. Иначе говоря, ремонтопригодность характеризует устройство с точки зрения удобства и легкости выполнения его ремонта, а также быстроты ликвидации возникающих в нем повреждений.
Долговечность характеризует сохранение работоспособности до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для обслуживания и ремонта. Рассматривая приведенные выше характеристики надежности, можно заметить, что все они определяются условиями конструирования и производства аппаратуры на заводах. Тем не менее, в процессе эксплуатации аппаратуры можно улучшить эти характеристики за счет квалифицированного обслуживания и использования рациональных режимов работы.