Системы аварийных генераторов: конструкция, монтаж, обслуживание и проводка для надежного питания

Обзор аварийных генераторных установок

(Мануэль Болотинья)

Введение в аварийные генераторные установки

Больницы, аэропорты, торговые центры и офисные здания — лишь некоторые примеры объектов, которые крайне чувствительны к выключениям электроэнергии, вызванным неисправностями в сетях среднего (СН) и низкого напряжения (НН) распределения, а также в сетях высокого напряжения (ВН^[1]) передачи.

При отключении электроэнергии необходимо, чтобы системы связи, аварийное освещение, вентиляторы дымоудаления, насосные станции пожаротушения, системы безопасности, освещение зданий и другие критически важные электрические системы и оборудование, обозначенные как существенные нагрузки (или критические), продолжали работать.

Для решения таких проблем общепринятым решением является установка НН дизельных аварийных генераторных установок, чьи применение, характеристики и процедуры монтажа должны соответствовать стандарту МЭК^[2] 60034.

Номинальная мощность и заземление нейтри аварийного генератора

Номинальная мощность НН дизельных аварийных генераторных установок^[3] зависит от режима работы: резервный, основной и непрерывный, как определено в стандарте ИСО^[4] 8528.

В резервном режиме доступная мощность, выдаваемая генераторной установкой, меняется в зависимости от нагрузки во время отсутствия нормального питания, а средняя выдаваемая мощность составляет 70% от номинальной резервной мощности. Типичная работа этого режима — 200 часов в год с максимумом 500 часов в год.

В основном режиме доступная мощность, выдаваемая генераторной установкой, меняется в зависимости от нагрузки в неограниченном промежутке времени, а средняя выдаваемая мощность составляет 70% от номинальной основной мощности. Типичный пиковый спрос — 100% от номинальной основной ekW^[5] с 10% возможностью перегрузки для аварийных целей в течение максимум 1 часа каждые 12 часов; работа в перегрузке не должна превышать 25 часов в год.

В непрерывном режиме мощность доступна без изменения нагрузки в неограниченном времени. Средняя выдаваемая мощность составляет 70–100% от номинальной непрерывной мощности. Типичный пиковый спрос — 100% от номинальной непрерывной ekW в течение 100% рабочего времени.

Из приведенных определений легко понять, что та же самая генераторная установка имеет разные номинальные мощности для каждого режима работы. Номинальная мощность в резервном режиме выше, чем номинальная мощность в основном режиме, которая, в свою очередь, выше, чем номинальная мощность в непрерывном режиме.

Номинальная мощность генераторных установок может быть определена в кВА или кВт для cos Φ (коэффициент мощности)^[6] = 0,8. Также необходимо указать частоту сети (50 Гц или 60 Гц).

В таблице 1 в качестве примера приведены значения номинальной мощности (кВА) некоторых генераторных установок одного производителя и одной серии в зависимости от режима работы (f = 50 Гц).

Таблица 1 – Примеры номинальной мощности аварийных генераторных установок по режимам работы

Поскольку НН сеть, которую генераторная установка будет электрически питать, изолирована и имеет несимметричные нагрузки, нейтральная точка обмоток альтернатора^[7] заземляется напрямую, так как эта схема заземления нейтри улучшает работу альтернатора при таких нагрузках.

Конструкция и компоненты аварийного генератора

Общие сведения

Основные компоненты генераторной установки (см. рисунок 1):

• Двигатель
• Альтернатор
• Основной каркас/рама
• Пусковой аккумулятор и зарядное устройство
• Система смазки
• Системы охлаждения и выхлопа, включая радиатор
• Топливная система
• Регулятор напряжения
• Выхлопная трубопроводка и глушитель
• Панель управления и мониторинга

Рисунок 1 – Основные компоненты генераторной установки

Двигатель

Двигатель, который должен соответствовать стандарту ИСО 3046, представляет собой двигатель внутреннего сгорания, четырехтактный, обычно дизельный (существуют также газовые модели). Мощность двигателя должна быть соответствующей номинальной мощности альтернатора.

Основные компоненты двигателя:

• Электронный регулятор оборотов, обычно с вариацией ± 0,25
• Управление разгоном и рычаг пуск/стоп
• Стандартное стальное кольцо для обеспечения жесткого соединения с системой муфты корпуса альтернатора
• Маховик и эластичная муфта для соединения с альтернатором

Двигатель должен запускаться и работать не менее 8 часов на полной нагрузке, за которыми следует 1 час работы с 10% перегрузкой при заданных температурных условиях. Двигатель должен иметь электрический пуск, время которого не должно быть более 10 с.

Охлаждение двигателя может осуществляться циркуляцией воздуха или воды в замкнутом контуре с радиатором. Для улучшения пуска двигателя должен быть предусмотрен система предварительного нагрева масла, воды или всасываемого воздуха (обычно резисторы), которая должна работать с повышением температуры масла в картере.

Альтернатор

Альтернатор является синхронным, одно- или трехфазным, самовозбуждаемым, регулируемым и вентилируемым; вентиляция альтернатора должна выполняться коаксиальной турбиной на валу.

Основные характеристики альтернаторов:

• Номинальное напряжение: 230 В (однофазные альтернаторы); 400/230 В (трехфазные альтернаторы).
• Номинальная частота: 50 Гц или 60 Гц.
• Номинальная мощность (в зависимости от режима работы — см. раздел 2).
• Коэффициент мощности: обычно 0,8.
• Класс изоляции: обычно H.

Класс изоляции альтернаторов устанавливается в соответствии со стандартом МЭК 60085, учитывая максимальную температуру, которую выдерживают обмотки, поскольку температура часто является главным фактором, способствующим старению изоляционных материалов. В таблице 2 приведены классы изоляции альтернаторов.

Таблица 2 – Классы изоляции альтернаторов

Другие характеристики альтернаторов, которые необходимо учитывать:

• Подавление радиопомех.
• Гармоническая искаженность: ≤ 2 % в холостом ходе; ≤ 3,5 % с симметричной нагрузкой.
• Регулирование напряжения: ±1,5% для изменений холостого хода и полной нагрузки, коэффициент мощности между 0,8 и 1 и изменения скорости ± 4,5 %.
• Способность восстанавливать напряжение до 3% от номинального напряжения в течение 3 с, когда полная нагрузка внезапно включается с cos Φ = 0,8.
• Способность выдерживать токи короткого замыкания до 300% от номинального тока в течение 5 с до срабатывания внутренних защитных устройств.

Другие компоненты и системы

Сборочный каркас двигателя и альтернатора (а также ежедневного дизельного бака) обычно изготавливается из стандартных стальных профилей, электрически сварных, и должны быть установлены антивибрационные опоры; эти профили должны быть рассчитаны так, чтобы собственная вертикальная частота колебаний составляла около 7 Гц.

Пусковой аккумулятор — свинцово-кислотного типа, подключенный к зарядному устройству, которое обеспечивает поддерживающий заряд аккумулятора и обычно устанавливается в панели управления и мониторинга.

Выхлопная трубопроводка должна включать глушитель (см. рисунок 2) и гибкое соединение от выхлопного патрубка двигателя до исходящей трубы. И глушитель, и трубопроводка должны быть термически изолированы стекловолокном, обтянутым алюминиевым листом.

Рисунок 2 – Выхлопная трубопроводка генераторной установки

Топливная система включает ежедневный бак (с индикатором уровня и концевиками максимального и минимального уровней) и должна иметь такую емкость, которая гарантирует работу генераторной установки в течение заданного периода времени на номинальной полной мощности для установленного режима работы.

Эта система может также включать возможный дизельный резервуар, насосы перекачки ежедневного бака (ручной и электрический) и необходимую трубопроводку.

Панель управления и мониторинга

В панели управления и мониторинга должны быть установлены следующие устройства:

• Измерительные приборы (амперметры, вольтметры, частотомер).
• Устройства управления и мониторинга: кнопки пуск/стоп; коллектор масла; термометр воды.
• Коммутатор управления с 4 позициями: Авто/Ручной/Тест/Вне службы.
• Автоматическая система пуска и остановки генераторной установки.
• Автоматический выключатель для защиты альтернатора.
• Контрольные лампы.
• Система аварийной остановки двигателя.
• Зарядное устройство аккумулятора (см. раздел 3.4).
• Устройства управления и мониторинга всех вспомогательных компонентов генераторной установки.

Процедуры монтажа аварийной генераторной установки

Генераторные установки обычно монтируются в помещениях, в специально выделенном помещении, которое должно быть оснащено входными и вытяжными решетками, рассчитанными для обеспечения необходимого воздушного потока для охлаждения оборудования.

Вытяжная решетка устанавливается напротив радиатора и должна обеспечивать легкий демонтаж для вывозки генераторной установки. В случаях, когда невозможно обеспечить необходимый воздушный поток для охлаждения генераторной установки, необходимо установить радиатор отдельно от двигателя.

В этих случаях охлаждение генераторной установки осуществляется через циркуляцию пресной воды в замкнутом контуре с использованием центробежного насоса. Температура термостатически контролируется, а отвод тепла достигается за счет радиатора, установленного в первичном контуре, и вентилятора. Радиатор должен иметь низкий уровень шума и монтироваться на антивибрационных опорах.

Рисунок 3 показывает пример описанной выше схемы.

Рисунок 3 – Схема монтажа генераторной установки с отдельным радиатором

Если уровень шума генераторной установки слишком высок по нормативным требованиям, в частности, когда оборудование установлено наружными, генераторную установку необходимо разместить внутри обтекателя, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Генераторная установка внутри обтекателя

Обслуживание аварийной генераторной установки

Как указано в разделе 1, генераторные установки играют критическую роль в безопасности людей и имущества определенных электроустановок, поэтому важно разработать точную программу обслуживания, которая должна включать:

• Ежемесячный или двухразовый в месяц запуск в холостом режиме в течение 4 часов (чтобы гарантировать готовность к работе при необходимости).
• Ручной запуск.
• Пуск генераторной установки при отсутствии сетевого напряжения и проверка работы автоматического вводного переключателя.
• Визуальный осмотр.
• Проверка заземления нейтри и всех металлических частей.
• Проверка уровня масла и
• Состояние аккумулятора (визуальный осмотр; измерение напряжения элементов; состояние электролита).

Пуск генератора. Автоматическая система переключения

Пуск генераторной установки должен быть автоматическим при пониженном напряжении или напряжении отрицательной последовательности в сети питания и осуществляется через автоматизированную систему, установленную в панели управления и мониторинга генераторной установки. Эта автоматизированная система также обеспечивает отключение и остановку генераторной установки при возвращении сетевого напряжения к нормальному.

Вышеупомянутая автоматизированная система будет управлять автоматической системой переключения, в дальнейшем называемой автоматическим вводным переключателем, и должна обеспечивать ряд последовательных попыток пуска (не менее 3) с интервалом между попытками, равным времени, необходимому для восстановления аккумулятора.

Автоматический вводной переключатель, который желательно устанавливать в главном вводном щите, должен обеспечивать переключение существенных нагрузок на питание от генераторной установки при возникновении помехи в сетевом напряжении и обеспечивать обратное переключение этих нагрузок на сетевое питание при восстановлении нормальной ситуации.

Автоматический вводной переключатель может быть построен с использованием 2 из следующих устройств:

• Автоматические выключатели.
• Нагрузочные коммутаторы.
• Контакторы.

Эти устройства должны иметь механическую и электрическую блокировку для предотвращения параллельной работы сети и генераторной установки.

Все щитовое оборудование должны иметь разъединительные устройства (автоматический выключатель; нагрузочный коммутатор; контактор) для разделения нагрузок на существенные и несущественные, чтобы предотвратить питание последних от генераторной установки.

Рисунок 5 показывает пример принципиальной схемы системы переключения.

Рисунок 5 – Принципиальная схема системы переключения

Проводка и подключение переносного генератора

Переносной генератор можно подключить к домашней электросети тремя способами, описанными здесь.

^[1] ВН: U_s ≥ 60 кВ; СН: 1 кВ < U_s ≤ 49,5 кВ; НН: U_s ≤ 1 кВ. U_s — номинальное напряжение сети.

^[2] МЭК: Международная электротехническая комиссия.

^[3] Далее мы будем использовать термин генераторные установки для обозначения НН дизельных аварийных генераторных установок.

^[4] ИСО: Международная организация по стандартизации.

^[5] ekW: Электрическая активная мощность.

^[6] cos Φ: коэффициент мощности.

^[7] См. раздел 3.3.

Об авторе: Мануэль Болотинья

- Лиценциат по электротехнике — Энергетика и системы энергоснабжения (1974 — Instituto Superior Técnico/Университет Лиссабона)
— Магистр по электротехнике и компьютерной инженерии (2017 — Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
— Старший консультант по подстанциям и системам энергоснабжения; профессиональный инструктор