+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Допустимые Потеря напряжения в сети


    Для подачи к электроприемникам напряжения, близкого к номинальному, в числе прочих мер площадь сечения проводников следует выбирать таким образом, чтобы потеря напряжения в них не превышала некоторого допустимого значения. Так как отклонения напряжения зависят от потерь напряжения и одновременно с ограничением последних принимаются меры по регулированию напряжения трансформаторов путем изменения их коэффициентов трансформации, то расчет местных сетей на потерю напряжения дает возможность обеспечить отклонения, не выходящие за допустимые пределы. Соответственно и выбираются допустимые потери напряжения в элементах сети для каждого конкретного случая. Практически потеря напряжения принимается в воздушных линиях напряжением 6—10—35 кВ — 8%, в кабельных — 6%, в сетях 380 и 220 В на всем их протяжении (от ТП до последнего электроприемника)—5—6% от номинального напряжения. [c.25]

    Общие положения. Потери напряжения в линиях ПУЭ не нормируются, так как имеются рациональные средства регулирования напряжения, в их числе ручное или автоматическое переключение ответвлений на обмотках высшего напряжения трансформаторов, включение на параллельную работу линий и трансформаторов и т. д. Определим максимально допустимую потерю напряжения в звене сети любого напряжения, включающую элементы трансформатор—линия — электроприемник, или генератор — линия — электроприемник. Учитывая, что выходное напряжение генератора или вторичной обмотки трансформатора превышает номинальное напряжение сети на 5% пределы регулирования сети составляют 5% потери напряжения в трансформаторах не превосходят 5% допускаемое отклонение у электроприем-ников составляет 5%, нетрудно определить, что допустимые потери напряжения в линии составят без регулирования 5%, а при регулировании 10%. При этом (сеть без регулирования напряжения) напряжение первичной обмотки приемного трансформатора будет равно номинальному, что в свою очередь гарантирует напряжение вторичной его обмотки на 5% выше номинального.

[c.76]

    Допустимые потери напряжения в сетях [c.102]

    Здесь рассматриваются расчеты по выбору площади сечений проводов линий местных сетей напряжением до 35 кВ. Обычно площадь сечения проводов сначала определяется по условиям экономической выгоды (экономический расчет), а затем проверяется по нагреву, потере напряжения, а в ряде случаев и по тепловой устойчивости действию токов короткого замыкания (электрический расчет). Воздушные линии, кроме того, рассчитываются на механическую прочность и на соответствие стрел провеса проводов допустимым значениям с выбором необходимых типов опор (механический расчет). [c.21]


    В силовых сетях в процентах от номинального напряжения сети 8% для нормальных условий, 12% при аварийных режимах. Допустимая потеря напряжения при запуске короткозамкнутых электродвигателей до 15% от номинального напряжения при редких пусках и до 10% при частых пусках.[c.31]

    Питание жилых домов высотой до 5 этажей включительно. Для питания таких зданий при отсутствии в квартирах электроплит применяются магистральные петлевые схемы с резервной перемычкой или без нее. Такая простейшая схема кабельной сети показана на рис, 7.1. Резервная перемычка 8 подключается при выходе из строя любой из питающих линий 9 или 10, которые должны рассчитываться на прохождение по ним тока аварийного режима и по допустимым потерям напряжения. 

[c.132]

    Ток от генератора к ваннам передается преимущественно медными шинами (плоскими полосами) или медными проводами круглого сечения. Поперечное сечение проводников рассчитывается в соответствии с силой пропускаемого тока. При расчете исходят из допустимого падения напряжения в сети (обычно 10%), длины сети и сопротивления проводников. Круглую медь применяют для силы тока примерно до 600 а, а для силы тока более 600 а применяют медные шины. В зависимости от условий, в шине бывает от 1 до 5 полос. Правильный расчет проводов и максимальное сокращение потерь электроэнергии в сети постоянного тока имеет для цеха хромирования большое значение, потому что применяется ток низкого напряжения, но значительной силы. 

[c.149]

    При расчете электрических сетей по потерям напряжения всегда возникает вопрос о допустимой (располагаемой) потере напряжения. Эта величина не является постоянной. Как уже отмечалось, напряжение холостого хода на шинах низкого напряжения трансформаторов принимается равным 105 % номинального. Тогда обшая потеря напряжения в сети, В, до наиболее удаленного электроприемника, включая потерю напряжения в трансформаторе, составляет [c.195]

    Приведенные наибольшие допустимые (располагаемые) потери напряжения являются предельными и учитывают лишь требования ПУЭ о наибольших допустимых отклонениях напряжения на зажимах электроприемииков от номинального. В ряде случаев эти предельные значения могут оказаться выше значений, отвечающих наименьшим приведенным затратам, т.

е. экономически выгодных и соответствующих оптимальным схемам сетей. При проектировании следует стремиться к выбору схем, близких к оптимальным значениям допустимых потерь напряжения и их распределению по элементам сети. [c.196]

    Распределение допустимых потерь напряжения по участкам сети целесообразно производить по условиям наибольшей экономичности (по наименьшим расчетным затратам). Эти вопросы рассматриваются в гл. 16. Во многих случаях условие экономии цветных металов не соответствует минимальным расчетным затратам, однако вопросы экономии цветных металлов все еще являются актуальными, поэтому расчет сети по наименьшему расходу цветного металла следует считать целесообразным. [c.206]

    Пример 11.2. Выполнить расчет питающей четыре спроводной линии в 16-этажном жилом доме. Дом оборудован стационарными электрическими плитами установленной мощностью 5,8 кВт. Напряжение сети 380/220 В допустимую потерю напряжения в линии принять 2,3 %.

Защиту линии и стояков выполнить автоматическими вьниючателями [c.210]

    Примечания 1. Пределы допустимых потерь напряжения определены только по экономическому критерию (наименьшим приведенным затратам). При этом в большинстве случаев суммарные потери напряжения не выходят за пределы допустимых по ПУЭ. Однако для весьма протяженных линий и высоких зданий и прн значительном удалении от ТП (что возможно в редких случаях) суммарные потери напряжения по табл. 16.1 могут оказаться выше допустимых по ПУЭ. В Этих случаях их следует пропорционально уменьшить до пределов, предусмотренных ПУЭ. 2. По опыту проектирования, потерн напряжения во внут-рнквартириых групповых линиях общего освещения могут приниматься равными 0,8—1 %. Потери иапряжеиня в штепсельной сети и линиях питания электроплит в этих случаях можно не рассматривать, поскольку они не выходят за пределы, установленные соответствующими ГОСТ. 3. Как правило, приведенное в табл. 16.1 распределение потерь напряжения незначительно отклоняется от распреде-леиня, рассчитанного по наименьшему расходу цветного металла (см.

гл. 11). [c.253]

    Распределительные сети обычно состоят из сетей двух напряжений. причем связь осущесталяется без регулированля напряже ння под нагрузкой. Чтобы упростить расчеты, целесообразно каждое из этих звеньев распределительной сети рассматривать отдельно. Подберем допустимые потери напряжения прн наибольших нагрузках в каждом звене, т. е. в распределительной сети одного напряжения, учитывая указанные выше условия, которые должны соблюдаться в центрах питания, и предельно допустимые отклонения напряжения у нагрузок. 

[c.104]

    Отклонения напряжения у электро-приемников от номинального допускаются в пределах от — -5 до —2,5% при освещении помещений холодильников от -)-5 до —5% при аварийном и наружном освещении, а также в жилых зданиях до 5%, а в отдельных случаях до — -10% для питания силовых электроприемников. Значительное повышение напряжения у двигателей увеличивает потребление ими реактивной мощности из сети и их нагрев вследствие роста потерь в стали. Понижение напряжения вызывает снижение вращающего момента и мощности двигателя в квадратичной зависимости от напряжения. Одновременно увеличивается ток, а также нагрев двигателя за счет роста потерь в меди. Периодические или резкие изменения нагрузки сети также могут вызвать колебания напряжения. Последние вредно сказываются на изменении силы света ламп, что вызывает утомляемость зрения и снижение производительности труда. Величина допустимых колебаний напряжения ограничивается для ламп в производственных помещениях не болое 4%, а в жилых зданиях не более 2,5% при повторяемости до 10 раз в час для электродвигателей, пускаемых без нагрузки, не более 15%, а пускаемых под нагрузкой (лифты) не более 10% от номинального напряжения сети. 

[c.157]

    При полной нагрузке трансформатора и коэффициенте моишо-сти os

потеря напряжения в трансформаторе составит 0,8(2,5ч-1,2)+0,6(3,7- 6.4) =4,2-5-4.8%. Поэтому в распределительных сетях двух напряжений может быть потеряно 17,5— (4,2-i-4.

8) = 13,3- 12,7%. Для того чтобы разделить эти потери между сетями высшего и низшего напряжения, рекомендуется исходить яз следующих значений нанбольшей допустимой потери мапряжения  [c.105]

    Суммарные потери напора в водопроводных сетях в падавляю-щем большинстве случаев исчисляются десятками метров. В отдельных случаях эти суммарные потери напора могут достигать 100 м. При суммарном падении напряжения в линиях электромодели в пределах 100—1 ООО е масштаб моделирования оказывается возможным принимать в пределах от 1 ж = 1 в до 1 л = 10 в. При выявлении погрешности в определении потерь напора замером падения напряжения на электромодели нами было установлено, что для определения потерь напора с погрешностью не более 0,1 -м и масштабе моделирования 1 -и = 1 в максимальная допустимая мощность срабатывания реле должна быть около 10 вт, а при той же погрешности и масштабе 1. и = 10 в — примерно 10 вт. 

[c.31]


Нормирование потерь в осветительных сетях

    Потери напряжения в осветительных сетях приводят к снижению светового потока у наиболее удаленных от источника питания светильников. Поэтому в процессе проектирования освещения всегда следует рассчитывать величину ожидаемых потерь, в первую очередь в наиболее протяженных и нагруженных линиях. Способы расчета потерь в зависимости от схемы групповой линии подробно изложены в статье Расчет потерь в кабеле. В данной работе рассмотрим вопросы нормирования допустимых потерь.

    Выполнять электрические сети с потерями, не превышающими допустимый уровень, необходимо для обеспечения требований по отклонению напряжения от номинального значения на зажимах силовых электроприемников и наиболее удаленных светильников. Для общественных и жилых зданий в соответствии с первым абзацем пункта 7.23 Свода правил СП 31-110-2003 отклонения напряжения не должны превышать в нормальном режиме ±5%, а предельно допустимые в послеаварийном режиме при наибольших расчетных нагрузках — ±10%. В сетях напряжением 12-50 В (считая от источника питания, например понижающего трансформатора) отклонения напряжения разрешается принимать до 10%.

    Для осветительных сетей промышленных предприятий допускают аналогичные (±5% в нормальном режиме и ±10% в послеаварийном) отклонения напряжения от номинального значения. Данные требования можно найти в нормах технологического проектирования (НТП) «Проектирование осветительных электроустановок промышленных предприятий. Внутреннее освещение. 1996. ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект»».

    Выполнить приведенные требования при проектировании освещения проектировщик может лишь при условии, что службы эксплуатации электростанций и подстанций осуществляют регулировку напряжения в соответствии с пунктом 1.2.23 ПУЭ: «Устройства регулирования напряжения должны обеспечивать поддержание напряжения на шинах напряжением 3-20 кВ электростанций и подстанций, к которым присоединены распределительные сети, в пределах не ниже 105 % номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок этих сетей».

    Так как проектировщик осветительной сети не может отвечать за действия служб эксплуатации подстанций, то в проекте освещения выполняется только расчет потерь напряжения.

     В России главный законодатель по проектированию освещения, по существу, отсутствует, и, как следствие, вводимые в ГОСТы требования по потерям в осветительных сетях ни с кем не согласовываются. Поэтому в действующих на сегодняшний день ГОСТах и других руководящих документах можно найти различные подходы к нормированию потерь. Особенно сложно воспринимаются ГОСТы, представляющие собой перевод на русский язык международных стандартов МЭК, которые утверждены и введены в действие в России. В силу несоответствия некоторых технических понятий и определений в разных языках такие переводы часто вызывают неоднозначность принятых в них норм.

    В своде правил по проектированию и строительству СП 31-110-2003, требования которого учитывают и проектировщики, и инспекторы Ростехнадзора, в третьем абзаце пункта 7.23 установлена норма: «С учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной лампы общего освещения в жилых и общественных зданиях не должны, как правило, превышать 7,5%». Здесь словосочетание «как правило» означает, что данное требование является преобладающим, а отступление от него должно быть обосновано.

    Допустимые потери в кабелях питающей сети (от шин 0,4 кВ ТП до ВРУ здания) указаны в действующей в настоящее время Инструкции по проектированию городских электрических сетей РД 34.20.185-94. В пункте 5.2.4. сказано: «Предварительный выбор сечений проводов и кабелей допускается производить исходя из средних значений предельных потерь напряжения в нормальном режиме: в сетях 10 (6) кВ не более 6 %, в сетях 0,38 кВ (от ТП до вводов в здания) не более 4 — 6 %.

    Большие значения относятся к линиям, питающим здания с меньшей потерей напряжения во внутридомовых сетях (малоэтажные и односекционные здания), меньшие значения — к линиям, питающим здания с большей потерей напряжения во внутридомовых сетях (многоэтажные многосекционные жилые здания, крупные общественные здания и учреждения)».

    Чтобы одновременно выполнить требования СП 31-110-2003 и РД 34.20.185-94 может потребоваться обеспечить суммарные потери в кабеле от ВРУ до щита освещения и в кабелях групповых линий не более 1,5% в малоэтажных и односекционных зданиях, и не более 2,5% в многоэтажных и многосекционных зданиях.

    Во всех случаях расчет потерь должен начинаться со сбора информации о всех кабельных линиях (сечение жил, материал жил, длина) от ТП до щита освещения. Расчет возможных потерь в этих кабелях иногда позволяет увеличить допустимые потери в групповых линиях и этим снизить стоимость осветительной сети здания.

    С 1 января 2013 года введен в действие ГОСТ Р 50571.5.52-2011 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-52. Выбор и монтаж электрооборудования. Электропроводки», который является аутентичным переводом международного стандарта IEC 60364-5-52:2009. В нем в справочном приложении G «Падение напряжения в установках потребителей. Максимальное значение падения напряжения» приведены нормы падения напряжения между источником питания и любой точкой нагрузки: «Для установок низкого напряжения, питающихся непосредственно от общей системы электроснабжения низкого напряжения, допускаются потери 3% для освещения и 5% для других пользователей». При этом «когда длина электропроводки более чем 100 м, эти падения напряжения могут быть увеличены на 0,005% на метр электропроводки вне 100 м, но не более, чем на 0,5%». К сожалению, в данном ГОСТ нет конкретного указания, на что распространяются указанные потери: только от ВРУ здания до наиболее удаленного светильника, или от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленного светильника. Но, по видимому, речь идет о потерях, начиная от ВРУ здания. Иначе ГОСТ входит в сильное противоречие с СП 31-110-2003 и РД 34.20.185-94. Также нет четкого указания, в каком случае можно увеличивать потери на 0,005% на метр электропроводки: с учетом длины кабеля от ВРУ до щита освещения или нет. В соответствии с пунктом 520.3.1 ГОСТ Р 50571.5.52-2011 электропроводкой называется «Совокупность из голых или изолированных проводников или кабелей или шин и частей, которые их защищают и в случае необходимости заключают в себе кабели или шины». Данное определение не проясняет возникающие вопросы.

ГОСТ Р 50571.16-2007 «Электроустановки низковольтные. Часть 6. Испытания» допускает падение напряжения до 4% (п. 612.10). Именно этим стандартом руководствуются электроиспытательные лаборатории во время испытаний электроустановок. Но, при больших потерях напряжения в питающих линиях, напряжение на зажимах наиболее удаленных светильников может оказаться недостаточным для их нормальной работы. Хотя инженеры электроиспытательной лаборатории могут и не сделать замечаний. А если учесть, что в соответствие с ГОСТ 32144-2013 (до 1 июля 2014 г. действовал ГОСТ Р 54149-2010) «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» отклонение напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального значения (п. 4.2.2), то может возникнуть ситуация, что наиболее удаленные светильники не включатся. Хотя при этом все требования стандартов будут соблюдены.

    Исходя из рассмотренных в статье требований к нормированию потерь в электрических сетях, можно сделать вывод: для установок внутреннего освещения следует нормировать потери от ВРУ здания до наиболее удаленного светильника не более 2,5-3%, если потери от шин 0,4 кВ ТП до ВРУ менее 4,5%.

    При увеличении потерь питающей линии потери напряжения внутри здания следует уменьшать. Но, так как требование третьего абзаца пункта 7.23 в СП 31-110-2003 имеет рекомендательный характер, в ряде случаев можно обосновать увеличение потерь до 8-8,5% от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленного светильника. Например, при использовании люминесцентных светильников с электронными ПРА, которые устойчиво работают при пониженных напряжениях. В этом случае необходимо к обоснованию приложить паспорт на светильник, в котором должны быть указаны предельные режимы его работы.

    Что бы не допустить использования для групповых линий кабелей больших сечений, следует подбирать сечение кабеля от ВРУ до щита освещения по допустимым потерям не более 0,5-1%. Для каждой осветительной установки выбирают оптимальное распределение потерь между всеми участками электрической сети.

     Сети наружного освещения допускают потери напряжения у наиболее удаленных светильников не более 5 % номинального напряжения сети, а у наиболее удаленных прожекторов — 2,5 %. Эти требования приведены в Инструкции по проектированию наружного освещения городов, поселков и сельских населенных пунктов СН 541-82. Но, как правило, проектировщики стараются не выходить за пределы 3%, так как используемые для наружного освещения разрядные лампы высокого давления имеют сильную зависимость светового потока от напряжения.

2 сентября  2013 г.

К ОГЛАВЛЕНИЮ (Все статьи сайта)

Нормы потерь напряжения в сетях 0.4 кв. Потеря напряжения

Рассмотрение допустимых падений напряжения в электрической сети.

Цель лекции:

Ознакомление с расчетами нагрузки отдельных ветвей сети.

Допустимые падения напряжения

При любом потреблении из электрической сети происходит возникновение электрического тока. Он при своем прохождении вызывает на этих проводках падения напряжения, следовательно, напряжение, подведенное к электроприемнику не равно напряжению на клеммах источника питания, а оно ниже. Для отдельных частей электрической проводки в то же время предписаны различные падения напряжения.

Для падения напряжения от источника питания к месту потребления можно исходить из предписанных отклонений напряжения (IEC 60 038), которые должны находиться в пределах + 6 % и  10 % от номинального значения (с 2003 года данные пределы должны быть ). Это означает, что общее падение напряжения от источника питания к самому месту потребления может составлять до 16 %.

В самой электрической инсталляции здания (т. е. внутри объекта) согласно IEC 60 634-5-52 рекомендовано, чтобы падение напряжения между началом инсталляции и эксплуатируемым оборудованием пользователя не было больше 4 % номинального напряжения инсталляции. Эта рекомендация в некоторой степени противоречит требованиям других национальных стандартов (например, CSN 33 2130 в Чешской Республике).

Можно допустить, что с учетом выполнения остальных требований при расчете параметров проводки могут возникнуть в некотором отрезке падения больше, чем указано выше, если в проводке от шкафа присоединения до самого электроприемника не будут превышены следующие падения: у осветительных выводов 4 %; у выводов для плит и отопительных приборов (стиральные машины) 6 %; у штепсельных розеток и остальных выводов 8 %.

«Правила устройств электроустановок» (ПУЭ) устанавливают наибольшие длительные допустимые нагрузки (силы тока в амперах) для изолированных проводов. Кабелей и голых проводов, которые приведены в виде таблицы. Таблицы эти составлены на основании теоретических расчетов и результатов непосредственных испытаний проводов и кабелей на нагревание.

Максимально допустимые по условиям нагрева нагрузки для проводов и кабелей с алюминиевыми жилами при одинаковым геометрическом сечении и одинаковом периметре с медными проводниками следует принимать равным 77% нагрузок для соответствующих медных проводников. Для силовых сетей допустимая длительная потеря напряжения не должна превышать 5%, а для сетей освещения 2,5% номинального.

Видно, что при суммировании всех допустимых падений напряжения (в распределительной сети и в электрической инсталляции) можем попасть на сам предел работоспособности некоторых приборов и оборудования. Например, у реле и контакторов гарантирована их функция от 85 % номинального напряжения и выше, у электродвигателей это, начиная с 90 % номинального напряжения. Поэтому необходимо руководствоваться выше указанной рекомендацией (падение напряжения до 4 %), приведенной в IEC 60 634-5-52.

Отмечаем, что требования национальных стандартов не касаются падений напряжения на некоторой части проводки, а требования, насколько напряжение может упасть по отношению к номинальному напряжению. На клеммах трансформатора может быть, например, напряжение равное 110 % номинального напряжения, от них потом падения напряжения могут быть 15 %, или же 13 %. Значит, у проектировщика определенное свободный простор, каким образом распределить падения напряжения в этих случаях от источника к электроприемнику.

Необходимо сказать, каким образом падения напряжения рассчитываются, или же, как они суммируются. Что касается чисто активных нагрузок, какими являются электрическое тепловое электрооборудование, и небольших сечений проводки, ситуация простая. Падения напряжения — это произведения токов и сопротивлений проводки, которые можно простым способом суммировать. В том случае, если речь идет об электрооборудовании, например, двигателях, характер потребления которых активный и индуктивный, и об общем импедансе Z проводки, состоящем из реальной составляющей (активное сопротивление) R и мнимой составляющей (индуктивное сопротивление) X, то данные комплексные величины взаимно умножаются. Результатом этого произведения опять является комплексная величина, значит комплексное падение напряжения. Она описывает падения напряжения в реальной и мнимой оси координат. Абсолютные значения этих падений напряжения на отдельных частях проводки от источника к электроприемнику поэтому не должны суммироваться стандартным способом, а должны суммироваться опять только как комплексные величины (т. е. реальные и мнимые составляющие отдельно).

Поэтому не должно удивлять то, что суммы абсолютных значений падений напряжения часто не являются точной суммой их абсолютных значений на отдельных, связанных друг с другом проводках.

Расчет нагрузки отдельных ветвей сети

Токовые нагрузки отдельных ветвей невозможно суммировать просто как арифметическую сумму абсолютных значений токов, а нужно суммировать отдельно реальные и мнимые составляющие. При соблюдении этих правил можно определить нагрузку при любой конфигурации сети. Аналогичные правила соблюдаются и при расчете токов короткого замыкания. И при коротком замыкании вычисления выполняются с импедансом сети, выраженным в комплексной форме.

Влияние нагрузки на ток короткого замыкания.

Нагрузка может оказывать существенное влияние на токи короткого замыкания. На рисунке 1 приведены простейшие схемы включения нагрузки. Характер нагрузок и соотношения их разные (асинхронные и синхронные двигатели, бытовая нагрузка, освещение), величина меняется в разные дни года, время суток, для различной сменности работ предприятий. Определить действительное значение нагрузки и увеличение ее сопротивления в момент короткого замыкания практически невозможно.

Условно считается, что сопротивление нагрузки постоянно по и величину , определенную по (1).

В нормальном режиме сопротивление нагрузки определяется по соотношению:

, (1)

где U – расчетное напряжение, равное вторичному напряжению питающего трансформатора;

I н и S н – ток и мощность нагрузки.

Мощность нагрузки принимается в зависимости от числа питающих трансформаторов. При одном трансформаторе мощность нагрузки принимается равной мощности трансформатора. При двух одинаковых трансформаторах мощность нагрузки принимается равной 0,65-0,7 мощности одного трансформатора. При аварийном отключении одного из двух трансформаторов всю нагрузку должен принять оставшийся в работе трансформатор. Нагрузка его при этом составит 130-140 % номинальной мощности.

Рисунок 1 — Распределение тока с учетом нагрузки, подключенной

к линии (а) и к шинам (б)

Из рисунка 1 видно, что при удаленном КЗ, когда напряжение на шинах снижается не до нуля, полный ток , проходящий через трансформатор, состоит из тока, ответвляющегося в нагрузку , и тока в месте короткого замыкания . Для схемы на рисунке 1,а полный ток КЗ определится по соотношению:

, (2)

а для схемы на рисунке 1 б – по соотношению:

, (3)

В действительности сопротивления имеют разные соотно- шения х/r и вычислять токи по формулам (2) и (3) следовало бы в комплексной форме. Но для большинства сетей отношение z и L нагрузки и линий близки, мало по сравнению с , и для упрощения расчетов уравнения (2) и (3) решаются в полных сопротивлениях z. Такое допущение тем более оправдано, что действительная нагрузка в момент КЗ неизвестна.

Полный ток делится на две части: часть тока , идущая к месту КЗ в схеме на рисунке 1,а, определяется:

, (4)

а для схемы на рисунке 1,б – по формуле:

, (5)

Из выражения (5) видно, что при z с = 0 ток к месту КЗ составляет , то есть нагрузка не влияет на значение тока короткого замыкания, если она подключена к шинам бесконечной мощности.

Методы арифметического подсчета воздушных электронных сетей с проводами из различных материалов по потере напряжения. Допустимую потерю напряжения в электронной сети определяют по вероятно разрешенным отклонениям напряжения у потенциальных пользователей. Поэтому рассмотрению запроса для ответа об отклонениях напряжения уделено значительный интерес.

Для всякого приемника электрической энергии возможны конкретные падения вольтажа. К примеру, неодновременные силовые агрегаты в стандартных нормах допустимое отклонение аномалий напряжения ±5%. Это обозначает следовательно, что в курьезном инциденте если номинальное вольтажа предоставленного электрического двигателя составит 380 В, из этого вольтажа U»доп = 1,05 Uн = 380 х 1,05 = 399 В и U»доп = 0,95 Uн = 380 х 0,95 = 361 В нужно исходить из его наиболее вероятно дозволительными индикаторами вольтажа. Конечно же, что все буферные вольтажи, вмещенные среди обозначениями 361 и 399 В, еще будут довольствовать покупающего пользователя и скомпонуют некий диапазон, тот или иной без вариантов можно прозвать диапазоном желаемых напряжений.

Допустимая потеря напряжения в линии


Пользователи электронной энергетической активности трудовую загрузку делают нормально, когда на их зажимы подается то напряжение, опираясь на математический подсчет изготовленного электрического прибора либо аппарата. При передаче электрической энергии по линиям часть вольтажа пропадает на противодействие самих линий и в итоге под самый конец полосы, т. е. у покупающего пользователя, вольтажа выходит падение, чем в начале линии. Падение вольтажа у покупающего пользователя, если сравнивать с обыденным, отражается на работе приемника тока, хоть силовая либо световая нагрузка.

Из-за чего при подсчете каждый полосы электропередачи отличия вольтажа не обязаны превосходить с большой вероятностью возможных норм, сети, общепризнанные выбором электрической загрузки и подсчитанные на подогрев, в главном, измеряют по потере, падении вольтажа.

Падением вольтажа ΔU именуют разность вольтажа на начале линии и на ее конце. ΔU принято предопределять в условно сравнительных единицах измерения — по отношению к обозначенному вольтажу.
При пользовании встречного урегулирования вольтажа есть возможность усилить вероятно допустимую потерю напряжения. К сожалению, район внедрения его имеет ограничения. Большинство деревенских пользователей запитано от шин подстанций энергетической системы своего района, индустриальных либо коммунальных электрических установок. При этом может быть электроэнергия от подстанций напряжением 35/10 либо 110/35 кВ.

Потерю напряжения на линиях воздушных рядов вычисляют методикой для наибольшей возможной нагрузки. Поскольку потеря напряжения примерно равно увеличена нагрузке при наименьше возможной потребляемой мощи, на линиях деревенской воздушной сети она имеет наибольшее значение 25%.

Допустимая потеря напряжения ПУЭ

ПУЭ – это главный документ, подсчитывающий запросы к разнообразным формам электрического оборудования. Точность реализации запросов ПУЭ гарантирует безошибочность и защищенность работы электрических установок.

Запросы ПУЭ непременны для всех учреждений безотносительно от формальной собственности и организационно правовых форм, равно как для частных предпринимателей и физических лиц, работающими проектировщиками, сборкой, настройкой и использования электрических установок.


ПУЭ 7-го издания

Уровни и контроль вольтажа, возмещения реактивной мощи:

  • Пункт 1. 2.22. Для электросетей надлежит оговорить инженерные процедуры по гарантии свойств электроэнергии в соотношении с запросом ГОСТ 13109
  • Пункт 1.2.23. Установка корректировки вольтажа обязана создать стабилизацию вольтажа на шинах вольтажом 3-20 кВ подстанций и электростанций, где тот или иной подключены электрораспределительный сети, в диапазоне не менее 105 %, обозначенного в промежуток максимальных нагрузок и не более 100%, обозначенного в промежуток минимальных нагрузок этих же сетей. Неточность от упомянутого уровней вольтажа обязана быть оправданной
  • Пункт 1.2.24. Альтернативность и позиционирование аппаратов возмещения реактивной мощности в электросетях делается от безысходности снабжения нужной пропускной возможности сети в нормальных и после аварийных порядках при удержании нужных уровней вольтажа и резервов выносливости.

В распределительных сетях 0,4 кВ существует проблема, связанная со значительными перекосами напряжений по фазам: на нагруженных фазах напряжение падает до 200. ..208 В, а на менее нагруженных за счет смещения «нуля» может возрастать до 240 В и более. Повышенное напряжение может привести к выходу из строя электрических приборов и оборудования потребителей. Асимметрия напряжений возникает из-за разного падения напряжения в проводах линии при перекосах фазных токов, вызванных неравномерным распределением однофазных нагрузок. При этом в нулевом проводе четырехпроводной линии появляется ток, равный геометрической сумме фазных токов. В некоторых случаях (например, при отключении нагрузки одной или двух фаз) по нулевому проводу может протекать ток, равный фазному току нагрузки. Это приводит к дополнительным потерям в ЛЭП (линии электропередач) 0,4 кВ, распределительных трансформаторах 10/0,4 кВ и, соответственно, в высоковольтных сетях.

Подобная ситуация характерна для многих сельских районов и может возникнуть в жилых многоквартирных домах, где практически не реально равномерно распределить нагрузку по фазам питания, в результате чего в нулевом проводе появляются достаточно большие токи, что приводит к дополнительным потерям в проводниках групповых и питающих линий и вызывает необходимость увеличения сечение нулевого рабочего провода до уровня фазных.

Перекосы напряжений сильно сказываются на работе оборудования [Л.1]. Так небольшая асиметрия напряжения (например, до 2%) на зажимах асинхронного двигателя приводит к значительному увеличению потерь мощности (до 33% в статоре и 12% в роторе), что в свою очередь, вызывает дополнительный нагрев обмоток и снижает срок службы их изоляции (на 10,8%), а при перекосах в 5% общие потери возрастают в 1,5 раза и, соответственно, растет потребляемый ток. Причем, дополнительные потери, обусловленные несиметрией напряжений, не зависят от нагрузки двигателя.

При увеличении напряжения на лампах накаливания до 5% световой поток увеличивается на 20%, а срок службы сокращается в два раза.

На трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ, как правило, установлены трансформаторы со схемой соединений У/У н. Уменьшить потери и симметрировать напряжение в ЛЭП 10 кВ возможно, применив со схемой соединений Y/Zjj или A/Zjj, или (выпускаемый УП МЭТЗ им. В.И. Козлова), но такая замена связана с большими финансовыми затратами и не компенсирует дополнительные потери в ЛЭП 0,4 кВ.

Для компенсации перекоса напряжений целесообразно перераспределить токи нагрузки по фазам, выровняв их значения.

Необходимость ограничения тока нулевого провода вызвана еще и тем, что в распределительных сетях 0,4 кВ, выполненных кабелем, сечение нулевого провода обычно принимается на ступень меньше сечения фазного провода.

В целях уменьшения потерь электроэнергии в сетях 0,4 кВ за счет перераспределения токов по фазам, ограничения тока в нулевом проводе и снижения перекосов напряжений, предлагается использовать трехфазный симметрирующий автотрансформатор, устанавливая его в конце ЛЭП, в узлах нагрузки. При этом, если на линии 0,4 кВ до узла нагрузки произойдет короткое замыкание одной из фаз на нулевой провод (что в сожалению не редко бывает на воздушных ЛЭП в сельских районах), потребители за установленным автотрансформатором будут защищены от больших перенапряжений.

Автотрансформатор трехфазный, сухой, симметрирующий (сокращенно — АТС-С) содержит трехстержневой магнитопровод, первичные обмотки W 1 размещенные на всех трех стержнях, соединенные в звезду с нейтралью и подключаются к сетевому напряжению, компенсационная обмотка W K выполнена в виде открытого треугольника (некоторые авторы называют его разомкнутым [Л. 3]) и включена последовательно с нагрузкой.

Основные электрические схемы автотрансформатора представлены на рис.1…4.

На рис.1 представлена электрическая схема автотрансформатора с компенсационной обмоткой, когда секции этой обмотки, выполненные на каждой фазе, соединены в классический открытый треугольник и подключены к нейтрали сети, и к нагрузке.

На рис.2 представлена электрическая схема автотрансформатора с компенсационной обмоткой, выполненной в виде витков из проводникового материала, лежащих поверх обмоток всех трех фаз автотрансформатора, образуя открытый треугольник. Применение этой схемы, по сравнению с предыдущей, позволяет не только уменьшить расход обмоточного провода дополнительной обмотки, но и габаритную мощность автотрансформатора за счет освобождения окна магнитопровода и уменьшения межосевого расстояния между первичными обмотками.

Эти схемы применимы в тех случаях, когда нулевой провод нагрузки не имеет жесткой связи с заземлением и во всех случаях в пятипроводной системе с РЕ- и N-проводниками.

На рис.3 представлена электрическая схема автотрансформатора с компенсационными обмотками, выполненными в виде фазных обмоток соединенных в открытые треугольники, включенные согласно к фазным обмоткам автотрансформатора.

Конструктивно схема, представленная на рис.4, может быть выполнена аналогично схеме рис.2, т.е. фазные компенсационные обмотки выполнены поверх обмоток всех трех фаз автотрансформатора и включены в разрыв фазных проводов сети со стороны нагрузки.


Данные схемы могут использоваться, в том числе, когда нейтраль нагрузки глухо заземлена, т. е. когда нет возможности включить компенсационную обмотку автотрансформатора в разрыв нулевого провода между нагрузкой и сетью, или когда нулевой провод нагрузки по требованиям безопасности должен быть «жестко» заземлен.

При асимметрии токов нагрузки и, соответственно, токов в компенсационных обмотках, магнитные потоки, создаваемые этими обмотками в магнитопроводе автотрансформатора, будут геометрически складываться. В стержнях магнитопровода будут возникать направленные в одну сторону во всех фазах автотрансформатора потоки нулевой последовательности. Эти магнитные потоки, создают э.д.с. нулевой последовательности и, соответственно, токи I 01 в первичной обмотке пропорционально коэффициенту трансформации к тр (обратно пропорционально соотношению числа витков W1/Wk).

Подключение обмотки W K выбрано таким образом, чтобы фазные токи автотрансформатора векторно вычитались из фазного тока линии наиболее нагруженной фазы и добавлялись к токам менее нагруженных фаз. Такое перераспределение приводит к более симметричному распределению токов по фазам в ЛЭП, выравниванию падений напряжения в проводах линии и, следовательно, к симметрированию напряжения на нагрузке, а так же к уменьшению тока нулевого провода и потерь в линии электропередач, и силовых распределительных трансформаторах, обеспечивая экономию электроэнергии.

Максимальная компенсация тока в нулевом проводе выполняется при равенстве ампервитков (магнитодвижущей силы) рабочей I 01 -W 1 и компенсационной I 02 -W K обмоток, т. е. при I 01 -W 1 =3I 02 -W K , или W K =W 1 /3. При этом габаритная мощность автотрансформатора Р ат, в зависимости от схемы подключения компенсационных обмоток, может быть в 3 раза меньше потребляемой мощности нагрузки Р н.

Для ограничения тока нулевого провода до уровня допустимого для ЛЭП, число витков компенсационной обмотки может быть соответственно уменьшено: например, для ограничения тока нулевого провода на уровне 1/3 фазного, должно быть скомпенсировано 2/3 его величины, следовательно, W K =W 1 /4,5. При этом габаритная мощность автотрансформатора может быть в 4,5 раза меньше потребляемой мощности нагрузки.

Перекосы фазных токов приводят к дополнительным потерям в ЛЭП 0,4кВ и далее по всей цепи транспортирования электроэнергии. Рассмотрим это на примере условной линии электропередач длиной 300м, выполненной алюминиевым кабелем сечением (3х25+1х16)мм (сопротивление фазных проводов 0,34 Ом, нулевого провода 0,54 Ом) при активной нагрузке по фазам 40, 30 и 10А. Ток в нулевом проводе, равный векторной сумме фазных токов, будет (см. ). Потери в фазных проводах, соответственно, составят -40 2 -0,34=544 Вт, 30 2 -0,34=3 06 Вт, 10 2 -0,34=34 Вт, в нулевом проводе -26,5 -0,54=379 Вт, суммарные потери в линии — 1263 Вт.

Применение АТС-С позволит перераспределить токи в линии. При коэффициенте трансформации 1/3 одна треть тока нулевого провода векторно вычитается из токов нагруженных фаз и прибавляется к току менее нагруженной фазы. Токи, соответственно, станут

Равными 33,8, 29,6 и 18,6 А, при этом ток нулевого провода (учитывая некоторую асимметрию магнитной системы автотрансформатора) может составлять до 10% среднего фазного тока т.е. 2,7 А.

При таком перераспределении токов суммарные потери в линии составят (33,82+29,62+18,62)·0,34+2,72·0,54 = 805Вт.

Таким образом, установка автотрансформатора АТС-С позволяет снизить потери в ЛЭП-0,4 кВ на 36 %.

Очевидно, что уменьшение падения напряжения в проводах линии пропорционально изменению тока по фазам, существенно выравнивает напряжение в узле нагрузки, в первую очередь за счет смещения «нуля».

Увеличение коэффициента трансформации выше 1/3 для трехфазных нагрузок не целесообразно и, несмотря на более равномерное перераспределение токов по фазам, приводит к увеличению потерь в ЛЭП за счет более существенного увеличения тока нулевого провода, а так же потребует больших затрат на материалы.

Относительное значение мощности автотрансформатора АТС-С составит – S*ат= k·Sн, где: Sн – мощность нагрузки; k – коэффициент в зависимости от схемы автотрансформатора и коэффициента трансформации (kтр), представленный в таблице 1.

Таблица 1 значения коэффициента к

Схема, рис. 1 2 3 4
ктр= 1/3 0,58 0,33 0,90 0,55
ктр = 1/4,5 0,38 0,22 0,66 0,33

Если гарантированно известен максимальный ток, протекающий в нулевом проводе нагрузки, то габаритная мощность автотрансформатора по схеме рис. 1 может быть рассчитана, исходя из этого тока — Б ат = 1 02 -и л /л/3, а по схеме рис.2 — Б ат = 1 02 -и л /3 и для выше приведенного примера трехфазной несимметричной нагрузки составит, соответственно, 8,3 и 4,8 кВ-А.

Наиболее эффективным является установка автотрансформатора непосредственно у потребителя, в точке разветвления трехфазной линии в однофазные, например на вводе дачного кооператива, где практически невозможно выровнять нагрузку по фазам. В жилых многоквартирных домах установка АТС-С на ответвлениях к каждому стояку, питающему квартиры жилых домов, позволяет симметрировать напряжение, и снизить потери в трехфазных групповых и питающих линиях распределительной сети. На малых промышленных предприятиях он может применяться для питания однофазных нагрузок большой мощности: сварочных трансформаторов, выпрямителей, водонагревателей и т. д.

В настоящее время все большее применение находят статические преобразователи (выпрямители, тиристорные регуляторы, высокочастотные преобразователи), газоразрядные осветительные устройства с электромагнитными и электронными балластами, электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения и т. д. Указанные устройства, а также сварочные трансформаторы, специальные медицинские и другие приборы могут генерировать высшие гармоники тока в системе электропитания. Например, однофазные выпрямители могут генерировать все нечетные гармоники, а трехфазные все, не кратные трем, что отражено на рис. 6 [Л.2].

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания. Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь, искажения тока влияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы. Увеличение общего действующего значения тока при наличии высших гармонических составляющих в системе может привести к перегреву всего оборудования распределенной сети. При несинусоидальных токах возрастают потери в трансформаторах, главным образом за счет потерь на вихревые токи, что требует увеличения их установочной мощности. Как правило, для ограничения гармоник в этих случаях устанавливаются высокочастотные фильтры, состоящие из сетевых реакторов и конденсаторов.

К достоинствам АТС-С следует отнести то, что они обладают способностью фильтрации токов высших гармоник, кратных трем (т.е. 3, 9, 15 и т.д.), ограничивая их протекание как из сети к нагрузке, так и наоборот. Этим самым повышается качество сети и снижаются колебания напряжения.

Как уже указывалось выше, электромагнитные балластные пускорегулирующие аппараты (ПРА) газоразрядных ламп генерируют высшие гармоники. Так, в токах натриевых ламп ДНаТ, широко используемых для целей уличного освещения, третья гармоника является превалирующей и, в зависимости от мощности лампы и типа ПРА, составляет до 5% и более (по [Л.4] третья гармоника допускается до 17,5%). Токи третьих гармоник совпадают по фазе и арифметически складываются в нулевом проводе трехфазной сети, создавая ощутимые добавочные потери, что вынуждает выполнять сечение нулевых рабочих проводников трехфазных питающих и групповых линий, равным фазному.

В этой ситуации применение АТС-С позволяет уменьшить сечение нулевых проводников, как минимум, в два раза и решить три задачи: компенсировать потери от третьей гармоники, обеспечить перевод системы освещения на «ночной режим» (одна или две фазы распределительной сети отключаются в ночные часы), перераспределяя нагрузку на три фазы; и выйти на энергосберегающий режим, выполнив отводы на автотрансформаторе для понижения напряжения. Для решения только первой задачи можно применить автотрансформатор минимальной мощности, рассчитанный на ток нулевого провода (суммарный ток третьей гармоники).

При необходимости компенсировать 5, 7 или 11 гармоники можно воспользоваться схемами рис.3 или 4. В этом случае затраты на сетевые реакторы могут быть уменьшены, т.к. компенсационные обмотки, обладая повышенным индуктивным сопротивлением для высокочастотных гармоник, могут выполнять роль сетевого реактора и, в совокупности с конденсаторами, образовывать фильтр высших гармоник. Конденсаторы подключаются между точками соединения в открытые треугольники секций компенсационных обмоток и нулевым проводом, и могу образовывать одно (см. рис.7), двух или трехступенчатый фильтр для разных частот. Величину индуктивности
секции компенсационной обмотки с достаточной достоверностью можно определить из номинальных параметров — номинального тока и коэффициента трансформации. Например, при номинальном токе I н =25А и коэффициенте трансформации kтр=1/3 напряжение секции
будет U сек =Uф к тр =220/3=73В, сопротивление Z сек =Uсек/Iном=73/25=2,9Ом (пренебрегая малым активным сопротивлением обмотки) считаем индуктивным, и тогда индуктивность секции

Lсек =Z сек /w=2,9/314-10 =9,2мГн. При этом надо учитывать нелинейный характер сопротивления: с уменьшением нагрузки сопротивление возрастает.

При заказе автотрансформатора возможность подключения конденсаторов должна быть оговорена в заявке на изготовление.

Частным случаем является симметрирующий автотрансформатор, целенаправленно предназначенный для питания однофазной нагрузки (см. рис.8 и 9). Для большей симметрии токов по фазам коэффициент трансформации можно сделать больше, чем 1/3, с некоторым увеличением тока нулевого провода.


Рассмотрим это на примере. На вводе трехфазной сети установлен автоматический выключатель, рассчитанный на длительно допустимый ток 25 А. Требуется подключить сварочный трансформатор мощностью 10 кВА (напряжение сети 220 В, ток сварки 160 А, напряжение холостого хода 60 В, ПВ 60%). Потребляемый сварочным трансформатором ток составит 10-1000/220=45,5 А, а с учетом ПВ эквивалентный ток будет 45,5-//0,6=35,2 А, что в 1,4 раза превышает допустимый. Конечно, можно применить обычный автотрансформатор 380/220 В, выполненный на базе трансформатора ОСМР-6,3 (мощностью 6,3 кВА), в этом случае нагрузка будет перераспределена только на две фазы (линейный ток — 20,3 А), но можно применить симметрирующий автотрансформатор (см. схему рис.9) с коэффициентом трансформации 1/2, преобразующий однофазную нагрузку в трехфазную и выровнять нагрузку по всем фазам, снизив ток в сети до 17,6 А, при этом ток в нейтрали, при отсутствии других нагрузок так же будет 17,6 А.

В этом случае автотрансформатор можно изготовить на базе трансформатора ТСР-6,3. Можно также использовать симметрирующий автотрансформатор с коэффициентом трансформации 1/3, ограничив ток в рабочей фазе длительно допустимым для автоматических выключателей — током 23,4А, при этом в двух других фазах будет протекать ток 11,8А при отсутствии тока в нулевом проводе.

Автотрансформатор может быть сделан на базе трансформатора ТСР-2,5.

Снижение потерь в сети по сравнению с прямым включением приведено в таблице 2.

Таблица 2

Автотрансформатор На базе ОСМР-6,3 Симметрирующий АТС-С
Коэффициент трансформации 1/1,73 1/3 1/2

Учитывая, что сварочный трансформатор генерирует высокочастотные гармоники, в том числе кратные трем, предпочтение следует отдавать симметрирующему автотрансформатору.

Проведенные испытания автотрансформаторов АТС-С в лаборатории УП МЭТЗ им. В.И. Козлова показали положительные результаты и полностью подтвердили свою эффективность (см. Приложение 1 «Результаты испытаний автотрансформатора АТС-С-25»).

Планируется разработка серии автотрансформаторов от 25 до 100 кВА как в открытом исполнении IP00, так и в защитных кожухах исполнений IP21 для установки под навесом и IP54 для установки на открытом воздухе, в том числе непосредственно на опорах ЛЭП 0,4кВ. В автотрансформаторах, при необходимости, в целях повышения или понижения напряжения, может быть предусмотрена возможность переключений регулировочных отводов при его монтаже.

В настоящее время заводом принимаются индивидуальные заказы на автотрансформаторы АТС-С мощностью до 100 кВА.

Приложение 1

Результаты испытаний автотрансформатора АТС-С-25

На примере четырехпроводной ЛЭП-0,4кВ

Длина линии, м 300
Провод алюминиевый сечением, мм² фазы — 25 нуля — 10
Сопротивление провода, Ом фазы — 0,34 нуля — 0,86
Сопротивление нагрузки (активное), Ом Фаза: А-5,99 В-5,83 С-5,59
Режим нагрузки без автотрансформатора 3х-ф 2х-ф 1о-ф
Линейные токи нагрузки, А
фаза А 36,5 36,5 36,5
фаза В 37,5 37,5 0,0
фаза С 39,0 0,0 0,0
в нулевом провода N 2,2 37,0 36,5
фаза А 456 456 456
фаза В 481 481 0
520 0 0
в нулевом провода «N» 4 1172 1140
ИТОГО 1461 2109 1596
Режим нагрузки с автотрансформатором 3х-ф 2х-ф 1о-ф
Линейные токи до АТС-С, А
фаза А 36,0 32,5 27,3
фаза В 36,0 34,1 9,3
фаза С 39,0 9,0 8,4
в нулевом проводе «n» 3,8 11,0 11
Потери мощности в линии, Вт
фаза А 443 361 255
фаза В 443 398 30
фаза С 520 28 24
в нулевом проводе N 12 103 103
ИТОГО в линии 1419 890 412
с учетом потерь в АТС-С
сопротивление фазной обмотки, Ом 0,2443
сопротивление компенсирующей обмотки, Ом 0,038
Токи фазной обмотки АТС-С, А
фаза А 0,4 8,1 8,9
фаза В 1,4 9,2 9,3
фаза С 1,3 8,9 8
Потери мощности в обмотках АТС-С, Вт
фаза А 0,04 16,03 19,35
фаза В 0,48 20,68 21,13
фаза С 0,41 19,35 15,64
в нулевом проводе N 0,18 52,09 50,67
Потери холостого хола АТС-С, Вт 50
ИТОГО в АТС-С 51,1 158,1 156,8
ИТОГО 1470,1 1048,2 568,8
Экономия электроэнергии, Вт -8,7 1061 1027

Лекция № 10

Расчет местных сетей (сетей напряжением ) по потере

напряжения

    Допустимые потери напряжения в линиях местных сетей.

    Допущения, положенные в основу расчета местных сетей.

    Определение наибольшей потери напряжения.

    Частные случаи расчета местных сетей.

    Потеря напряжения в ЛЭП с равномерно распределенной нагрузкой.

К местным сетям относятся сети номинальным напряжение 6 – 35 кВ. Местные сети по протяженности значительно превосходят протяженность сетей районного значения. Расход проводникового материала и изоляционных материалов значительно превосходят их потребность в сетях районного значения. Это обстоятельство требует ответственно подходить к проектированию сетей местного значения.

Передача электроэнергии от источников питания к электроприемникам сопровождается потерей напряжения в линиях и трансформаторах. Поэтому напряжение у потребителей не сохраняет постоянного значения.

Различают отклонения и колебания напряжения.

Отклонения напряжения обусловлены медленно протекающими процессами изменения нагрузок в отдельных элементах сети, изменением режимов напряжения на источниках питания. В результате таких изменений напряжения в отдельных точках сети меняется по величине, отклоняясь от номинального значения.

Колебания напряжения – это быстро протекающие (со скоростью не менее 1% в минуту) кратковременные изменения напряжения. Возникают при резких нарушениях нормального режима работы при резких включениях или отключениях мощных потребителей, коротких замыканиях.

Отклонения напряжения выражаются в процентах по отношению к номинальному напряжению сети


Колебания напряжения рассчитываются следующим образом:


где

наибольшее и наименьшее значения напряжения в одной и той же точке сети.

Чтобы обеспечить нормальную работу электроприемников, на их шинах необходимо поддерживать напряжение, близкое к номинальному.

ГОСТ устанавливает следующие допустимые отклонения в нормальном режиме работы:

В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5% к указанным величинам.

Чтобы обеспечить должный уровень напряжения на шинах электроприемников, применяют следующие меры:


При коэффициенте трансформации

фактическое напряжение на шинах низкого напряжения будет ближе к номинальному:


    Обмотки трансформаторов снабжаются ответвлениями, которые позволяют менять коэффициент трансформации в некоторых пределах. Напряжение, в узлах схемы, расположенных ближе к источнику питания обычно выше номинального, а в удаленных – ниже номинального. Чтобы на вторичной стороне трансформаторов, включенных в этих узлах, получить напряжение требуемого уровня, необходимо подобрать ответвления в обмотках трансформаторов. В узлах с повышенным уровнем напряжения устанавливаются коэффициенты трансформации выше номинального, а в узлах с пониженным уровнем напряжения коэффициенты трансформации трансформаторов устанавливаются ниже номинальных.

    Схему сети, номинальное напряжения, сечения проводов выбирают таким образом, чтобы потеря напряжения не превышала допустимого значения.

Допустимая потеря напряжения устанавливается с некоторой степенью точности, исходя из нормированных значений отклонений напряжения на шинах электроприемников:

    для сетей напряжением 220 – 380 В на всем протяжении от источника питания до последнего электроприемника от 5 – 6,5%;

    для питающей сети напряжением 6 – 35 кВ – от 6 до 8% в нормальном режиме; от 10 до 12 % в послеаварийном режиме;

    для сельских сетей напряжением 6 – 35 кВ –до 10 % в нормальном режиме.

Эти значения допустимой потери напряжения подобраны таким образом, чтобы при надлежащем регулировании напряжения в сети удовлетворялись требования ПУЭ в отношении отклонений напряжений на шинах электроприемников.

Допущения, положенные в основу расчета местных сетей

При расчете сетей напряжением до 35 кВ включительно принимаются следующие допущения:

    не учитывается зарядная мощность ЛЭП;

    не учитывается индуктивное сопротивление кабельных ЛЭП;

    не учитываются потери мощности в стали трансформаторов. Потери мощности в стали трансформаторов учитываются лишь при подсчете потерь активной мощности и электроэнергии во всей сети;

    при расчете потоков мощности не учитываются потери мощности, т.е. мощность в начале участка равна мощности в конце участка;

    не учитывается поперечная составляющая падения напряжения. Это значит, что не учитывается сдвиг напряжения по фазе между узлами схемы;

    расчет потерь напряжения ведется по номинальному напряжению, а не по реальному напряжению в узлах сети.

Определение наибольшей потери напряжения

С учетом допущений, принятых при расчете местных сетей, напряжение в любом i -м узле сети рассчитывается по упрощенной формуле:

где

соответственно активная и реактивная мощности, протекающие по участкуj ;


соответственно активное и индуктивное сопротивления участка j .

Неучет потери мощности в местных сетях позволяет рассчитывать потери напряжения либо по мощностям участков, либо по мощностям нагрузок.

Если расчет ведется по мощностям участков, то учитываются активное и реактивное сопротивления этих же участков. Если расчет ведется по мощности нагрузок, то необходимо учитывать суммарные активные и реактивные сопротивления от ИП до узла подключения нагрузки. Применительно к рис. 10.2 имеем:



.

В неразветвленной сети наибольшая потеря напряжения – это потеря напряжения от ИП до конечной точки сети.

В разветвленной сети наибольшая потеря напряжения определяется следующим образом:

    рассчитывается потеря напряжения от ИП до каждой конечной точки;

    среди этих потерь выбирается наибольшая. Ее величина не должна превышать допустимую потерю напряжения для данной сети.

Частные случаи расчета местных сетей

На практике встречаются следующие частные случаи расчета местных сетей (формулы приведены для расчета по мощностям участков):

    ЛЭП по всей длине выполнена проводами одного сечения одинаково рас-положенными


    ЛЭП по всей длине выполнена проводами одного сечения одинаково рас-положенными. Нагрузки имеют одинаковый cosφ


    ЛЭП, питающие чисто активные нагрузки (Q = 0, cosφ =1), или кабельные ЛЭП напряжением до 10 кВ (Х =0)

18. Падение и потеря напряжения в линии с нагрузкой на конце.

Поясняющая диаграмма. Допустимые потери напряжения в сетях до 1 кВ.

Чтобы объяснить понятия потеря и падене напряжения рассмотрим векторную диаграмму сети переменного тока, обладающую активным и индуктивным сопротивлениями.

1) Рассмотрим линию с индуктивной нагрузкой на конце линии. Пояснение и векторная диаграмма приведены на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Векторная диаграмма линии с нагрузкой на конце линии

а) поясняющая схема, б) векторная диаграмма

Вектор 0а – это вектор напряжения на конце линии. Под углом2 к нему проведен вектор тока нагрузки, в линии.

Падение напряжения в линии определяется треугольником падения напряжения . Векторсовпадает по фазе с вектором тока и показывает падение напряжения на активном сопротивлении линии. Векторпоказывает падение напряжения на индуктивном сопротивлении линии. Векторпоказывает падение напряжения в линии и представляет геометрическую разность между напряжениями в начале и конце линии

.

Отрезок —алгебраическая разность напряженийв начале и конце линии, без учета отрезка, и называется продольной составляющейпадения напряжения.

Поскольку в сетях до 35 кВ углы между ималы, продольная составляющая принимается равной падению напряжения, которая и учитывается при выборе сечений проводов.

Продольную составляющую падения напряжения или величину потери напряжения представим через отрезки

,

где отрезок

отрезок

Откуда получим

Линейная потеря напряжения определится через соотношения между фазными и линейными величинами

Перейдем к выражению потери напряжения через мощность нагрузки

У электроприемников за напряжение Uпринимается номинальное напряжение.

2) Рассмотрим линию с двумя индуктивными нагрузками представленную на рисунке 4.2.

По векторной диаграмме расчетный ток на первом участке сети определяется как геометрическая сумма нагрузочных токов . ВекторI1определяет общий сдвиг фаз. Напряжение в конце первого участкаUФ1, второгоUФ2. Треугольники падений напряжений строят на каждом участке, в конце первого и в конце второго.

Общая потеря напряжений равна сумме потерь напряжений в обоих участках и ее можно записать

При любом числе нагрузок получается

Любая потеря наряжения создает отклонение напряжения. Согласно ПУЭ отклонение напряжения для силовых сетей должно быть не более 5%. Для сетей электрического освещения допускаемое отклонение составляет2,5%.

Минимальные сечения проводов по условиям механической прочности принимаются:

для силовых сетей с алюминиевыми жилами не менее 2,5 мм2,

для освещения с алюминиевыми жилами не менее 2,0 мм2;

для медных жил не менее 1,5 мм2.

19. Виды трансформаторных подстанций распределительных сетей. Выбор числа трансформаторов тп и места расположения.

Электроустановка, состоящая из трансформаторов или других преобразователей, распределительных устройств напряжением до 1 кВ и выше, служащая для преобразования и распределения электроэнергии называется подстанцией.

В зависимости от положения в энергосистеме бывают районные, подстанции промышленных предприятий, тяговые, подстанции городских сетей и другие.

Подстанции промышленных предприятий: заводские как главная понизительная подстанция — ГПП, подстанция глубокого ввода — ПС ГВ и цеховые подстанции.

Цеховые подстанции выполняются встроенными, пристроенными и отдельно стоящими. Они должны занимать минимум полезной производственной площади, удовлетворять требованиям электрической и пожарной безопасности и не создавать помех производству.

Встроенные подстанции сооружаются непосредственно в цехе или размещаемыми в отдельных помещениях. Если среда чистая неагрессивная ТП располагают непосредственно в цехе, если агрессивная — выносится в отдельное помещение.

Отдельно стоящие ТП применяются для питания нескольких цехов, находящихся в разных помещениях и сооружение самостоятельных подстанций нецелесообразно.

Если в цехе есть взрывоопасные производства и если ТП невозможно разместить в цехе по соображениям производственного характера, то она выполняется отдельно стоящей.

По комплектации оборудованием подстанции бывают комплектными (КТП) и индивидуальной комплектации, предпочтение следует отдавать комплектным.

Цеховые трансформаторные подстанции должны располагаться как можно ближе к центру нагрузок.

По количеству трансформаторов подстанции разделяют на однотрансформаторные и двухтрансформаторные.

Однотрансформаторные подстанции применяются для потребителей третьей категории по надежности электроснабжения.

Двухтрансформаторные подстанции применяются для потребителей первой и второй категорий, а также при наличии неравномерного суточного или годового графика нагрузки.

Трансформаторы, которыми комплектуются ТП бываю сухие и маслянные. Для подстанций сооружаемых внутри помещений рекомендуется применять сухие трансформаторы. Мощность трансформаторов цеховых подстанций составляет 250-2500 кВА.

КТП внутренней установки выполняют на напряжение 6-10/0,4 кВ. Они состоят из трех основых элементов: вводного устройства высокого напряжения, силового трансформатора и распределительного устройства низкого напряжения 0,4 кВ. Соединение элементов выполняется закрытыми шинопроводами.

Вводное устройство выполняется в виде шкафа с клеммным вводом, с выключателем нагрузки с предохранителем и без предохранителя. В двухтрансформаторных КТП предусмотрен автоматический ввод резерва (АВР), обеспечивающий отключение выключателя ввода НН и включение секционного выключателя при исчезновении напряжения на вводе или при исчезновении напряжения в одной из фаз (т.е. при возникновении несимметричного режима), в зависимости от исполнения схемы. Кроме того, АВР предусматривается при отключении выключателя одного из вводов по какой-либо причине (отключение встроенными в выключатель защитами, при ошибочной работе автоматики и т.д.). По заказу выполняется схема с защитой от перегрузки.

Технические характеристики трансформаторов сухих силовых типа ТСН и ТСЗН используются во многих отраслях народного хозяйства. Обмотки, изготовлены из проводов с изоляцией «Номекс» класса нагревостойкости Н (80oС). Трансформаторы предназначены для преобразования электрической энергии в электросетях трехфазного переменного тока частотой 50Гц и устанавливаются в промышленных помещениях и общественных зданиях, к которым предъявляются повышенные требования в части пожаробезопасности, взрывозащищенности, экологической чистоты.

Трансформаторы соответствуют стандартам МЭК — 76, производство сертифицировано по ИСО 9001.

Технические характеристики трансформаторов.

Силовые трансформаторы типа ТСН и ТСЗН изготавливаются мощностью от 25 до 2500кВА с номинальным напряжением первичной обмотки (высокого напряжения) до 10 кВ включительно и вторичной обмотки (низкого напряжения) — 0,4кВ.

Условия эксплуатации

Температура окружающего воздуха: от -5 oС до +40oС

Относительная влажность воздуха — не более 98% при температуре +25 oС

Высота установки над уровнем моря — не более 1000 м

Окружающая среда — невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли

Выбор силовых трансформаторов

Выбор силовых трансформаторов сводится к выбору типа и мощности трансформатора.

На цеховых подстанциях чаще применяются трансформаторы мощностью 630 и 1000 кВА.

При малой плотности нагрузки следует выбирать мощность 400 и 630 кВА, на мелких средних предприятиях.

При большой удельной плотности (более 0,2 кВА м2)следует выбирать трансформаторы 1600 кВА, при очень концентрированной нагрузке следует выбирать 2500 кВА.

Для электроприемников первой категории выбираются по два трансформатора на ТП с АВР на секционном выключателе, для второй – два трансформатора с секционнымм выключателем без АВР, для третьей – один трансформатор.

Что такое потеря напряжения в кабеле и чем она опасна?

Во время передачи электроэнергии по проводам к электроприемникам ее небольшая часть расходуется на сопротивление самих проводов, т.е. на их нагрев. Чем выше протекаемый ток и больше сопротивление провода, тем больше на нем будет потеря напряжения. Величина тока зависит от подключенной нагрузки, а сопротивление провода тем больше, чем больше его длина. Логично? Поэтому нужно понимать, что провода большой длины могут быть не пригодны для подключения какой-либо нагрузки, которая, в свою очередь, хорошо будет работать при коротких проводах того же сечения.

В идеале все электроприборы будут работать в нормальном режиме, если к ним подается то напряжение, на которые они рассчитаны. Если провод рассчитан не правильно и в нем присутствуют большие потери, то на вводе в электрооборудование будет заниженное напряжение. Это очень актуально при электропитании постоянным током, так как тут напряжение очень низкое, например 12 В, и потеря в 1-2 В тут будет уже существенной.

Чем опасна потеря напряжения в электропроводке?

  1. Отказом работы электроприборов при очень низком напряжении на входе.

В выборе кабеля необходимо найти золотую середину. Его нужно подобрать так, чтобы сопротивление провода при нужной длине соответствовало конкретному току и исключить лишние денежные затраты. Конечно, можно купить кабель огромного сечения и не считать в нем потери напряжения, но тогда за него придется переплатить. А кто хочет отдавать свои деньги на ветер? Давайте ниже разберемся, как учесть потери напряжения в кабеле при его выборе.

Для того чтобы избежать потерь мощности нам нужно уменьшить сопротивление провода. Мы знаем что, чем больше сечение кабеля, тем меньше его сопротивление. Поэтому эта проблема в длинных линиях решается путем увеличения сечения жил кабеля.

Вспомним физику и перейдем к небольшим формулам и расчетам.

Напряжение на проводе мы можем узнать по следующей формуле, зная его сопротивление (R, Ом) и ток нагрузки (I, А).

U=RI

Сопротивление провода рассчитывается так:

R=рl/S, где

р — удельное сопротивление провода, Ом*мм2/м;

l — длина провода, м;

S — площадь поперечного сечения провода, мм2.

Удельное сопротивления это величина постоянная. Для меди она составляет р=0,0175 Ом*мм2, и для алюминия р=0,028 Ом*мм2. Значения других металлов нам не нужны, так как провода у нас только с медными или с алюминиевыми жилами.

Приведу небольшой пример расчета для медного провода. Для алюминиевого провода суть расчета будет аналогичной.

Например, мы хотим установить группу розеток в гараже и решили протянуть туда медный кабель от дома длинной 50 м сечением 1,5 мм2. Там будем подключаться нагрузка 3,3 кВт (I=15 А).

Учтите, что ток «бежит» по 2-х жильному кабелю туда и обратно, поэтому «пробегаемое» им расстояние будет в два раза больше длины кабеля (50*2=100 м).

Потеря напряжения в данной линии будет:

U=(рl)/s*I=0,0175*100/1,5*15=17,5 В

Что составляет практически 9% от номинального (входного) значения напряжения.

Значит в розетках будет уже напряжение: 220-17,5=202,5 В. Этого будет маловато для нормальной работы электрооборудования. Также свет может гореть тускло (в пол накала).

На нагрев провода будет выделяться мощность P=UI=17,5*15=262,5 Вт.

Также учтите, что здесь не учтены потери в местах соединения (скрутках), в вилке электроприбора, в контактах розетки. Поэтому реальные потери напряжения будут больше полученных значений.

Давайте повторим данный расчет, но уже для провода сечением 2,5 мм2.

U=(рl)/s*I=0,0175*100/2,5*15=10,5 В или 4,7%.

Теперь повторим данный расчет, но уже для провода сечением 4 мм2.

U=(рl)/s*I=0,0175*100/4*15=6,5 В или 2,9%.

Согласно ПУЭ, отклонения напряжения в линии должны составлять не более 5%.

Поэтому в нашем случае нужно выбирать кабель сечением 2,5 мм2 для нагрузки мощностью 3,3 кВт (15 А), а не 1,5 мм2.

Для постоянного тока такие сечения при указанных длинах использовать нельзя. Допусти, что необходимо запитать электроприбор током 15 А от источника постоянного тока 12 В (например, от аккумулятора или понижающего трансформатора). Используется кабель сечением 2,5 мм2 длинной 50 м.

Потери тут будут 10,5 В. Это значит, что на входе в электроприбор будет присутствовать напряжение 12-10,5=1,5 В. Это бред и ничего работать не будет. Даже кабель сечением 25 мм2 не спасет. Тут выход один — это нужно переносить источник питания ближе к потребителю.

Если ваша розетка находится очень далеко от щитка, то обязательно посчитайте потери напряжения в данной линии.

Не забываем улыбаться:

Звонок мужу в командировку:
— Дорогой, а почему в кране нет воды?
— Понимаешь, мы живем на 22 этаже и давления, которое создает насос возможно недостаточно…
— Милый, а почему газа нет?
— Понимаешь, сейчас зима и давление в магистральном газопроводе вследствие большого разбора несколько понижено…
— Родной, но почему же тогда нет электроэнергии?!
— Пойди заплати за коммуналку, дура!

Допустимые потери напряжения в сетях освещения

Силовые сети внутри зданий по потере напряжения проверяют достаточно редко (во всяком случае я ), т.к. они имеют относительно небольшую длину, нагрузку и не так чувствительны к пониженному напряжению, а вот сети внутреннего освещения необходимо просчитывать всегда.

При проектировании внутреннего освещения перед проектировщиком встает вопрос: а какое допустимое значение потери напряжения в сетях освещения?

Для начала рассмотрим структурную схему питания светильника:

Структурная схема питания светильника

На схеме представлены 4 основных элемента:

  • трансформаторная подстанция;
  • вводно-распределительное устройство;
  • щит освещения;
  • светильник.

Между каждыми элементами цепочки передачи электроэнергии происходит падение напряжения.

Общие потери напряжения до светильника можно записать выражением:

∆U=∆U0+∆U1+∆U2

А теперь обратимся к нашим любимым  СП 31-110-2003 и ТКП 45-4.04-149-2009.

7. 23 С учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной лампы общего освещения в жилых и общественных зданиях не должны, как правило, превышать 7,5%.

9.23 В нормальном режиме работы при загрузке силовых трансформаторов в ТП, не превышающей 70 % от их номинальной мощности, допустимые (располагаемые) суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной лампы общего освещения в жилых и общественных зданиях, учитывающие потери холостого хода трансформаторов и потери напряжения в них, приведенные ко вторичному напряжению, не должны, как правило, превышать 7,5 %. При этом потери напряжения в электроустановках внутри зданий не должны превышать 4 % от номинального напряжения, для постановочного освещения — 5 %.

Отсюда следует, что ∆U=7,5%.

Возникает еще один вопрос: как распределить эти проценты по трем участкам?

Я  предлагаю следующее распределение:

Распределение потерь напряжения в сетях освещения

В наружных сетях, т.е. от трансформаторной подстанции до вводного устройства здания закладывать не более 4%. Это самое оптимальное значение, т.к. при меньшем значении необходимо будет значительно увеличивать сечение кабельной линии. В идеале нужно стремиться, чтобы эти потери были как можно меньше. На потери напряжения внутри здания у нас остается 3,5%. При нагрузке около 1кВт и длине группы порядка 40м вполне хватает 2%, чтобы не увеличивать сечение до 2,5мм. Такие потери позволяют проектировать сети освещения кабелями сечением 1,5-2,5мм2, что является наиболее рациональным. На потери напряжения от ВРУ до ЩО остается 1,5%. Здесь я все-таки предлагаю заложить 1,0%, а оставшиеся 0,5% предусмотреть для резерва, которые можно будет добавить на любой участок в случае необходимости.

Правильное распределение потерь напряжения позволит сэкономить на кабелях. На мой взгляд это самое оптимальное распределение. Если ВРУ и ЩО находятся рядом, то  ∆U1 можно взять меньше, соответственно ∆U2 будет больше.

P.S. Если сети внутреннего освещения очень маленькие, а объект находится достаточно далеко от ТП, то я считаю, что потери напряжения от ТП до ВРУ можно взять и 6%, чтобы не завышать сечение кабельной линии. Совсем недавно проектировал подобный объект. Расстояние до объекта (мойка) 450м, а нагрузка составляет 35кВт. Алюминиевый кабель 4×95мм2 был выбран (заказчиком) по потере напряжения, как я понял с учетом 4%, я лишь отразил его в проекте. В данном случае можно смело было брать кабель на порядок ниже, т.к. сети освещения очень маленькие. Дешевле было бы даже запроектировать сети освещения сечением 2,5мм2, чем закладывать 450м кабеля 4×95мм2 вместо 4×70мм2.

Нормативные документы по теме:

1 СП 31-110-2003 (Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий).

2 ТКП 45-4.04-149-2009 (Системы электроснабжения жилых и общественных зданий).

Я думал, что в моем арсенале имеются все необходимые программы для расчета  потерь напряжения. Оказалось не все)) В одном из следующих выпусков представлю свою программу по расчету потери напряжения в сетях внутреннего освещения.

Советую почитать:

Допустимое отклонение напряжения по ГОСТ: допустимые значения

При проектировании электроприборов, в том числе и бытовой техники, учитываются номинальные характеристики сети, от которой они будут работать. Но в системах электроснабжения могут происходить процессы, вызывающие отклонения от номинальных параметров. Допустимое отклонение напряжения в сети, частоты, а также других характеристик, регулируется требованиями ГОСТ 13109-97 (международный стандарт, принятый в России, Республике Беларусь, Украине и в большинстве других стран СНГ). Приведем информацию о допустимых нормах отклонений и вызывающих их причинах.

Нормы напряжения в электросети по ГОСТу

В нормативном документе определено несколько показателей, позволяющих характеризовать качество электроэнергии в точках присоединения (ввод в сети потребителей). Перечислим наиболее значимые параметры и приведем допустимые диапазоны отклонений для каждого из них:

  • Для установившегося отклонения напряжения не более 5,0% от номинала (допустимая норма) при длительном временном промежутке и до 10% для краткосрочной аномалии (предельно допустимая норма). Заметим, что данные показатели должны быть прописаны в договоре о предоставлении услуг, при этом указанные нормы должны отвечать действующим нормам. Например, для бытовых сетей (220 В) быть в пределах 198,0-220,0 В, а для трехфазных (0,40 кВ) – не менее 360,0 В и не более 440 Вольт.
  • Перепады напряжения, такие отклонения характеризуются амплитудой, длительностью и частотой интервалов. Нормально допустимый размах амплитуды не должен превышать 10,0% от нормы. К перепадам также относят дозу фликера (мерцание света в следствии перепадов напряжения, вызывают усталость), это параметр измеряется специальным прибором (фликометром). Допустимая краткосрочная доза – 1,38, длительная – 1. Пример устоявшегося отклонения и колебания напряжения
  • Броски и провалы. К первым относятся краткосрочные увеличения амплитуды напряжения, превышающие 1,10 номинала. Под вторым явлением подразумевается уменьшение амплитуды на величину более 0,9 от нормы, с последующим возвращением к нормальным параметрам. Ввиду особенностей природы процессов данные отклонения не нормируются. При частом проявлении рекомендуется установить ограничитель напряжения (для защиты от бросков) и ИБП (при частых провалах).
  • Перенапряжение электрической сети, под данным определением подразумевается превышение номинала на величину более 10% длящееся свыше 10-ти миллисекунд. Примеры перенапряжения и провала (А), бросков (В)
  • Несимметрия напряжения. Допустимое отклонение коэффициента несимметрии от нормы – 2,0%, предельное – 4,0%.
  • Несинусоидальность напряжения. Определяется путем расчета коэффициента искажения, после чего полученное значение сравнивают с нормативными значениями. Пример нарушения синусоидальности напряжения
  • Отклонения частоты. Согласно действующим требованиям нормально допустимое отклонение этого параметра 0,20 Гц, предельно допустимое – 0,40 Гц.

Основные причины возникновения отклонения напряжения в сети

Теперь рассмотрим, что могло вызвать изменение характеристик сети:

  • Установившиеся отклонения напряжения связывают со следующими причинами:
  1. Увеличение величины нагрузки из-за подключения одного или нескольких мощных потребителей. Характерный пример – сезонное увеличение нагрузки на энергосистемы ввиду подключения обогревательного оборудования, а также суточные пики.
  2. Увеличение числа потребителей без модернизации энергосистемы.
  3. Обрыв или недостаточное качество контакта нулевого кабеля в трехфазных системах.

При ситуациях, описанных в первом пункте, поставщик нормализует напряжение, используя специальные средства регулирования. В остальных случаях производятся ремонтные работы.

  • Причина перепадов напряжения связана с потребителями электрической энергии, с резко изменяющейся нагрузкой (как правило, при этом изменяется и реактивная мощность). В качестве примера можно привести металлургические предприятия, оборудованные дуговыми печами. Подобный эффект можно наблюдать при работе сварочного электрооборудования или поршневых компрессорных установок.
  • Причины минимального напряжения (провалы) в большинстве случаев связаны с КЗ, которые могут возникнуть в сети дома, на линиях ввода или ЛЭП. Длительность провалов варьируется от миллисекунд до секунд, при этом напряжение может уменьшаться до 90% от нормы. Наиболее чувствительна к таким изменениям электроника, нормализовать ее работу можно при помощи ИБП.
  • Возникновение импульсных напряжений может быть вызвано коммутационными процессами, ударом молнии в ВЛ, а также другими причинами. При этом величина импульса может многократно превышать стандартное напряжение в квартире по ГОСТу. Естественно, что существенное увеличение максимальных значений этого параметра приведет к выходу из строя подключенного к сети оборудования, чтобы не допустить этого, следует использовать ограничитель перенапряжения. Принцип работы этого защитного устройства и схему установки можно найти на нашем сайте. Конструкция ограничителя перенапряжения (ОПН)
  • При кратковременных перенапряжениях уровень отклонений значительно ниже, чем при бросках, но, тем не менее, это может стать причиной выхода из строя оборудования, включенного в розетки. ОПН в этом случае не спасет, но поможет реле напряжения, которое произведет защитное отключение и после нормализации ситуации восстановит подключение. Пределы изменения срабатывания (диапазон регулирования) можно задать самостоятельно или использовать настройки по умолчанию. Что касается причин, вызывающих перенапряжение, то они связаны с коммутационными процессами и КЗ.
  • Несимметрия происходит вследствие перекоса нагрузки между фазами. Ситуация исправляется путем транспозиции питающих линий.
  • Нарушение синусоидальности возникает в тех случаях, когда к энергосистеме подключается мощное оборудование, для которого характерна нелинейная ВАХ. В качестве такового можно привести промышленные преобразователи напряжения с тиристорными элементами.
  • Частота сети напрямую связана с равновесием активных мощностей источника и потребителя. Если происходит дисбаланс, связанный с недостаточной мощностью генераторов, наблюдается снижение частоты в энергосистеме до тех пор, пока не будет установлено новое равновесие. Соответственно, при избыточных мощностях, происходит обратный процесс, вызывающий повышение частоты.

Последствия отклонения от стандартов

Отклонение от номинальных напряжений может вызвать много нежелательных последствий, начиная от сбоев в работе бытовой техники и заканчивая нарушениями производственных техпроцессов и созданием аварийных ситуаций. Приведем несколько примеров:

  • Долгосрочные отклонения напряжения сверх установленной нормы приводят к снижению срока эксплуатации электрооборудования.
  • Броски с большой вероятностью могут вывести из строя электронные приборы и другую технику, подключенную к сети.
  • При провалах происходят сбои в работе вычислительных мощностей, что увеличивает риски потери информации.
  • Перекос фаз приводит к критическому повышению напряжения, что вызовет, в лучшем случае, срабатывание защиты в оборудовании, а в худшем – полностью выведет его из строя.
  • Изменение частоты моментально отразится на скорости вращения асинхронных двигателей, а также приведет к снижению активной мощности. Помимо отклонения приведут к изменению ЭДС генераторов, что вызовет лавинный процесс.

Мы привели только несколько примеров, но и их вполне достаточно, чтобы стало понятно насколько важно придерживаться норм, указанных в настоящих стандартах и ПУЭ.

Список использованной литературы

  • Сибикин Ю.Д. «Основы электроснабжения объектов» 2015
  • Сафонов Д. Г., Лютаревич А.Г., Долингер С. Ю., Бирюков С. В. «Влияние отклонения напряжения на потери мощности в электрооборудовании электрических сетей и потребителей» 2013
  • Ананичева С.С., Алексеев А.А., Мызин А.Л. «Качество электроэнергии регулирование напряжения и частоты в энергосистемах» 2012

PUE и общая эффективность использования энергии (tPUE) — перспективы

Мне нравится Power Usage Effectiveness как показатель эффективности инфраструктуры центра обработки данных.

Это дает нам возможность говорить об эффективности распределения электроэнергии и механического оборудования центра обработки данных без необходимости уточнять обсуждение на основе используемых серверов и хранилищ или уровней использования, или других вопросов, не связанных напрямую с проектированием центра обработки данных. Но есть явные проблемы с показателем PUE.Любая единственная метрика, которая пытается свести сложную систему к единому числу, не сможет моделировать важные детали, и в нее будет легко играть. PUE, тем не менее, страдает от обоих, я считаю это полезным.

Далее я сделаю обзор PUE, расскажу о некоторых проблемах, которые у меня есть с ним, как это определено в настоящее время, а затем предлагаю некоторые улучшения в измерении PUE с использованием метрики, называемой tPUE.

Что такое PUE?

PUE определяется в метриках энергоэффективности центров обработки данных Green Grid компании Christian Belady: PUE и DCiE.Это простая метрика, и именно поэтому она полезна, а также является источником некоторых источников ошибок в метрике. PUE определяется как

PUE = общая мощность объекта / мощность ИТ-оборудования

Общая мощность объекта определяется как «мощность, измеренная на электросчетчике». Мощность ИТ-оборудования определяется как «нагрузка, связанная со всем ИТ-оборудованием». Проще говоря, PUE — это отношение мощности, подаваемой на объект, к мощности, фактически подаваемой на серверы, хранилище и сетевое оборудование.Это дает нам представление о том, какой процент мощности фактически попадает на серверы, а остальное теряется в инфраструктуре. Эти потери инфраструктуры включают в себя распределение электроэнергии (коммутационное оборудование, источники бесперебойного питания, блоки распределения питания, дистанционные розетки и т. Д.) И механические системы (устройства обработки воздуха в компьютерном зале / кондиционеры в компьютерном зале, насосы охлаждающей воды, оборудование для перемещения воздуха вне серверов , чиллеры и т. д.). Обратное PUE называется эффективностью инфраструктуры центра обработки данных (DCiE):

DCiE = мощность ИТ-оборудования / общая мощность оборудования * 100%

Итак, если у нас PUE = 1.7, что составляет DCiE 59%. В этом примере инфраструктура центра обработки данных рассеивает 41% электроэнергии, а ИТ-оборудование — остальные 59%.

Это полезно знать, поскольку позволяет нам сравнивать различные проекты инфраструктуры и понимать их относительную ценность. К сожалению, там, где тратятся деньги, мы часто видим игры с метриками, и это не исключение. Давайте рассмотрим некоторые проблемы с PUE, а затем предложим частичное решение.

Проблемы с PUE

Общая мощность предприятия : Первая проблема — это определение общей мощности объекта.В исходном документе Green Grid общая мощность объекта определяется как «мощность, измеренная счетчиком коммунальных услуг». На первый взгляд это звучит довольно законченно, но недостаточно плотно. Многие объекты меньшего размера измеряют напряжение 480 В переменного тока, но некоторые объекты измеряют среднее напряжение (около 13,2 кВ переменного тока в Северной Америке). И несколько объектов измеряют высокое напряжение (~ 115 кВ переменного тока в Северной Америке). Третьи покупают и предоставляют землю для слоя понижающего трансформатора от 115 кВ переменного тока до 13,2 кВ переменного тока, но по-прежнему измеряют на среднем напряжении.

Некоторые ИБП установлены на среднее напряжение, а другие — на низкое (480 В переменного тока). Очевидно, что ИБП должен быть частью накладных расходов инфраструктуры.

Из приведенных выше наблюдений следует, что некоторые значения PUE включают потери на двух уровнях преобразования напряжения до 480 В переменного тока, некоторые включают 1 преобразование, а некоторые не включают ни одного из них. Это значительно мутит воду и заставляет небольшие предприятия выглядеть несколько лучше, чем они должны, и это просто еще одна возможность раздувать цифры, превышающие то, что на самом деле может производить предприятие.

Контейнерная игра: Многие модульные центры обработки данных построены на контейнерах, которые принимают 480 В переменного тока на входе. Я видел поставщиков модульных центров обработки данных, которые предпочитали называть подключение к контейнеру «ИТ-оборудованием», что означает, что обычное преобразование с 480 В переменного тока на 208 В переменного тока (или иногда даже на 110 В переменного тока) не включено. Это серьезно искажает метрику, но с механической стороны отрицательное влияние еще больше. В контейнерах часто находятся блоки CRAH или CRAC. Это означает, что большие части механической инфраструктуры включены в «ИТ-нагрузку», и это делает эти контейнеры искусственно хорошими.Как ни странно, конструкции контейнеров, о которых я здесь говорю, на самом деле довольно хороши. Им действительно не нужно играть в игры с метриками, но это происходит, так что прочтите мелкий шрифт.

Infrastructure / Server Blur: Во многих модульных конструкциях на базе стоек используются вентиляторы большого уровня, а не несколько неэффективных вентиляторов в сервере. Например, Rackable CloudRack C2 (для меня SGI по-прежнему Rackable :)) перемещает вентиляторы из серверов и устанавливает их на уровне стойки. Это замечательный дизайн, который намного эффективнее крошечных вентиляторов 1RU.Обычно серверные вентиляторы включаются в «ИТ-нагрузку», но в современных конструкциях, когда вентиляторы выносятся из серверов, это считается нагрузкой на инфраструктуру.

В крайнем случае мощность вентилятора может превышать 100 Вт (пожалуйста, не покупайте эти серверы). Это заставляет центр обработки данных, на котором работают более эффективные серверы, потенциально должен сообщать более низкий показатель PUE. Мы не хотим толкать отрасль в неправильном направлении. Вот еще один. ИТ-нагрузка обычно включает в себя серверный блок питания (БП), но во многих конструкциях, таких как IBM iDataPlex, отдельные блоки питания выносятся из сервера и размещаются на уровне стойки.Опять же, это хороший дизайн, и мы увидим гораздо больше, но он берет на себя потери, которые раньше были нагрузкой на ИТ, и заставляет их загружать инфраструктуру. PUE в таких случаях не измеряет то, что нужно.

PUE менее 1,0: В документе Green Grid говорится, что «PUE может варьироваться от 1,0 до бесконечности», и далее говорится: «… значение PUE, приближающееся к 1,0, будет указывать на 100% КПД (т. Е. Вся потребляемая мощность только ИТ-оборудованием). На практике это примерно так.Но PUE лучше 1.0 — это абсолютно возможно и даже неплохая идея. Давайте рассмотрим пример, чтобы лучше понять это. В этом случае я использую 1,2 PUE. Некоторые объекты уже превышают этот PUE, и нет разногласий по поводу его достижимости.

В нашем примере 1.2 объект PUE рассеивает 16% всей мощности объекта на распределение электроэнергии и охлаждение. Часть этого тепла может быть в трансформаторах вне здания, но мы точно знаем, что все серверы находятся внутри, то есть не менее 83% рассеиваемого тепла будет внутри корпуса.Предположим, мы можем утилизировать 30% этого тепла и использовать его в коммерческих целях. Например, мы могли бы использовать отработанное тепло для обогрева сельскохозяйственных культур и позволить выращивать томаты или другие ценные культуры в климате, который обычно не благоприятствует им. Или мы можем использовать тепло как часть процесса выращивания водорослей для производства биодизеля. Если мы сможем транспортировать это низкопотенциальное тепло и чистить только 30% от первоначальной стоимости, мы сможем достичь PUE 0,90. То есть, если мы будем эффективны только на 30% в монетизации низкопотенциального отходящего тепла, мы сможем достичь уровня выше 1.0 ПУЭ.

Возможно менее 1,0 PUE, и я хотел бы сплотить отрасль вокруг достижения PUE менее 1,0. В мире баз данных много лет назад мы достигли 1000 транзакций в секунду. Конференция «Системы высокопроизводительных транзакций» изначально задумывалась с целью достижения этих (на тот момент) невероятных результатов. 1000 TPS были превзойдены десятилетия назад, но HPTS остается фантастической конференцией. Нам нужно сделать то же самое с PUE и стремиться к снижению до уровня ниже 1,0 до 2015 года.PUE меньше 1.0 сложно, но это возможно и будет сделано.

tPUE Defined

Кристиан Белади, редактор документа Green Grid, хорошо осведомлен о проблемах, которые я затронул выше. Он предлагает заменить его долгосрочным индексом производительности центров обработки данных (DCP). DCP определяется как:

DCP = Полезная работа / Общая мощность объекта

Мне нравится этот подход, но сложность состоит в том, чтобы дать определение «полезной работы» в общем виде.Как мы можем определить количество полезной работы, которая охватывает все интересные рабочие нагрузки во всех операционных системах хоста. Некоторые рабочие нагрузки используют числа с плавающей запятой, а некоторые — нет. Некоторые используют специализированные интегральные схемы специального назначения, а некоторые работают на оборудовании общего назначения. Некоторое программное обеспечение эффективно, а другое написано очень плохо. Я думаю, что цель правильная, но никогда не будет способа измерить ее в общих чертах. Возможно, мы сможем определить DCP для заданного типа рабочей нагрузки, но я не вижу способа использовать его, чтобы говорить об эффективности инфраструктуры в общих чертах.

Вместо этого я предлагаю tPUE, который представляет собой модификацию PUE, которая смягчает некоторые из вышеперечисленных проблем. По общему признанию, это более сложный, чем PUE, но он имеет то преимущество, что уравнивает различные конструкции инфраструктуры и позволяет сравнивать различные типы рабочих нагрузок. Используя tPUE, предприятие HPC может сравнить свои показатели с коммерческими средствами обработки данных.

tPUE стандартизирует, где должна быть измерена общая мощность объекта, и где именно начинается ИТ-оборудование и какие части нагрузки составляют инфраструктура и сервер.С помощью tPUE мы пытаемся устранить некоторые негативные стимулы к стиранию границ между ИТ-оборудованием и инфраструктурой. В общем, такое размытие — очень хорошая вещь. Вентиляторы 1RU невероятно неэффективны, поэтому замена их крыльчатками на уровне стойки или контейнера — это хорошо. Несколько центральных блоков питания могут быть более эффективными, поэтому перенос блока питания с сервера на модуль или стойку — это хорошо. Нам нужна метрика, которая правильно измеряет эффективность этих изменений. PUE в нынешнем виде фактически покажет отрицательный «выигрыш» в обоих примерах.

Мы определяем как:

tPUE = Общая мощность предприятия / производственная мощность ИТ-оборудования

Это почти идентично PUE. Важен следующий уровень определений. Определение tPUE «Общая мощность предприятия» довольно простое. Это мощность, подаваемая к источнику среднего напряжения (~ 13,2 кВ переменного тока) до любого ИБП или преобразования мощности. Большинство крупных объектов поставляются с таким уровнем напряжения или выше. Небольшие предприятия могут получить 480 В переменного тока, и в этом случае получить это число труднее.Мы решаем проблему, используя номер, указанный производителем трансформатора, если измерение невозможно. К счастью, показатели эффективности высоковольтных трансформаторов точно указаны производителями.

Для tPUE напряжение объекта должно фактически измеряться при среднем напряжении, если это возможно. Если это невозможно, допустимо проводить измерения при низком напряжении (480 В переменного тока в Северной Америке и 400 В переменного тока во многих других регионах), если учитывается потеря эффективности трансформатора (-ов) среднего напряжения.Конечно, все измерения должны проводиться перед ИБП или любым другим способом регулирования мощности. Это определение позволяет использовать неизмеряемый, указанный производителем коэффициент полезного действия для трансформатора среднего и низкого напряжения, но гарантирует, что во всех измерениях используется среднее напряжение в качестве базовой линии.

Определение tPUE «Мощность производительного ИТ-оборудования» несколько сложнее. PUE измеряет ИТ-нагрузку как мощность, подаваемую на ИТ-оборудование. Но ИТ-оборудование крупномасштабных центров обработки данных нарушает правила.У некоторых есть вентиляторы внутри, а некоторые используют вентиляторы инфраструктуры. Некоторые из них не имеют блока питания и поставляются инфраструктурой на 12 В постоянного тока, тогда как в большинстве все еще есть блок питания в той или иной форме. tPUE «заряжает» все вентиляторы и все преобразователи энергии в компонент инфраструктуры. Я определяю «производительную мощность ИТ-оборудования» как всю мощность, подаваемую на полупроводники (память, ЦП, северный мост, южный мост, сетевые адаптеры), диски, ASIC, FPGA и т.д. ) и / или модули регулятора напряжения (VRM), а также охлаждающие вентиляторы от «ИТ-нагрузки» к инфраструктуре.В этом определении потери инфраструктуры однозначно включают в себя все преобразования энергии, ИБП, коммутационное оборудование и другие потери при распределении. И это включает все затраты на охлаждение, независимо от того, есть они на сервере или нет.

Эта сложная часть — как измерить tPUE. Он достигает нашей цели быть сопоставимым, так как все будут использовать одни и те же определения. И не наказывает инновационные разработки, стирающие традиционные границы между сервером и инфраструктурой. Я бы сказал, что у нас есть лучший показатель, но проблема будет в том, как его измерить? Смогут ли операторы центров обработки данных измерить это, отслеживать улучшения на своих объектах и ​​понять, как они сравниваются с другими?

Мы обсудили, как измерить общую мощность предприятия.Вкратце, это должно быть измерено перед всеми ИБП и стабилизацией мощности при среднем напряжении. Если высокое напряжение подается непосредственно на ваш объект, вам следует проводить измерения после первого понижающего трансформатора. Если на ваш объект подается низкое напряжение, спросите у поставщика электроэнергии, будь то коммунальное предприятие, владелец колокольни или группа инфраструктуры вашей компании, эффективность понижающего трансформатора от среднего до низкого при вашей средней нагрузке. Сложите это значение математически. Это не идеально, но лучше, чем сейчас, когда мы смотрим на PUE.

В сегменте низкого напряжения, где мы поставляем «производительную мощность ИТ-оборудования», мы также вынуждены использовать оценку с нашими мерами. Мы хотим измерить мощность, передаваемую отдельным компонентам. Мы хотим измерить мощность, подаваемую на память, ЦП и т. Д. Наша цель — получить мощность после последнего преобразования, а это довольно сложно, поскольку VRD часто находятся на плате рядом с компонентом, который они подают. Учитывая, что неразрушающее измерение мощности на этом уровне непросто, мы используем индуктивный амперметр на каждом проводе, передающем мощность на плату.Затем мы получаем данные об эффективности VRD от производителя системы (вы все равно должны их запрашивать — они являются важным фактором эффективности сервера). В этом случае мы часто можем получить КПД только при номинальной мощности, и фактический КПД VRD будет меньше при использовании вами. Тем не менее, мы используем это единственное число эффективности, поскольку оно, по крайней мере, является приблизительным, а более подробные данные либо недоступны, либо их очень трудно получить. Мы не включаем питание вентиляторов (вентиляторы серверов обычно работают от 12-вольтной шины).По сути, мы берем определение нагрузки ИТ-оборудования, используемое в определении PUE, и вычитаем VRD, PSU и потери в вентиляторах. Эти измерения необходимо проводить при полной загрузке сервера.

Приведенные выше измерения не так точны, как хотелось бы, но я утверждаю, что эти методы дадут гораздо более точную картину эффективности инфраструктуры, чем текущие определения PUE, и тем не менее эти метрики поддаются измерению и не зависят от рабочей нагрузки.

Сводка:

Мы определили tPUE как:

tPUE = Общая мощность предприятия / мощность производственного ИТ-оборудования

Мы определили общую мощность объекта, которую необходимо измерить перед всеми ИБП и кондиционированием питания при среднем напряжении.Мы определили производительную мощность ИТ-оборудования как мощность сервера, не включая блоки питания, VRD и другие потери преобразования, а также потребление энергии вентиляторами или охлаждением.

Пожалуйста, рассмотрите возможность оказания помощи в пропаганде tPUE и использовании tPUE. А если вы, ребята, проектирующие и создающие коммерческие серверы, можете помочь, измерив мощность производственного ИТ-оборудования для одного или нескольких ваших SKU, я хотел бы опубликовать ваши результаты. Если вы можете предоставить данные об измерении мощности производительного ИТ-оборудования для одного из ваших новых серверов, я опубликую его здесь с изображением сервера.

Давайте сделаем новую инфраструктуру сплоченной, достигнув tPUE <1.0.

–jrh

Джеймс Гамильтон, Amazon Web Services

1200, 12 th Ave. S., Сиэтл, Вашингтон, 98144
W: +1 (425) 703-9972 | C: +1 (206) 910-4692 | Н: +1 (206) 201-1859 | [email protected]

H: mvdirona.com | W: mvdirona.com/jrh/work | блог: http: //perspectives.mvdirona.com

Снижение потерь энергии от блоков распределения питания (PDU) | Продукты

Блоки распределения питания (PDU) поставляют кондиционированное питание от системы бесперебойного питания (ИБП) на серверы, сетевое оборудование и другие электронные устройства в центре обработки данных.PDU являются частью системы распределения электроэнергии центра обработки данных, которая включает в себя энергоснабжение от электросети или генератора, распределительные устройства и трансформаторы в здании, а также системы ИБП. Хотя на них часто не обращают внимания, потери в системе распределения электроэнергии могут составлять в среднем от 10% до 12% от общей энергии, потребляемой центром обработки данных. 1

Дата-центры могут использовать один или два типа PDU:

  1. PDU могут быть просто хорошо сконструированными удлинителями. Однако современные «умные» или «интеллектуальные» блоки PDU позволяют менеджерам центров обработки данных удаленно отслеживать потребление энергии в реальном времени, данные и журналы событий, ток, потребляемый каждым PDU, и ток, потребляемый каждой розеткой.Некоторые также могут удаленно включать и выключать каждую розетку. Эти устройства улучшают наше понимание энергопотребления, могут помочь идентифицировать коматозные серверы, могут дать информацию при планировании мощности и могут предупредить нас о сбое оборудования.
  2. Напольные блоки распределения питания традиционно содержат изолирующие трансформаторы, которые снижают высокое напряжение и ток до более распространенных и полезных уровней, которые они передают вниз по потоку в блоки распределения питания в стойке. (Например, они могут уменьшить количество электричества, поступающего в центр обработки данных при 240 вольт и 30 ампер в одной фазе, до нескольких вилок 120 вольт 15 ампер или 120 вольт 20 ампер.Напольные блоки распределения питания могут быть интегрированы с программным обеспечением для мониторинга, чтобы отслеживать изменения энергопотребления и помогать планировать будущие потребности в электроэнергии.

Используйте PDU с высокоэффективными трансформаторами

Если в вашем центре обработки данных используются напольные блоки распределения питания, знайте, что блоки распределения питания, содержащие высокоэффективные трансформаторы, в целом на 2–3% более эффективны по сравнению с блоками распределения питания с обычными трансформаторами с низким КПД.

Мониторинг отдельных устройств для выявления проблем и возможностей энергоэффективности

Поскольку «умные» блоки распределения питания могут сказать вам, сколько энергии потребляет каждое устройство, вы можете легко определить, сколько энергии потребляет энергия.PDU также могут идентифицировать оборудование, которое больше не нужно. Например, когда PDU указывает, что определенный сервер работает в среднем на 35% пиковой мощности, вы можете выделить этот сервер в качестве кандидата для вывода из эксплуатации. 2

Отказ источника питания, значительное повышение температуры, внезапный скачок энергопотребления — все эти изменения можно определить с помощью интеллектуального блока PDU. Некоторые PDU могут отправлять вам оповещения, когда что-то выходит за рамки нормальных рабочих условий.Например, когда PDU достигает своей полной мощности, он может предупредить администратора центра обработки данных до того, как будет достигнута мощность выключателя , дав ему понять, что пора подключить больше PDU для предотвращения сбоев.

Контроль энергопотребления для улучшения планирования мощности

Блоки распределения питания

позволяют отслеживать энергопотребление на уровне стойки, сохранять данные, отслеживать их тенденции и использовать их для принятия решений относительно вашего центра обработки данных.

Например, предположим, что у вас есть опасения по поводу достижения верхних пределов мощности на вашем предприятии.«Умные» блоки распределения питания выполняют мониторинг на уровне розеток, что позволяет точно определять области в центре обработки данных, где простая перестановка оборудования может высвободить мощность.

Выключить незагруженные PDU

Как и другое оборудование в центре обработки данных, PDU следует отключать, если они не используются. На некоторых объектах массив модулей ИБП и / или PDU имеет более чем достаточную мощность для обслуживания ИТ-нагрузки. Возможно, удастся отключить некоторые модули, сохранив при этом требуемый уровень резервирования. 3 Это позволит остальным агрегатам работать с более высоким коэффициентом нагрузки, что обычно приводит к более высокому КПД. 4 Узнайте больше о снижении потерь энергии в системах бесперебойного питания (ИБП).

Поддержание сбалансированной нагрузки PDU

Несбалансированные электрические нагрузки в 3-фазных системах вызывают более высокие токи между выводами трансформатора, что приводит к отходам тепла и менее эффективной работе трансформатора. 5 Перераспределите нагрузки для улучшения баланса.Если трансформатор находится в помещении с кондиционированием воздуха, уменьшенное количество отработанного тепла также снизит нагрузку на систему охлаждения.

Оцените эффективность своей работы, рассчитав PUE

Данные о мощности, полученные от PDU, могут помочь вам рассчитать эффективность использования энергии для вашего центра обработки данных. PUE — это широко признанный стандарт сравнительного анализа, который помогает менеджерам определять, насколько эффективно центры обработки данных используют электроэнергию. Это дает представление об усилиях по повышению эффективности, а также может помочь определить, когда что-то пошло не так.

PUE — это отношение общей энергии, потребляемой объектом центра обработки данных, к энергии, поставляемой ИТ-оборудованию — см. Рисунок 1 ниже. Общую мощность, используемую в каждой стойке, по данным PDU, можно сравнить с общим энергопотреблением здания для расчета PUE. PUE приближается к 1 по мере того, как центр обработки данных становится более эффективным. Опрос 2014 года 6 , проведенный Uptime Institute, показал, что средний зарегистрированный PUE составляет 1,7. Узнайте больше о сравнительном анализе энергоэффективности вашего центра обработки данных.

Рисунок 1. Как рассчитывается эффективность использования энергии (PUE).PUE, равный 3,0, указывает на относительно неэффективный центр обработки данных. Изображение предоставлено: DataClean.

Экономия и затраты

PDU

, содержащие высокоэффективные трансформаторы, в целом на 2–3% более эффективны по сравнению с PDU с обычными трансформаторами с более низким КПД.

Компания

Target в одном из двух центров обработки данных, сертифицированных ENERGY STAR, отключила два незагруженных PDU 300 кВА, чтобы сэкономить 261 000 кВтч ежегодно. Прочтите их тематическое исследование (PDF, 609 КБ), чтобы узнать больше.

Советы и рекомендации

Системы управления инфраструктурой центра обработки данных (DCIM)

помогают максимально эффективно использовать интеллектуальные блоки PDU.Например, одна панель управления DCIM может предлагать в реальном времени данные о нагрузках, тенденциях и прогнозах мощности. Они также могут помочь в реализации инициатив по повышению эффективности с помощью датчиков PUE в реальном времени.


1 Оценка эффективности системы ИБП, К. Куцмеда, инженер-консультант, 11 июня 2015 г. http://www.csemag.com/single-article/evaluating-ups-system-efficiency/ 73497ade33f9a66ead63a77f33e94d4e.html

2 5 способов повысить энергоэффективность центра обработки данных с помощью блоков распределения питания , блог The Right Signals, Belden.com, 10 марта 2016 г. http://www.belden.com/blog/datacenters/5-Ways-to-Improve-Data-Center-Energy-Efficiency-with-PDUs.cfm

3 Избыточность относится к дублированию критических компонентов или функций системы с целью повышения надежности.

4 Главный список действий центра обработки данных по энергоэффективности , Экспертный центр по энергоэффективности в центрах обработки данных, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Министерство энергетики США, фев.11, 2016. https://datacenters.lbl.gov/resources/data-center-master-list-energy

5 Главный список действий центра обработки данных по энергоэффективности , Экспертный центр по энергоэффективности в центрах обработки данных, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Министерство энергетики США, 11 февраля 2016 г. https: //datacenters.lbl. правительство / ресурсы / дата-центр-мастер-список-энергия

6 Обзор отрасли центров обработки данных 2014 г. , Uptime Institute.2014. Доступно в Интернете по адресу: https://journal.uptimeinstitute.com/2014-data-center-industry-survey/

Как добиться более низкого PUE в вашем центре обработки данных

PUE или Power Usage Effectiveness указывает отношение потребления энергии центром обработки данных к количеству энергии, потребляемой только ИТ-оборудованием центра. Идеальное соотношение эффективности использования энергии — 1,0. Это связано с тем, что центральной задачей центра обработки данных является предоставление ИТ-ресурсов организации или потребителям.В идеале вся энергия, потребляемая центром обработки данных, направляется на его ИТ-оборудование.

Это будет означать, что энергия не используется ни в какой другой части центра обработки данных, не связанной с ИТ, включая такие функции, как охлаждение / обогрев, освещение, система безопасности и т. Д. Кроме того, нет потерь энергии в распределительной сети — в каскадах преобразования напряжения, источниках бесперебойного питания и кабелях. Такая ситуация требует 100-процентной эффективности и, следовательно, недостижима.

Знай свой PUE

Однако само определение PUE оставляет некоторые серые области.Например, что, если в центре обработки данных есть какая-то инфраструктура для выработки электроэнергии, например солнечные батареи? Включена ли эта мощность в расчет общего энергопотребления объекта? Возникают вопросы о включении периферийных источников энергии, таких как безопасность и освещение, в расчет PUE. Однако эксперты утверждают, что для достижения более низкого PUE это необходимо знать.

Повышение PUE

Как только вы сможете получить точные измерения PUE, вы можете работать над его улучшением.Даже если ваша компания не заинтересована в PUE, вы можете использовать эти числовые данные для повышения эффективности вашего центра обработки данных. Вот несколько шагов, которые вы можете предпринять, чтобы улучшить свой PUE:

  • Большой перепад температур увеличивает эффективность охлаждения. Изолируйте горячий и холодный воздух, чтобы поддерживать надлежащий воздушный поток в центре обработки данных.
  • Автоматическая экономия затрат на охлаждение за счет повышения температуры.
  • Если наружный воздух достаточно прохладный, используйте его для охлаждения помещения и повышения PUE.
  • Сократите потери мощности за счет использования высокоэффективных систем ИБП для улучшения распределения энергии и устранения ненужного преобразования напряжения.
  • Принять технологию управляемого освещения. Выключайте свет, когда на объекте никого нет. Серверам не нужен свет для работы.

Нет лучшего способа улучшить PUE, чем измерить его. Как еще вы собираетесь повысить эффективность и улучшить PUE, если у вас нет точных цифр? Собирайте данные из различных центров обработки данных, чтобы создать модель вычислительной гидродинамики (CFD).С помощью модели CFD вы можете легко определить, сколько энергии потребляет центр обработки данных и как его оптимизировать. EMR Associates может помочь вам в этом. Свяжитесь с нами онлайн или позвоните нам сегодня по телефону 615-828-8028, чтобы узнать больше.

Пять вопросов, которые следует задать о PUE

Срикант Муруган, глобальный директор по продажам, Flexenclosure

Разработанный Green Grid, PUE (Power Usage Effectiveness) — очень полезный показатель для измерения энергоэффективности центра обработки данных.PUE просто рассчитывается путем деления общей мощности, поступающей в объект, на мощность, потребляемую ИТ-нагрузкой внутри него — цель — максимально приблизиться к PUE, равному 1,0, так как это будет означать, что центр обработки данных будет эффективен на 100%. .

Проектирование центров обработки данных с низким показателем PUE и измерение фактической производительности становится все более важным, поскольку операторы стремятся минимизировать свое воздействие на окружающую среду и снизить свои эксплуатационные расходы. Одним из результатов этой тенденции является то, что сейчас практически невозможно найти поставщика центров обработки данных, который не хвастался бы исключительными показателями PUE своих продуктов.Но вместо того, чтобы принимать эти маркетинговые утверждения за чистую монету, вот пять важных вопросов, которые вам нужно задать, чтобы убедиться, что вы получили полную информацию об энергоэффективности:

  1. Где измеряется мощность?

Результат расчета PUE может сильно варьироваться в зависимости от того, где измеряются входящая мощность и IT-нагрузка. Для центра обработки данных общая мощность объекта должна быть измерена на входящем MLVDB (главном низковольтном распределительном щите) и IT-нагрузке на стоечных БРП.Однако некоторые поставщики измеряют свою ИТ-нагрузку на вспомогательных распределительных щитах, таким образом добиваясь более привлекательного PUE, поскольку они игнорируют все потери в кабелях от низковольтных распределительных щитов к стойкам. В таблице ниже представлены четыре рекомендуемые категории для измерения PUE. Конечно, окончательный PUE, рассчитанный и заявленный для любого конкретного объекта, будет варьироваться в зависимости от того, какая категория измерения используется.

ПУЭ категории 0 * ПУЭ 1 категории ПУЭ 2 категории ПУЭ 3 категории
Место измерения энергии ИТ Выход ИБП Выход ИБП Выход PDU Серверный ввод
Определение IT Energy Пиковое потребление электроэнергии ИТ Годовое энергопотребление ИТ Годовое энергопотребление ИТ Годовое энергопотребление ИТ
Определение общей энергии Пиковая общая потребность в электроэнергии Общая годовая энергия Общая годовая энергия Общая годовая энергия

* Для категории PUE 0 измерения относятся к потреблению электроэнергии (кВт).

  1. Учитываются ли все убытки?

При расчете PUE центра обработки данных необходимо учитывать все потери. К сожалению, некоторые поставщики не учитывают некоторые потери в своих расчетах, чтобы добиться гораздо лучшего показателя эффективности, поэтому вам нужно быть уверенным, что они включают все потери в распределительном устройстве, кабелях, освещении и ИБП, а также увеличенную нагрузку на системы охлаждения. с теплом, выделяемым солнцем снаружи или даже людьми внутри объекта.Только тогда вы получите реалистичный PUE для вашего объекта. Подробнее об этом можно прочитать в очень интересной статье о подходе Google к измерению PUE в своих центрах обработки данных.

  1. Является ли PUE разовым расчетом?

Количество энергии, необходимое центру обработки данных, будет меняться со временем в зависимости от ряда факторов. Например, усиление зависимости от систем охлаждения в теплую погоду будет означать, что значения PUE обычно выше летом, чем зимой.Таким образом, вместо того, чтобы производить одноразовый расчет, в идеале PUE необходимо рассчитывать за весь год, чтобы найти среднегодовое значение, а также годовой пик. А с точки зрения планирования эксплуатационных затрат точный расчет этого показателя наихудшего случая на самом деле более важен, чем знание наилучшего сценария.

  1. Влияют ли местные погодные условия на PUE?

Большинство поставщиков любят заявлять для своих центров обработки данных значения PUE 1,1 или 1,2, и это, конечно, вполне возможно, если объект развернут в холодных условиях, например в Северной Европе, где естественное воздушное охлаждение может использоваться очень эффективно.Однако, если вы строите центр обработки данных в тропиках, в лучшем случае PUE будет примерно от 1,5 до 1,6, поэтому вам необходимо убедиться, что значение PUE, предлагаемое любым поставщиком, основано на местоположении, в котором он собирается. быть построенным. Спросите, делали ли они какое-либо моделирование на основе погодных условий фактического местоположения объекта. Даже если они не строили там раньше, пиковые и средние значения PUE можно точно определить, используя статистические климатические данные (температура и влажность) с помощью программного обеспечения для моделирования.

  1. Гарантирует ли поставщик требуемую сумму PUE?

Все вышеперечисленное, учитывая, что вычислением PUE относительно легко манипулировать так, чтобы результирующие значения выглядели лучше, чем они есть на самом деле, возможно, самый важный вопрос, который вы можете задать любому поставщику в отношении их требований PUE, — это будут ли они гарантировать какой уровень производительности с течением времени? (В Flexenclosure мы готовы гарантировать PUE для каждого построенного нами центра обработки данных, в какой бы точке мира он ни находился.)

Вооружившись этими пятью вопросами, вы сможете преодолеть маркетинговую шумиху и сравнить конкурирующих поставщиков на относительно равном уровне PUE. Конечно, экономика PUE — это совершенно другой предмет — влияние на PUE, например, при питании объекта от сети, или от дизельного топлива, или от того и другого, или влияние на PUE увеличения уровня резервирования объекта. Это будет предметом другой статьи…

Power Factor — подружиться с монстром в шкафу

Где это чудовище?

Монстр — это когда у нас есть система переменного тока (AC), а не постоянного тока (DC), и нагрузка не является резистивной.Если нагрузка 100% резистивная, то приведенное выше уравнение верно, где 1 Вт = 1 ВА, несмотря на то, что нагрузка питается от источника переменного тока.

Мы используем так называемые среднеквадратичные значения при расчете силы тока и напряжения в среде переменного тока. RMS — вкратце — это значение эквивалентного источника питания постоянного тока, которое будет обеспечивать точно такое же количество энергии в течение одного периода переменного тока на одной и той же резистивной нагрузке.

Следовательно, когда мы говорим о питании 230 В переменного тока, это означает, что пиковое напряжение не 230 В, а достигает 325 В.Это делает среднеквадратичное значение 230 В, тот же принцип, что и для тока.

Монстр вылезает из шкафа и начинает рычать, когда нагрузка не достигает 100%. Основная нагрузка дата-центра — импульсные блоки питания. Большинство из них имеют мост постоянного / переменного тока и большой конденсатор, обращенный к источнику питания. Следовательно, это емкостная нагрузка. В то время как большинство кондиционеров, чиллеров и других элементов инфраструктуры являются индуктивными нагрузками. Это потому, что у них большие катушки, обращенные к источнику питания.

Емкостные нагрузки создают отрицательный коэффициент мощности, а индуктивные нагрузки создают положительный коэффициент мощности. Это не имеет ничего общего с тем, хорошо или плохо. В первом сценарии ток приводит к напряжению для зарядки конденсатора. Во втором сценарии ток всегда отстает из-за явления автоиндукции катушки.

Следовательно, если мы подключим массивный конденсатор к источнику переменного тока, ток будет во время его зарядки и разрядки. Следовательно, напряжение, умноженное на ток, будет больше нуля.Интересно, что потребление энергии в ваттах в среднем будет равно нулю; просто потому, что конденсатор возвращает накопленную энергию обратно в сеть, как катушка (единственной активной энергией, используемой в этом процессе, будет потеря мощности на резистивном компоненте катушки).

Как измеряется PUE

Есть несколько способов измерения PUE, и они дадут вам тот же результат, если вы не сделаете никаких ошибок. Вы можете:

  1. Измерьте нагрузку IT в ваттах и ​​разделите на нее общую мощность объекта.
  2. Измерьте нагрузку, не относящуюся к IT, в ваттах; вычтите его из общей мощности объекта в ваттах (что даст нам нагрузку IT) и разделите общую нагрузку объекта на вычисленную нагрузку IT.

Есть и другие способы, кроме этого; тот, который вы выберете, зависит от того, что удобнее измерять. Например, вы можете использовать (1), если у вас есть надежный способ измерения ИТ-нагрузки в ваттах. Если у вас нет удобного способа измерения нагрузки ИТ в ваттах, но он есть для измерения нагрузки, не связанной с ИТ, в ваттах, вы можете использовать (2).

Главное — использовать правильные единицы измерения (ватты, а не амперы или ВА) и избегать ошибок в формуле (например, забыть добавить измерение мощности одной или нескольких стоек или компонентов инфраструктуры или добавить их несколько раз).

Мой брат — математик, и я вспомнил, что он мог «доказать» следующее на бумаге. Он «доказал», что два равно трем. Несмотря на мои довольно сильные математические познания, обнаружить уловку было непросто. Это была одна из тех вещей, где вы должны были изменить знак при вычислении квадратного корня, квадратного корня и / или модуля.Я хочу сказать, что если бы результат не казался столь очевидным, я бы не заметил ошибки, полагая, что два равно трем.

Интересно, что при расчете PUE практически все выполняют его по первому способу. Большинство из них делают это, потому что уже есть много измерительных инструментов. Например, в каждой стойке с ИТ-нагрузкой есть измеряемый PDU (блок распределения питания) для выставления счетов и / или мониторинга, в отличие от вентиляторов, кондиционеров и остального оборудования инфраструктуры.Что они делают, так это складывают их все, чтобы получить всю ИТ-нагрузку. Затем они берут всю нагрузку на объект и делят ее на рассчитанную общую ИТ-нагрузку.

Однако именно здесь монстр начинает смеяться. Причина в том, что они использовали неправильные единицы измерения. Большинство стоечных PDU измеряют амперы, но, как мы знаем, умножение ампер на вольты дает нам мощность не в ваттах, а в ВА, которая не равна ваттам (и может быть только выше). Кроме того, большинство стоечных БРП имеют точность 1 А или 10% (в зависимости от того, что больше), так что вы можете себе представить потенциальную неточность использования этого метода!

Я могу простить большинство за это, потому что они не знают об этом «монстре», но я не могу простить никого, кто делает это специально, чтобы скрыть настоящую фигуру.Это просто нечестная игра. Поскольку современные источники питания имеют коэффициент мощности 0,85–0,95, если бы мы измерили только ток (А) и умножили полученное значение на напряжение, мы получили бы значения в 1,18 раза выше, чем они есть на самом деле.

Более простой пример — центр обработки данных 230 В, который использует 1 МВт мощности, тогда как ИТ-нагрузка составляет 700 кВт, из которых 300 кВт используются кондиционерами, вентиляторами и другим инфраструктурным оборудованием. В этом случае у нас будет коэффициент PUE 1,43. Теперь представьте, что вы хотите использовать первый метод для расчета PUE.Если вы суммируете все амперы со всех стоек, а коэффициент мощности нагрузки равен 0,85, вы получите 3580 ампер.

Помните, что в настоящий момент вы не знаете (или еще не знаете) коэффициент мощности. Вы предполагаете, что если вы умножите свои амперы на 230 В, вы получите ИТ-нагрузку (вы на самом деле полагаете, что два равняются трем). Таким образом, расчет 3580 x 230 = 823,4 кВт, если мы возьмем это для расчета PUE, мы получим 1 МВт / 823,4 кВт = 1,22.

«Монстр» — это фактор мощности.Если учесть это, ваш «PUE» будет 1,22 вместо реальных 1,43. Большая разница! Кроме того, чем больше показаний вы суммируете, тем больше суммарная ошибка. Если каждый PDU имеет ошибку 0,1 А, а средняя потребляемая мощность стойки составляет 10 А, вы можете получить ошибку 1% при расчете общего тока. Вы также можете забыть добавить некоторые из них или добавить некоторые из них несколько раз. Сделать эту ошибку очень легко, потому что их очень много! Кроме того, вы можете не знать, что PDU с точностью до 1% редки и дороги.Скорее всего, у вас будут установлены блоки PDU с точностью 1А или 10% (в зависимости от того, что больше). Не думайте, что точность у них будет только потому, что они принадлежат уважаемым брендам.

Наш метод

В центрах обработки данных Custodian мы решили использовать второй метод при измерении PUE. Мы установили точные и мощные измерители для измерения ватт везде, кроме IT-нагрузки. Это включало источники питания 11 кВ на площадке после каждого ИБП и на каждом распределительном щите. Мы отделили щиты распределения ИТ-нагрузки от всех остальных распределительных щитов инфраструктуры, чтобы мы могли вычесть правильное количество Вт, используемое инфраструктурой, и вычесть его из входящей мощности, чтобы получить точную цифру для ИТ-нагрузки.Затем мы разделили общую потребляемую мощность на общую потребляемую мощность за вычетом мощности, потребляемой инфраструктурой.

Это так просто. Более того, он намного точнее. Наш PUE по-прежнему находится на впечатляющем уровне в среднем 1,2, и мы (насколько мне известно) единственное колокационное учреждение, которое отображает наш PUE в реальном времени на нашем веб-сайте. Добавляя и вычитая только несколько показаний, мы сводим ошибку к минимуму. Мы можем с гордостью заявить, что наш PUE действительно составляет 1,2. Например, если бы мы использовали первый упомянутый метод расчета (и использовали амперы), наш расчетный «PUE» был бы равен 1.06 или даже меньше единицы (что невозможно). Это было бы так же очевидно, как два равных трех, не так ли?

Небольшой совет для владельцев центров обработки данных: хотя многие «улучшители» PUE действительно могут улучшить ваш PUE, это не означает, что они улучшат его до уровня, о котором говорят. При подписании контракта и проведении аудита убедитесь, что вы всегда измеряете ватты (а не VA) для расчета PUE.

Тогда монстр в шкафу навсегда останется вашим улыбающимся другом!

Павел Соколовас — руководитель инфраструктуры Кастодиальных центров обработки данных.

Консультации — Специалист по подбору | Стратегии питания центров обработки данных

Цели обучения

  1. Изучите различные стратегии, используемые для распределения электроэнергии в центре обработки данных.
  2. Узнайте, как измерить энергоэффективность в центрах обработки данных.
  3. Знайте, какой вариант распределения наиболее подходит для приложения.

Переменный ток Николы Теслы против постоянного тока Томаса Эдисона — это битва, которая продолжается уже более века и продолжается сегодня в индустрии центров обработки данных.Несмотря на то, что питание переменного тока является стандартом, исходя из его потенциала для устранения потерь преобразования и повышения эффективности, многие считают, что питание постоянного тока — это будущее распределения центров обработки данных. Третьи считают, что такой же уровень эффективности может быть достигнут с переменным током, используя более эффективное оборудование с более высоким распределением напряжения, такое как 415/230 В и 480/277 В.

Итак, как узнать, какая стратегия электропитания лучше всего подходит для вашего приложения центра обработки данных? Каковы преимущества и проблемы каждого типа техники распределения энергии? Это важные вопросы, которые необходимо учитывать при планировании центра обработки данных.Цель этой статьи — подробнее рассмотреть различные стратегии энергоснабжения, используемые для распределения энергии, и их влияние на центр обработки данных.

Электрический КПД

Одним из наиболее распространенных показателей для измерения эффективности в центрах обработки данных является эффективность использования энергии (PUE), созданная Green Grid. Он сравнивает общую мощность центра обработки данных с мощностью, используемой для работы ИТ-оборудования. Оптимальный центр обработки данных должен иметь значение PUE, равное 1,0, когда вся мощность, поступающая в центр обработки данных, используется непосредственно для питания ИТ-оборудования.Любое значение выше 1,0 означает, что часть общей мощности объекта направляется на вспомогательные системы центра обработки данных, такие как охлаждение, освещение и система питания. Чем выше показатель PUE, тем большая часть энергии потребляется системами поддержки по сравнению с самим ИТ-оборудованием, что приводит к снижению эффективности центра обработки данных.

В недавнем прошлом основное внимание при снижении PUE и повышении эффективности уделялось механическим системам и возможности использования естественного охлаждения.По мере того как владельцы центров обработки данных стремятся еще больше снизить затраты, акцент сместился в сторону электрических систем. Электрические системы тратят энергию в виде потерь из-за неэффективности электрического оборудования и системы распределения. В среднем потери в системе распределения электроэнергии составляют 12% от общей энергии, потребляемой центром обработки данных. Для центра обработки данных с ИТ-нагрузкой 2000 кВт (общая нагрузка 2700 кВт) это соответствует годовым затратам в размере 280 000 долларов США (см. Рисунок 2).

Советы по проектированию энергосистемы

Изучите эти шесть ключевых элементов при планировании системы распределения электроэнергии в центре обработки данных:

  • Установить или заменить существующее силовое и ИТ-оборудование на энергоэффективное
  • Изучите предлагаемое ИТ-оборудование, чтобы определить, могут ли системы работать от 240 В переменного тока или 380 В постоянного тока
  • Обзор всех преимуществ и проблем различных энергосистем
  • Определите, какая часть существующей инфраструктуры должна быть заменена для изменения энергосистемы
  • Гибкость конструкции энергосистемы, которая позволит центру обработки данных адаптироваться в будущем
  • Разработайте модульную и масштабируемую энергосистему для устранения частичной нагрузки

Подобно механическим системам, в электрическую систему можно вносить изменения, чтобы сделать ее более эффективной и сэкономить энергию.Ключом к хорошему проектированию критически важного объекта является не снижение надежности объекта в процессе.

Типовые электрические распределительные системы

Типичная унаследованная система распределения электроэнергии в центре обработки данных состоит из пяти основных компонентов. Питание в центр обработки данных осуществляется средним напряжением от электросети / генератора. Мощность понижается от среднего напряжения до распределительного (480 В) трансформатором подстанции. Затем мощность проходит через систему бесперебойного питания (ИБП), которая регулирует питание и обеспечивает возможность сквозного прохождения во время отключения электричества до запуска генератора.Затем мощность понижается до напряжения подстанции (208/120 В) блоком распределения мощности (PDU). PDU подает питание на источник питания IT, где оно выпрямляется и понижается до 12 В постоянного тока, что является внутренним рабочим напряжением ИТ-оборудования (см. Рисунок 3).

Четыре компонента старой системы распределения электроэнергии с наибольшими потерями:

  • Трансформатор подстанции: трансформатор без нагрузки и потери в сердечнике
  • ИБП: потери выпрямителя и инвертора
  • Трансформатор PDU: холостой ход трансформатора и потери в сердечнике
  • Источник питания IT: потери в выпрямителе и трансформаторе.

Одним из способов повышения эффективности является замена этих единиц оборудования более эффективным. До 2005 года, когда было принято Руководство NEMA TP1 по определению энергоэффективности распределительных трансформаторов, КПД трансформатора составлял около 97%. Сегодня со сверхвысокоэффективными трансформаторами этот КПД превышает 99,5%. Обычные системы ИБП с двойным преобразованием имеют КПД от 84% при нагрузке 25% до 94% при нагрузке 100%. Использование топологии ИБП с маховиком или пассивным резервом может увеличить этот диапазон до 94% эффективности при 25% нагрузке и 99% при 100% нагрузке.

Еще один способ повышения эффективности — исключить частичную загрузку центра обработки данных. Устранение частичной нагрузки снижает потери, позволяя оборудованию работать с максимальной производительностью. Это может быть выполнено путем разработки модульной и масштабируемой системы питания, которая растет с нагрузкой, или путем разработки системы питания, которая использует гибкие уровни и обеспечивает соответствие надежности и избыточности различным программам в центре обработки данных.

Третий метод — полностью исключить неэффективное электрическое оборудование.Повышение эффективности за счет исключения оборудования, которое имеет наибольшие потери, является причиной того, что исследуются различные стратегии энергоснабжения для распределения центров обработки данных.

Распределение 415/240 В перем. Тока

Стратегия распределения питания, которая все более широко используется в центрах обработки данных, — это 415/240 В переменного тока. Эта стратегия устраняет PDU и распределяет питание более высокого напряжения от ИБП прямо к серверному шкафу. Основная цель — повысить эффективность за счет устранения потерь в трансформаторе, связанных с PDU, и обеспечения более эффективной работы IT-нагрузок при более высоком напряжении (см. Рисунок 4).

В Северной Америке стандартная система распределения электроэнергии имеет конфигурацию «звезда» с межфазным напряжением 208 В и межфазным напряжением 120 В. В Европе стандартной системой распределения электроэнергии является настроены по той же схеме «звезда», но с более высоким распределением напряжения. Междуфазное напряжение составляет 415 В, а межфазное напряжение — 240 В.

В целях стандартизации между Северной Америкой и Европой были разработаны источники питания для ИТ-оборудования, рассчитанные на диапазон напряжений от 100 до 240 В.Концепция, лежащая в основе этой стратегии питания, заключается в том, чтобы поднять источник питания IT на верхнюю границу своего диапазона напряжения (240 В) и использовать установленное европейское напряжение.

Преимущества:

  • Энергоэффективность (снижение потерь от 5% до 7%)
  • Пониженная нагрузка на системы охлаждения
  • Повышенная надежность
  • Меньшие размеры проводов фидера и ответвления для обеспечения того же количества энергии
  • Освободите место в центре обработки данных (исключено два шкафа на PDU)
  • Снижение затрат на техническое обслуживание (PDU и механические системы)
  • Распределительное оборудование доступно.

Вызовов:

  • Более высокие уровни доступного тока повреждения
  • Возможность возникновения дуги требует более высоких уровней средств индивидуальной защиты (СИЗ) для работы с оборудованием
  • Полный нейтральный провод, необходимый для всей системы
  • Гармонические воздействия на остальную систему.

Основная проблема распределительной системы 415/240 В перем. Тока — высокие уровни доступного тока короткого замыкания. Удаление PDU из системы также удаляет импеданс трансформатора, который ограничивает доступный ток короткого замыкания на выходе в центре обработки данных.

Таким образом, рекомендуется провести анализ короткого замыкания на ранних этапах проектирования, чтобы определить допустимый ток отключения (AIC) всего электрического оборудования и убедиться, что оборудование способно выдерживать более высокий ток отключения. Один из вариантов, который следует учитывать при проектировании системы 415/240 В переменного тока, — это разбить систему распределения на более мелкие и более модульные части. Используя меньшие трансформаторы подстанции с высоким импедансом, инженер может снизить общий ток короткого замыкания во всей системе.Еще один вариант, который следует рассмотреть, — это использование устройств ограничения тока. Поскольку устройства ограничения тока обычно имеют быстрое время реакции, рекомендуется также провести исследование координации, чтобы убедиться, что надежность системы не пострадала.

480/277 Распределение переменного тока

Стратегия распределения питания 480/277 В переменного тока аналогична стратегии распределения питания 415/240 В переменного тока в том, что она устраняет PDU и распределяет питание с более высоким напряжением прямо в серверный шкаф.Основная цель, преимущества и проблемы стратегии распределения мощности 480/277 В переменного тока точно такие же, как и стратегии распределения мощности 415/230 В переменного тока (см. Рисунок 5).

Основным недостатком стратегии распределения питания 480/277 В переменного тока является то, что 277 В превышает номинальное значение 240 В для большинства источников питания ИТ-оборудования. Реализация этой стратегии требует покупки специализированных серверов с источниками питания, рассчитанными на работу от 277 В. По этой причине стратегия распределения питания 480/277 В переменного тока не так распространена, как стратегия распределения питания 415/240 В переменного тока.В настоящее время он используется только на очень больших объектах, где экономия энергии превышает стоимость специализированных серверов из-за большого количества приобретаемых серверов.

Распределение 600 В перем. Тока

Стратегия распределения питания 600 В переменного тока основана на использовании стандартного канадского напряжения 575/347 В переменного тока. Мощность понижается до 600 В переменного тока на трансформаторе подстанции и распределяется по системе ИБП. Затем питание распределяется от системы ИБП при напряжении 600 В перем. Тока на PDU, расположенный рядом с центром обработки данных.В PDU напряжение понижается до 415/240 В или 208/120 В и распределяется по ИТ-оборудованию (см. Рисунок 4).

Преимущества:

  • Снижение стоимости меди (меньшие шины оборудования и меньшие фидеры для обеспечения того же количества энергии)
  • Использовать полный номинал электрического оборудования 600 В
  • Нижний доступный ток повреждения (полное сопротивление трансформатора PDU).

Вызовов:

  • Отсутствие повышения эффективности (потери в трансформаторе PDU)
  • Отсутствие увеличения белого пространства в центре обработки данных
  • Нет снижения затрат на техническое обслуживание.

Хотя стратегия распределения 600 В перем. Тока не устраняет потери в трансформаторе PDU и не снижает затраты на обслуживание, она может снизить начальные капитальные затраты. Система 600 В перем. Тока использует преимущество пониженного тока при более высоких напряжениях, что приводит к уменьшению или уменьшению количества проводников. Использование меньшего или меньшего количества проводников уменьшит количество меди и снизит стоимость. Более высокое напряжение также позволяет использовать подстанции большего размера. В зависимости от размера центра обработки данных использование более крупных подстанций может привести к сокращению общего количества требуемых подстанций.

380 В постоянного тока

Вопреки распространенному мнению, питание постоянного тока очень распространено в современном мире. Электроэнергия постоянного тока используется в телекоммуникационной и транспортной отраслях. Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра и топливные элементы, являются источниками энергии постоянного тока. Большинство электронных устройств в жилых домах и офисах работают от источника постоянного тока. И, что наиболее важно, устройства хранения энергии, такие как батареи и системы ИБП, работают от постоянного тока.

Если посмотреть на типичную традиционную распределительную систему центра обработки данных, то мощность выпрямляется из переменного в постоянный, инвертируется из постоянного в переменный, преобразуется с 480 В переменного тока в 208 В переменного тока, снова выпрямляется из переменного тока в постоянный, а затем понижается до 12 В постоянного тока. перед включением ИТ-оборудования. Каждый раз при преобразовании мощности возникают потери в виде тепла, что приводит к снижению энергоэффективности.

Стратегия распределения питания 380 В постоянного тока распределяет мощность постоянного тока от ИБП (выпрямителя постоянного тока) прямо к источнику питания IT.Основная цель — повысить эффективность за счет устранения потерь инвертора в ИБП, потерь выпрямителя в источнике питания IT и потерь трансформатора, связанных с PDU (см. Рисунок 4).

Преимущества:

  • Энергоэффективность (снижение потерь от 8% до 10%)
  • Пониженная нагрузка на системы охлаждения
  • Повышенная надежность
  • Меньшая занимаемая площадь
  • Интегрируется с альтернативными источниками энергии
  • Снижение затрат на техническое обслуживание.

Вызовов:

  • Ограниченные знания и трудно найти электриков, имеющих опыт работы с системами постоянного тока
  • постоянного тока не имеет перехода через нуль, трудно погасить дугу
  • Необходимо учитывать падение напряжения на положительном и отрицательном фидерах
  • Опасность возникновения дуги постоянного тока (NFPA 70E содержит рекомендации по защите от дуги постоянного тока).

Помимо ограниченного числа электриков, имеющих опыт работы с постоянным током, в прошлом основной проблемой, связанной с питанием постоянного тока, было отсутствие стандартов.Однако это начинает меняться. И Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), и EMerge Alliance стандартизировали напряжение постоянного тока 380 В и разработали руководящие принципы для распределения электроэнергии постоянного тока.

За исключением случаев, когда центр обработки данных полностью питается от альтернативного источника энергии, такого как топливные элементы, он, скорее всего, получает питание переменного тока от электросети. В системе питания постоянного тока ИБП используется для преобразования напряжения переменного тока в постоянный. Поскольку в центр обработки данных подается постоянный ток, для любого байпаса системы ИБП также потребуется выпрямитель.Следовательно, системы постоянного тока более экономичны в системе с полным резервированием (уровень IV), где второй ИБП (выпрямитель постоянного тока) используется в качестве байпаса. При проектировании системы распределения питания постоянного тока следует учитывать дополнительные факторы, включая использование надлежащих защитных устройств, рассчитанных на использование в системах постоянного тока, и соблюдение особых требований к системе заземления постоянного тока (см. Стандарт IEEE 1100-2005 — Рекомендуемая практика IEEE для питания и заземления). Электронное оборудование).

Стремясь повысить эффективность и снизить затраты, начинают использоваться различные стратегии распределения мощности по центру обработки данных.Планируете ли вы обновить существующий центр обработки данных, расширить существующий центр обработки данных или построить новый центр обработки данных, проектирование системы распределения электроэнергии является важной частью плана, и ее необходимо оценить, чтобы определить, какая система является правильной системой. для приложения.

Теоретический пример

Две стратегии распределения питания по центру обработки данных, которые, похоже, набирают наибольшую популярность, включают архитектуру с более высоким напряжением переменного тока 415/240 В и архитектуру 380 В постоянного тока.Якобс-КлингСтаббинс провел теоретическое исследование для сравнения капитальных затрат (CAPEX) и эксплуатационных расходов (OPEX) этих двух стратегий распределения мощности с типичным центром обработки данных 208/120 В. Пример был основан на теоретическом упрощенном центре обработки данных с ИТ-нагрузкой 2 МВт, резервированием 2 N (уровень IV), шестью модулями ИБП 750 кВА и 30 шкафами по 5 кВт в каждом ряду.

Система 415/240 В перем. Тока позволила сэкономить 12% капитальных затрат и 20% операционных затрат по сравнению с устаревшим центром обработки данных на 208/120 В.Система с напряжением 380 В постоянного тока позволила сэкономить 14% капитальных затрат и 28% операционных затрат по сравнению с традиционным центром обработки данных на 208/120 В. Следует отметить, что в отличие от устаревших систем и систем на 415 В переменного тока, в системе 380 В постоянного тока использовался резервный ИБП (выпрямитель постоянного тока) в качестве байпаса и не был отдельный байпас для каждой системы ИБП (выпрямитель постоянного тока).


Кеннет Куцмеда — руководитель инженерного проектирования в Jacobs (KlingStubbins) в Филадельфии. Более 18 лет он отвечал за проектирование, проектирование и ввод в эксплуатацию систем распределения электроэнергии для критически важных объектов.Его опыт работы в проектах включает центры обработки данных, специализированные научно-исследовательские и опытно-конструкторские центры, а также крупномасштабные технологические объекты, включающие распределение среднего напряжения.

Объяснение инфраструктуры питания центра обработки данных

Ватт, Ампер или Ампер, Вольт, Коэффициент мощности, КВА и кВтч? Некоторые из номинальных значений мощности, используемых в индустрии центров обработки данных. В этом коротком сообщении в блоге простым языком объясняется разница между номинальной мощностью и описывается, когда каждый из них следует использовать при планировании архитектуры вашего центра обработки данных.

кВА
КВА (киловольт-ампер) — это просто 1.000 вольт-ампер. Напряжение, обозначаемое как вольт, указывает, какое напряжение присутствует в соединении. Полное описание можно найти здесь: https://en.wikipedia.org/wiki/Volt. Число ампер указывает величину силы тока (Ампер — это физическая единица). Термин, называемый полной мощностью (абсолютное значение комплексной мощности), равен произведению вольт и ампер без потерь из-за механических / электрических потерь (коэффициент мощности = 1).

Вт
С другой стороны, ватт (Вт) является мерой реальной мощности. Реальная мощность — это фактическая мощность, которая может быть получена из цепи. Когда напряжение и ток в цепи совпадают, реальная мощность равна полной мощности. Однако чем меньше совпадают волны тока и напряжения, тем меньше реальная мощность передается, даже если в цепи по-прежнему течет ток. Различия между реальной и полной мощностью и, следовательно, ваттами и вольтами ампер возникают из-за неэффективности передачи электроэнергии.

кВтч
В центрах обработки данных чаще всего используются термины ватт и киловатт-час. Эта единица показывает, сколько киловатт потребляется в час. Например, если у вас есть шкаф, который потребляет 1000 Вт, это состояние включено в течение одного часа, значит, вы израсходовали один кВтч. Количество кВтч можно рассчитать, умножив количество ампер на количество вольт и разделив полученное значение на 1000.

Коэффициент мощности
Результирующая неэффективность электрической передачи может быть измерена и выражена в виде отношения, называемого коэффициентом мощности.Коэффициент мощности — это отношение (число от 0 до 1) активной и полной мощности. В случае коэффициента мощности 1,0 реальная мощность равна полной мощности. В случае коэффициента мощности 0,5 активная мощность примерно вдвое меньше полной мощности.

Развертывание систем с более высоким коэффициентом мощности приводит к меньшим потерям электроэнергии и может помочь повысить эффективность использования энергии (PUE). Большинство источников бесперебойного питания (ИБП) будут указывать средний коэффициент мощности и нагрузочную способность ИБП в реальном времени в дополнение к кВА.
Пример: у вас есть ИБП мощностью 1000 кВА (полная мощность) с коэффициентом мощности 0,95.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *