Spolehlivé zabezpečení nepřetržité dodávky elektrické energie

Technologické vybavení moderních budov a objektů zaznamenalo v souvislosti s uplatněním výpočetní techniky, systémů automatického řízení a systémů pro zajištění bezpečnosti a spolehlivosti provozu posun na zcela nový kvalitativní stupeň. Naprostá většina technických zařízení, kterými jsou moderní budovy dnes vybavovány, je životně závislá na kvalitní dodávce elektrické energie. A tak jako nám tato technická zařízení umožňují zabezpečit provoz nemocnice, datacentra nebo hypermarketu na vysoké úrovni, v případě výpadku dodávky elektrické energie může přerušení funkce těchto objektů způsobit značné škody. Ohroženo je zdraví, někdy i životy obyvatel. Větší, plošný výpadek elektrické energie může mít dopad na ekonomickou či společenskou stabilitu, obranyschopnost a bezpečnost státu a na fungování státu jako územně společenské komunity. Odborníci dnes dovedou vypočítat, jaké škody vzniknou při jednodenním plošném výpadku elektrické energie. Jaké při týdenním, či při měsíčním. První den vám bude vadit, že nejde televize. Po týdnu si nebudete vědět rady s přerušením dodávky vody. A hlavně bude stále tma. Nemusíme ale hned myslet na katastrofu. Energetická síť ČR pracuje s maximálním vytížením. Již dnes najdeme v ČR lokality, kde nelze připojit nového odběratele, neboť kapacita místní sítě to neumožňuje. S výpadky sítě v důsledku poruch nebo přetížení se budeme setkávat, ať chceme, či nechceme. Existují dva pohledy na problematiku zabezpečeného napájení: l Pro IT technologie a podobná zařízení se nejčastěji používají bateriové zdroje UPS. Jsou to elektronická zařízení, zajišťující nepřetržitou dodávku elektrické energie. Jejich hlavní nevýhodou je omezená doba provozu, daná kapacitou baterií, a také nízká účinnost, způsobená nejen vlastními energetickými ztrátami, ale také provozem nezbytné klimatizace. l Pro objekty, kde je vyžadována dlouhodobá nezávislost na dodávce elektrické energie, je nejlepším řešením motorgenerátor. Mechanické spojení dieselového motoru a elektrického synchronního generátoru je jednoduché, spolehlivé a osvědčené řešení. Jedinou nevýhodou je krátká prodleva (několik sekund) mezi startem motorgenerátoru a okamžikem, kdy je stroj schopen dodávat elektrickou energii. Společnost Phoenix-Zeppelin, vedoucí dodavatel záložních napájecích systémů, přináší řešení, které je kombinací obou způsobů a zároveň eliminuje uvedené nevýhody. Zařízení je dodáváno pod obchodním názvem NZ2®. Energocentrum NZ2® je určeno pro zátěže větších výkonů (od 100 kVA výše) a disponuje prakticky neomezenou dobou zálohování (při zabezpečené dodávce paliva). Při konstrukci energocentra NZ2® byl kladen důraz především na provozní spolehlivost. Protože spolehlivostní parametry bývají často předmětem spekulací a jejich inzerované parametry jsou často věcí osobní odvahy obchodníků než exaktního výpočtu, byla ke spolupráci přizvána specializovaná firma InSophy (atelier pro použití moderních matematických metod pro inženýrské úlohy, působící při ČVUT Praha). Spolehlivostní analýzy, které byly poté pro zabezpečené napájení objektů a technologií zpracovávány, vedly k jednoznačnému závěru: kritickým prvkem standardních energocenter z hlediska spolehlivosti jsou baterie, a to nejen ve zdroji UPS, nebo ve staničním uspořádání, ale i startovací baterie motorgenerátoru. Baterie, jako elektrochemický prvek, má řadu nevýhod: omezená životnost, vysoká hmotnost a cena, rozměry, komplikovaná diagnostika daná složitým propojením jednotlivých článků, citlivost na teplotu a v neposlední řadě problém s likvidací vyřazených baterií. To vše byly důvody, proč se již v minulosti u kritických aplikací používaly mechanické záložní zdroje elektrické energie (no-break systémy). Spolehlivé, ale rozměrné a těžké nízkootáčkové stroje měly však omezené možnosti použití. S nástupem moderních technologií bylo možné tyto stroje „odlehčit“, vybavit je elektronikou a vstoupit s nimi do nového tisíciletí. To byl také případ energocentra NZ2® , které se na našem trhu objevilo v roce 2002, a najdeme jej dnes na více než 50 instalacích v datacentrech, nemocnicích, dálničních tunelech, v průmyslových objektech, akademických institucích i jinde. Základním kamenem energocentra NZ2® je motorgenerátor Caterpillar. Z požadavku zákazníků na dlouhodobou nezávislost objektu na dodávce elektrické energie z veřejné sítě totiž vyplývá dominantní role dlouhodobého záložního zdroje v energocentru. Motorgenerátor je spolehlivý stroj s jednoduchou údržbou a s možností doplňování palivové nádrže za provozu. Vzhledem k tomu, že je v provozu jen několik desítek hodin v roce, nevyžaduje žádnou zvláštní údržbu: za dobu svého technického života se „nedožije“ ani generální opravy. Moderní konstrukce a elektronické řízení zajišťují i splnění stále přísnějších emisních limitů při rozumné míře spotřeby paliva. Místo standardního zdroje UPS je energocentrum NZ2® vybaveno Modulem nepřetržitého napájení (MNN), který představuje energetický most pro dobu, než je motorgenerátor schopen převzít napájení zátěže. Dále je energocentrum doplněno příslušnými rozváděči, kabeláží, komunikačním příslušenstvím a dalšími prvky. Protože toto zařízení pracuje na mechanickém principu, není třeba k provozu klimatizace, a vyžaduje také menší zastavěný prostor. Energocentrum NZ2® lze instalovat ve vhodném prostoru (strojovně, rozvodně či jiné technologické místnosti). Rozdělit je do několika částí (dieselagregát do strojovny nebo mimo budovu, modul MNN zakomponovat do rozváděčových polí), event. jej integrovat do kontejneru. Získáme tím kompaktní zařízení, které z hlediska uživatele má jen tři připojovací body: vstup ze sítě, plnicí hrdlo palivové nádrže a výstup pro zálohovaný objekt. Technické a ekonomické parametry jsou udávány pro zařízení jako celek. Pro uživatele nejsou podstatné podrobné technické parametry jednotlivých částí, jako tomu dosud bylo u obdobných zařízení. Zajímají je pouze připojovací body, garance dostupnosti napětí pro kritickou zátěž a ekonomické aspekty provozu. Modul nepřetržitého napájení si můžeme představit jako elektrický točivý stroj - setrvačník/motorgenerátor, jehož zapojení vzdáleně připomíná zdroj UPS s architekturou line-interactive s tím rozdílem, že je neustále v motorovém režimu na pracovních otáčkách. Pokud je energetická síť v pořádku, prochází energie ze sítě přímo do zátěže a současně je přes AC/AC měnič udržován setrvačník na jmenovitých otáčkách. Vzhledem k minimalizaci ztrát je rotor uložen ve vakuu a namísto zavěšení v ložiscích levituje v magnetickém poli statoru. Jedině díky této unikátní konstrukci bylo možné dosáhnout u rotoru s hmotností 280 kg rychlosti 7700 ot.min-1. Při výpadku rozvodné sítě přejde setrvačník do generátorického režimu a při klesajících otáčkách napájí přes AC/AC měnič zálohovaný objekt tak dlouho, než dojde k nastartování motorgenerátoru, sfázování obou napětí a převzetí zátěže motorgenerátorem. Pak dojde i k opětnému nabití ( dosažení jmenovitých otáček) setrvačníku. Energocentrum NZ2® má další konstrukční prvek, který nenajdeme u žádného jiného energocentra a který významným způsobem zvyšuje provozní spolehlivost. Kritickou součástí energocenter jsou baterie. Mezi ně musíme počítat i startovací baterie motorgenerátoru. Pro případ selhání startovací baterie je totiž možné odebrat část výkonu z Modulu MNN a použít ji k napájení startéru. Motorgenerátor má tedy dva naprosto nezávislé zdroje k napájení startéru. Krátce po uvedení tohoto principu na trh byla vyvinuta i zjednodušená varianta: použití setrvačníku s příslušným měničem jako přímá náhrada olověných baterií. Setrvačník s měničem se pak připojuje přímo na stejnosměrný meziobvod zdroje UPS. Tato varianta má obchodní název DC2 a získala nejvyšší ocenění na loňském Mezinárodním elektrotechnickém veletrhu Elosys v Trenčíně. Jeden z prvních kusů je použit k zabezpečení napájení centrály Phoenix-Zeppelin v Modleticích u Prahy. Energocentrum NZ2® má optimalizovánu dobu zálohování (runtime) na hodnotu, která garantuje spolehlivý start motorgenerátoru a jeho schopnost převzít napájení zátěže. Z technologických důvodů totiž není možné zkonstruovat bateriový zdroj UPS s dobou zálohování kratší než 5 minut – přitom je tato časová „rezerva“ vzhledem k funkci energocentra zbytečná. Jistota bezpečného napájení elektrickou energií spotřebičů a technologií v budově samozřejmě něco stojí (náklady na zabezpečené napájení mohou v extrémních případech dosáhnout až desítek procent ceny celé elektroinstalace). Proto první úlohou, kterou je při návrhu zabezpečeného napájení třeba řešit, je zátěžová analýza: stanovení priorit jednotlivých zátěží a jejich struktury. Dosud projektanti řešili strukturu zátěží ve čtyřech úrovních: nezálohované spotřebiče, spotřebiče napájené z motorgenerátoru, spotřebiče napájené z centrálního bateriového zdroje UPS a velmi důležité spotřebiče s vlastním lokálním zdrojem UPS. V extrémních případech byly po budově vedeny čtyři úrovně rozvodů elektrické energie (včetně rozváděčů, jištění atd.) Použitím energocentra NZ2® se tato úloha zjednoduší. Vzhledem k tomu, že energocentrum NZ2® poskytuje nepřetržité zálohování velkého výkonu, lze první tři skupiny sloučit, a pouze ty nejcitlivější spotřebiče (kupř. centrální server, operační sál) zálohovat lokálním zdrojem UPS. Úspory z původně používané víceúrovňové kabeláže budou velmi vysoké. Firmy, které realizují elektroinstalace v budovách a objektech, většinou přizvou k dodávce a k montáži technologie záložního napájení odborného partnera. Dnes již prakticky nenajdeme firmu, která by se specializovala pouze na dodávku motorgenerátoru nebo zdroje UPS. Společnost Phoenix-Zeppelin plní roli systémového integrátora, kdy kromě dodávky strojů poskytuje i další předprodejní a poprodejní služby (projektová příprava, návrh konfigurace, začlenění energocentra do informačního systému objektu, instalace, uvedení do provozu, zaškolení obsluhy, garanční a pogaranční servis požadované úrovně, dálkový monitoring a management, upgrade, ekologická likvidace vyřazených baterií atd.). Nabízí i služby na finanční bázi, jako je krátkodobý i dlouhodobý pronájem energocenter, možnost leasingu, outsourcing atd. Často se také spojuje s elektroinstalačními nebo stavebními firmami do skupin, sdružení a holdingů a takový dodavatel je pak schopen dodat kompletní elektroinstalaci objektu „na klíč“. Ing. Karel Kuchta, CSc. Kontakt: Phoenix-Zeppelin, spol. s r.o., Energetické systémy Lipová 72 250 71 Modletice www.p-z.cz/motory