Ciągłość zasilana zasilania zakładów przemysłowych oraz instalacji produkcyjnych wymaga stosowania bardzo często dwusekcyjnych rozdzielnice elektroenergetyczne średniego i niskiego napięcia. Dla ich poprawnej pracy wymagane jest stosowanie m.in. automatyki SZR (Samoczynnego Załączenia Rezerwy). Ponadto w przypadku krótkotrwałych zaników napięcia i zadziałania automatyki SZR wymagana jest często realizacja funkcji automatycznego samoczynnego rozruchu silników. Poprawność działania tych funkcji wiąże się z koniecznością zapewnienia zasilania gwarantowanego dla obwodów wtórych rozdzielnic. 

Systemy zasilania gwarantowanego dla rozdzielnic elektroenergetycznych realizowane są najczęściej w oparciu o układy prądu stałego. Układy sterowania rozdzielnic niskiego oraz średniego napięcia zasilane są najczęściej napięcie 110VDC lub 220VDC.

Istnieje wiele zbieżności pomiędzy układami prądu stałego stosowanymi w energetyce zawodowej oraz w przemyśle. Nie ma jednak jednego standardu, ponieważ struktury układów prądu stałego uzależnione są od rodzaju odbiorów, wymagań niezawodnościowych oraz serwisowych. 

Niezależnie od budowy każdy układ bazuje na trzech podstawowych elementach:

• zasilacze buforowe,
• baterie akumulatorów,
• układ kontroli doziemiena,
• rozdzielnice prądu stałego.

Zasilacze buforowe

Zasilacze buforowe stanowią fundament nieprzerwanej pracy i stabilności napięcia w zaawansowanych systemach, w tym w automatyce przemysłowej. Ich główną funkcją jest zapewnienie niezakłóconej ciągłości zasilania dla krytycznych obwodów oraz nadzorowanie pracy baterii akumulatorów. , a we współpracy z bateriami akumulatorów nawet w sytuacji tymczasowego braku lub awarii zasilania z sieci.

Rozumienie mechanizmu działania tych urządzeń jest niezbędne. Łączą one w sobie zaawansowane technologie prostownika z możliwością utrzymania zasilania z akumulatorów podczas awarii sieci. W warunkach standardowej eksploatacji, zasilacze buforowe przekształcają napięcie sieciowe na pożądane napięcie stałe, jednocześnie zarządzając procesem ładowania dołączonych baterii. W rezultacie, przy zaniku napięcia sieci, urządzenie bezproblemowo przełącza się na zasilanie z akumulatorów, gwarantując bezproblemowe funkcjonowanie podłączonych systemów.

Istotne jest podkreślenie, że zasilacze buforowe są dostosowane do pracy w trudnych, wymagających warunkach. Wyróżniają się one wysoką efektywnością, zdolnością do funkcjonowania w rozległym zakresie temperatur i odpornością na chwilowe przeciążenia. Oferują również szereg funkcji zabezpieczających, w tym ochronę przed przeciążeniem, zwarciem oraz głębokim rozładowaniem akumulatorów.

Zaawansowane metody ładowania i monitorowania stanu baterii są możliwe dzięki wykorzystaniu technologii IGBT oraz mikroprocesorowego kontrolera DSP. Te innowacje zapewniają wysoką efektywność i niezawodność systemów zasilania awaryjnego oraz przyczyniają się do przedłużenia żywotności akumulatorów poprzez optymalizację procesu ładowania.

Przykładowa budowa

Zasilacze buforowe pracujące na potrzeby Rozdzielnic Prądu Stałego (RPS) zasilane są najczęściej z sieci trójfazowych. Na wejściu wyposażone są w filtry EMC typu LC. Następnie poprzez układ wstępnego ładowania zasilany jest sterowany prostownik diodowo-tyrystorowy. Aby zapewnić odpowiednią jakość oraz stabilność napięcia wyjściowego w układzie pośrednim może znajdować się filtr wygładzający, falownik tranzystorowy oraz transformator wysokiej częstotliwości. Tak zmodulowany sygnał przechodzi ponownie przez prostownik wyjściowy z filtrem wyjściowym LC.

Całość układu jest sterowana przez sterownik mikroprocesorowy umożliwiający korektę wielu parametrów pracy oraz charakterystyk ładowania baterii akumulatorów.

Funkcje zasilaczy buforowych

Zasilacze buforowe, oprócz zapewnienia ciągłości zasilania, oferują zaawansowaną funkcję stabilizacji napięcia wyjściowego, adaptując je termicznie do potrzeb baterii. Wykorzystują do tego sondę termiczną, która monitoruje temperaturę otoczenia baterii, co pozwala na automatyczną kompensację napięcia buforowego. Takie dopasowanie zapewnia optymalne warunki ładowania, utrzymanie baterii w stanie pełnego naładowania oraz gotowości do pracy w sytuacji awaryjnego odcięcia zasilania. Dodatkowo, zasilacz buforowy wykonuje cykliczne testy ciągłości obwodu baterii, co zwiększa niezawodność całego systemu zasilania buforowego.

Ładowanie samoczynne

Ładowanie samoczynne jest procesem, który uruchamia się automatycznie w przypadku częściowego lub całkowitego rozładowania baterii, np. w wyniku zaniku napięcia zasilającego. Prostownik wtedy inicjuje ładowanie baterii do maksymalnego napięcia (Umax), aby jak najszybciej przywrócić jej pełną funkcjonalność i gotowość do działania w przypadku kolejnej awarii zasilania. Ta funkcja jest szczególnie ważna w systemach krytycznych, gdzie nieprzerwane zasilanie jest kluczowe dla bezpieczeństwa i ciągłości operacji.

Ładowanie dozorowane

Ładowanie dozorowane, jest trybem pracy wykorzystywanym głównie przy współpracy z otwartymi bateriami kwasowymi. W tym trybie, prostownik umożliwia przeprowadzenie dodatkowego ładowania wyrównawczego baterii do wyższego napięcia (np. 2,7 V/ogniwo), które jest niezbędne do utrzymania optymalnego stanu baterii. Jest to proces, który powinien być prowadzony zgodnie z zaleceniami producenta baterii i wymaga obecności personelu obsługującego, aby monitorować proces ładowania i zapewnić bezpieczeństwo operacji.

Nie zalecane jest wykonywanie ładowania dozorowanego w przypadku podłączenia odbiorów i baterii na wspólną szynę. Wynika to z faktu konieczności pracy baterii przy podwyższonym napięciu np. 2,7 V/ogniwo, co przy 53 ogniwach (napięciu nominalnym 110V DC) może doprowadzić do uszkodzenia urządzeń.

Baterie akumulatorów

Rodzaje baterii akumulatorów

Układy prądu stałego praktycznie oparte są o baterie kwosowo-ołowiowe. W zdecydowanie większości sa to baterie klasyczne z elektrolitem ciekłym.

Baterie stosowane w układach prądu stałego

GRoE (Grooved Plate) 

Akumulatory typu GRoE charakteryzują się płytkami wykonanymi z lanego ołowiu. Aktywna masa (PbO2) jest formowana przez utlenianie płyt. Lamelowa struktura zapewnia kontakt aktywnej masy z elektrolitem na dużej powierzchni. Zwiększenie powierzchni aktywnej i wpływa na poprawę przewodnictwa elektrycznego między elektrolitem a płytami. Konstrukcja ta ma na celu optymalizację wydajności i zwiększenie trwałości akumulatora, szczególnie w zastosowaniach wymagających szybkiego ładowania i rozładowania. Są one często stosowane w zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych. 

OGi (Orbital Grid)

Akumulatory OGi posiadają unikalną konstrukcję siatki orbitalnej, która zapewnia lepszą stabilność mechaniczną i elektryczną płytek. Ta technologia zwiększa odporność akumulatorów na wibracje i udary, co jest szczególnie ważne w zastosowaniach mobilnych i przemysłowych. Konstrukcja siatki orbitalnej przyczynia się również do równomiernego rozkładu elektrolitu, co zwiększa żywotność i niezawodność akumulatora.

OPzS (Stacjonarne ołowiowo-kwasowe)

Akumulatory OPzS to tradycyjne, stacjonarne akumulatory ołowiowo-kwasowe, w których ołowiane pręty razem z masą aktywną umieszczone są w rurkach. Charakteryzują się one dużą trwałością i są zdolne do długotrwałej pracy przy głębokich cyklach rozładowania. Płyty w akumulatorach OPzS są zaprojektowane do maksymalizacji żywotności i wydajności w ciągłym użytkowaniu.

Najczęściej w układach prądu stałego można spotkać baterie typo GRoE lub OPzS.

Pomiar prądu baterii akumulatorów

Stan baterii akumulatorów, tj. prąd ładowania, prąd obciążenia jest stale monitorowany przez zasilacze buforowe.

Istnieją dwa sposoby pomiaru prądu

• Wewnętrzny pomiar prądu
  Bateria akumulatorów podłączona jest bezpośrednio do zasilacz buforowego – przetwornik pomiarowy jest elementem zasilacza.

• Zewnętrzny pomiar prądu
  Bateria akumulatorów połączona jest do szyn rozdzielnicy prądu stałego poprzez przetwornik pomiarowy (tzw. LEM), który umożliwia pomiar prądu przez zasilacz.

Układ kontroli doziemienia

W sieciach prądu stałego, w szczególności przy zastosowaniu klasycznych baterii akumulatorów istotne jest ciągłe kontrolowanie stanu izolacji układu, tym samym kontrolując doziemienia w układzie. Układ kontroli doziemienia w sieciach IT pełni kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa i niezawodności pracy sieci elektrycznych. Dzięki nowoczesnym technologiom monitorowania stanu izolacji i systemom lokalizacji doziemień, możliwe jest szybkie wykrywanie i eliminowanie potencjalnych zagrożeń, co ma istotne znaczenie w miejscach, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność zasilania.

Zasada działania i funkcje układu kontroli doziemienia

Układ kontroli doziemienia w sieciach IT (izolowanych) ma za zadanie monitorować stan izolacji sieci, aby zapewnić jej bezpieczeństwo i niezawodność. W sieciach IT, pierwsze doziemienie nie powoduje wyłączenia, co jest kluczowe dla miejsc wymagających wysokiego stopnia niezawodności. Do monitorowania stanu izolacji stosuje się urządzenia takie jak:

• Urządzenia stałej kontroli stanu izolacji (MD),
• Systemy lokalizacji uszkodzenia izolacji,
• Nadprądowe urządzenia zabezpieczające,
• Urządzenia ochronne różnicowoprądowe (RCD).

Nowoczesne izometry, wykorzystujące adaptacyjny algorytm pomiaru, są w stanie pracować w sieciach AC, DC oraz mieszanych, wykrywając doziemienia symetryczne i niesymetryczne. Są one wyposażone w funkcje umożliwiające programowanie różnych wartości alarmowych rezystancji izolacji, co pozwala na wczesne wykrycie degradacji izolacji i podjęcie działań prewencyjnych.

Zagrożenia związane z wystąpieniem doziemień

Doziemienia w sieciach prądu stałego IT mogą prowadzić do szeregu niebezpiecznych sytuacji, w tym:

• Niezamierzone wyłączenie zasilania,
• Ryzyko pożaru,
• Ryzyko porażenia elektrycznego,
• Błędy w sterowaniu,
• Zniszczenie urządzeń.

W przypadku wystąpienia pierwszego doziemienia, konieczne jest szybkie zlokalizowanie i usunięcie awarii, aby uniknąć drugiego doziemienia, które w innym biegunie może prowadzić do wyłączenia zasilania i poważnych awarii. Systemy lokalizacji doziemień umożliwiają szybkie zidentyfikowanie miejsca uszkodzenia, co jest kluczowe dla utrzymania ciągłości pracy i bezpieczeństwa sieci.

Struktury systemów zasilania gwarantowanego

Samo zapewnienie układu napięcia gwarantowanego na potrzeby obwodów wtórnych rozdzielnicy jeszcze nie stanowi i poziomie niezawodności. Wszystko rozbija się o strukturę układu, o układ połączeń wszystkich elementów.

Mnogość rozwiązań w tym zakresie jest bardzo duża. Jednak sa dwa układy, które są często stosowane i zapewniają odpowiedni poziom niezawodności.

Redundancja po stronie zasilaczy buforowych

W tym przypadku mamy układ, w którym redundancję zapewniamy po stronie zasilaczy buforowych, jednocześnie możemy zapewnić ich zasilanie z dwóch niezależnych sekcji zasilających.

Zasilacze buforowe pracują na wspólną szynę Rozdzielnicy Prądu Stałego (RPS). Mogą pracować równolegle lub przy niezrównoważeniu napięciowym (tzn. jeden ma minimalnie wyższe napięcie od drugiego).

Pomiar prądu baterii akumulatorów realizowany jest przez oba zasilacze. 

Pełna redundacja układu

W tym układzie mamy zapewnioną pełną redundancję zarówno po stronie zasilaczy buforowych, jak i baterii stacyjnych, a odbiory podłączone są do dwusekcyjnej Rozdzielnicy Prądu Stałego (RPS). 

Każdy z zasilaczy powinien być zasilony z oddzielnych sekcji zasilających w rozdzielnic niskiego napięcia oraz współpracuje ze swoją baterią akumulatorów. Praca obu zasilaczy jest w pełni autonomiczna. 

Układ taki zapewnia duże możliwości serwisowe oraz stanowi pełną redundancję po stronie zasilania gwarantowanego.

Poziomy napięć

Przyjmuje się standardowo wartość napięcia w układach prądu stałego na poziomie 110VDC oraz 220VDC.

Jednak ze względu na specyfikę układu oraz pracę z bateriami akumulatorów – stały poziom napięcia w układach jest inny.

W zależności od ilości ogniw baterii akumulatorów oraz rodzaju zastosowanych monobloków napięcie oscyluje w różnych wartościach.

Dla przykładu:

System zbudowany w oparciu o baterię akumulatorów z monoblokami 4V, przy założeniu napięcia buforowego baterii 2,23V/ogniwo utrzymuje stałe napięcie w układzie na poziomie ok 120VDC. W zależności ilości monobloków.

W przypadku stosowania ogniw 2V, najczęściej wykorzystuje sie 53 ogniwo utrzymując tym samym napięcie 118,2V w układzie.

Wynika to z konieczności zapewnienia napięcia w sieci w trakcie rozładowania baterii na poziomie nie niższym niż -15% (93,5 VDC), co przy założeniu dopuszczalnego rozładowania baterii akumulatorów do poziomi 1,8V/ogniwo daje wartość 95,4 VDC.