Простои оборудования связи в телекоммуникационной отрасли влекут за собой весьма крупные финансовые потери, а потому защита от сбоев в электроснабжении имеет критическое значение.
"Все, что создано народом, должно быть надежно защищено".
Л. И. Брежнев

Несмотря на некоторую статичность фундаментальных технологий обеспечения качественного непрерывного энергоснабжения, они с успехом справляются со стоящими перед ними задачами. Интерес к соответствующему оборудованию остается традиционно высоким, хотя бы в силу того, что нарушения в работе электросети — явление неистребимое. В последнее десятилетие в нашей стране наблюдается неутешительная тенденция в области электроснабжения: происшествия случаются чаще, носят масштабный характер и имеют все более тяжелые последствия. Бурно развивающаяся телекоммуникационная отрасль, значительная часть оборудования которой питается от постоянного тока, несет не только громадные прямые финансовые потери от простоев из-за нарушений электроснабжения, но и косвенные — вследствие ухудшения репутации компаний, предоставляющих услуги связи. Серьезные претензии связистов к энергетикам вполне обоснованы, поскольку эксплуатация электросетей осуществляется на договорных условиях организациями, занимающимися электроснабжением, а эти условия диктуют энергетики.

Данные о работе российских промышленных электросетей не внушают оптимизма: нарушения нормальной подачи электропитания происходят в среднем четыре раза в сутки. При этом наиболее часто встречающийся тип нарушений — это провалы напряжения (73% всех происшествий), иногда они оборачиваются полным исчезновением напряжения длительностью до 30 с (4%). Причиной сбоев могут стать повышенное напряжение и импульсные перенапряжения вследствие грозовых разрядов и электромагнитных импульсных помех от высоковольтных линий (8%). На протяжении последних десяти лет, когда значительно возрос объем подключаемой к электросети нелинейной нагрузки, серьезную проблему представляют гармонические искажения и нестабильность частоты (12%), а также длительные перерывы в подаче напряжения (2%).

Нарушения в работе электросети ведут к сбоям в работе оборудования связи и отказам автоматических систем ввода резерва, досрочно выходят из строя аккумуляторные батареи, из-за перенапряжения случаются пробои кабелей, абонентских кроссов. Высокое напряжение нередко становится причиной пожаров на телефонных узлах связи. К сожалению, уже систематическими стали так называемые плановые отключения электроэнергии — на предприятиях электросвязи они длятся от получаса до полусуток.

В статье рассматриваются вопросы применения систем электропитания постоянного тока для защиты оборудования связи.

СЛАБОЕ ЗВЕНО

Отечественные стандарты задают уровень качества электроэнергии в сетях общего назначения, а также периодичность контроля и длительность измерений параметров (ГОСТ 13109-97). Согласно этому документу, разрешенное значение отклонения напряжения от номинала 220 В составляет 5%, а предельно допустимое — 10%, отклонение частоты не должно выходить из диапазона 50?0,2 Гц, а предельно допустимое отклонение составляет 0,4 Гц. При этом контроль электросетей необходимо проводить дважды в год или чаще (до одного раза в два года) продолжительностью не менее 24 ч (рекомендуемая длительность — семь суток).

Руководством для проведения мероприятий по проверке параметров электрических сетей служат «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (РД 153-34.0-15.501-00). Энергоснабжение объектов определяется действующим на территории РФ нормативным документом «Правила устройства электроустановок». Этот документ определяет I, II и III категории объектов, а также выделяет объекты особой группы I категории и описывает требования к их электроснабжению. Однако не секрет, что из-за неблагоприятных условий электроснабжения в регионах реальная категория некоторых объектов электросвязи в действительности ниже.

В настоящее время в связи с угрозой техногенных катастроф в печати широко обсуждается проблема массового старения оборудования; непосредственное отношение, хотя и с меньшими последствиями, она имеет к телекоммуникационному оборудованию. Во многих организаций электросвязи, вплоть до районных узлов, до сих пор эксплуатируется значительное количество агрегатов питания (в том числе выпрямительного оборудования и аккумуляторных батарей), установленные сроки эксплуатации которых давно прошли. Хуже всего укомплектованы объекты связи в сельских сетях. Последние зачастую не дублируются и обеспечивают энергоснабжение только в соответствии с низшей категорией.

Между тем ущерб от простоев оборудования становится недопустимо большим в связи с быстрым ростом телекоммуникационной отрасли, активизацией процессов конвергенции стационарных и подвижных сетей связи, интеграцией ресурсов сетей с коммутацией каналов и сетей пакетной передачи, резким увеличением количества пользователей сотовых сетей и предоставлением широкому кругу пользователей большого перечня разнообразных услуг. Приводимые на сайте Redbooks статистические данные свидетельствуют о том, что один час простоя предприятий телекоммуникационной отрасли в США обходится в среднем в 2 млн долларов. Несомненно, для отечественной телекоммуникационной отрасли потери не менее болезненны (хотя непосредственные убытки, как правило, гораздо меньше), поэтому защита электропитания оборудования на предприятиях электросвязи становится не просто важной, а стратегической задачей.

Основные требования к организации системы электроснабжения объектов связи заключаются в надежности оборудования, наличии сертификатов Министерства связи РФ, оптимальном соотношении качества и стоимости предлагаемого комплексного решения. Нестандартные условия, в которых приходится действовать российским подрядчикам при строительстве новых, а также эксплуатации и реконструкции существующих систем связи, требуют точного расчета и высокого профессионализма.

БАТАЛЬОНЫ ПРОСЯТ ОГНЯ

Телекоммуникационная отрасль — одна из наиболее интенсивно развивающихся, причем этот процесс набирает силу не только в Москве и Санкт-Петербурге, но и в регионах. Как сообщил глава Министерства связи и информатизации Леонид Рейман на открытии в конце марта третьей Международной конференции «Связь и инвестиции в России», в текущем году ожидается увеличение объема российского телекоммуникационного рынка до 10 млрд долларов (в 2001 г. его объем составил 8,5 млрд долларов). В 2002 г. в отрасль вложено более 2,1 млрд долларов, а в нынешнем инвестиции вырастут еще на 10—12%.

Основными потребителями электропитающих установок (ЭПУ) являются традиционные операторы телефонной связи, операторы сотовой, альтернативной, ведомственной и корпоративной связи, провайдеры Internet. Заинтересованы в обеспечении качественного энергоснабжения постоянным током и операторы, занимающиеся эксплуатацией офисных АТС.

На телекоммуникационном рынке существует серьезная конкуренция: услуги связи предоставляют такие известные компании и холдинги, как МГТС, «Система Телеком», «Ростелеком», «Комбеллга», «Комкор», «Эквант», «Голден-Телеком», ГКНПЦ им. Хруничева (спутниковая связь «Иридиум»), «ГлобалТел» (спутниковая связь «Глобал Стар»), «Газсвязь», «СпецГазАвтоматика», ЦСС МПС, «Компания ТрансТелеком», РКК «Энергия», «СвязьТранснефть», «Мобильные ТелеСистемы», «Московская Сотовая Связь», «ВымпелКом» («Билайн»), «Персональные коммуникации» («Сонет») — всех не перечислить. К примеру, «Ростелеком» в минувшем году потеряла многих корпоративных клиентов, которые предпочли альтернативных операторов, хотя тарифы практически не повышались. В жесткой конкурентной борьбе компаниям приходится обращаться к внутренним резервам, поэтому их основная задача — обеспечить своих клиентов качественной бесперебойной связью. Одно из условий ее выполнения — бесперебойное электроснабжение.

В соответствии с требованиями Министерства связи телекоммуникационное оборудование традиционных операторов в общем случае должно обеспечиваться питанием от четырех источников: двух независимых взаимно резервирующих фидеров от электроподстанции, передвижной дизельной электростанции (ДГУ) и ЭПУ, укомплектованной аккумуляторными батареями. Специфика телекоммуникационной отрасли диктует повышенные требования к агрегатам электропитания — они должны гарантировать достаточно длительное (измеряемое в часах) время автономной работы телекоммуникационного оборудования, которое необходимо для доставки до объекта и запуска альтернативного источника (дизель-генератора) либо для доставки аккумуляторных батарей с ближайшего склада и их замены. Операторы сотовой и ведомственной связи вынуждены выполнять еще более жесткие требования: нередко мощные ретрансляторные станции, чье оборудование питается от постоянного тока, размещаются в отдаленных и труднодоступных районах, и тогда техника должна сохранять работоспособность не менее суток, а иногда и неделю, пока не подоспеет помощь.

Как правило, телекоммуникационное оборудование (телефонные станции) имеет вход для подключения к источнику переменного тока 220 В, наряду с возможностью подключения к источнику постоянного тока. Мы рассмотрим применение источников постоянного тока только для обеспечения работы телекоммуникационного оборудования, хотя оно может оказаться полезным и в других областях, например в нефтегазовой отрасли для автоматического управления задвижками на трубопроводе.

Номинальное напряжение питания телекоммуникационного оборудования чаще всего имеет значения: -24 В, -48 В, или -60 В. Номинал -24 В используется в 28% случаев, а на долю -48 В и -60 В приходится 70% подключений. Иные номиналы встречаются реже: например, на электростанциях или тяговых подстанциях железных дорог техника питается от постоянного напряжения 110 В и 220 В.

Введенный в действие в 1999 г. отраслевой стандарт ОСТ 45.55-99 «Системы и установки питания средств связи ВСС Российской Федерации. Термины и определения» устанавливает термины и определения понятий в области оборудования питания связи. Действующий с марта 2001 г. стандарт ОСТ 45.183-2001 «Установки электропитания аппаратуры электросвязи стационарные. Общие технические требования» определяет общие технические требования на стационарные установки электропитания и должен применяться при их разработке, производстве и сертификации. Этот стандарт, в частности, регламентирует установившееся напряжение на выходах ЭПУ: его значение не должно превышать +4/-3,6 В для номинала 24 В; +9/-7,5 В для номинала 48 В; +12В для номинала 60 В.

ВЫБОР ОРУЖИЯ

Параметр, оценивающий надежность систем бесперебойного и гарантированного электропитания, получил название «наработка на отказ». Эта характеристика определяется отсутствием непредвиденных выходов установленных эксплуатационных значений из заданных пределов, соответствующих необходимым режимам и условиям технического обслуживания. Специфика телекоммуникационной отрасли диктует повышенные требования к надежности системы и длительности автономной работы от батарей. Использование ЭПУ в таком случае оправданно, поскольку устройства имеют ряд преимуществ перед классическими источниками бесперебойного питания, ИБП (Uninterruptable Power Supply, UPS) переменного тока.

По сравнению с ИБП электропитающая установка более проста с конструктивной точки зрения (см. Рисунок 1): она представляет собой выпрямитель, к выходу которого подключена нагрузка. В буфере между ЭПУ и нагрузкой устанавливаются батареи. Когда входное напряжение отклоняется за пределы допустимого диапазона, питание нагрузки без переходных процессов переключается на батареи и становится автономным. В ЭПУ отсутствует такая составная часть ИБП, как инвертор, а также байпас.

Рисунок 1. Принципиальная схема ЭПУ.

В конструкции ЭПУ применяется модульный принцип построения с резервированием N+1 активных компонентов — независимых выпрямительных модулей. В случае выхода из строя одного из модулей система остается работоспособной, поскольку нагрузка равномерно распределяется между остальными выпрямительными модулями.

В ЭПУ предусмотрено не только резервирование выпрямительных модулей, но и резервирование аккумуляторных батарей — используется не одна группа батарей, а две-три или даже четыре (больше четырех групп обычно ставить не рекомендуется). Благодаря этому система может довольно долго обеспечивать бесперебойным электропитанием нагрузку. Время автономной работы от ИБП существенно меньше (емкость аккумуляторных батарей ограничена мощностью встроенного зарядного устройства). Так как ЭПУ является одновременно и зарядным устройством для аккумуляторных батарей, то увеличение емкости аккумуляторных батарей, а следовательно, и времени автономной работы не вызывает никаких сложностей: достаточно лишь увеличить выходную мощность системы путем инсталляции дополнительных выпрямительных модулей. Исполнение ЭПУ, как правило, в виде стоек или шкафов (настенных и напольных); аккумуляторные батареи могут быть размещены как в одном шкафу с ЭПУ, так и отдельно на стеллажах.

Помимо выпрямителей и аккумуляторов в таких системах обязательно присутствует модуль управления и мониторинга, включая удаленное управление. Управление может осуществляться через интерфейсы V.11, RS-232, RS-485, адаптер SNMP, порт USB. Стандартно ЭПУ комплектуются следующими блоками: блок защиты батареи от глубокого разряда (Low Voltage Battery Disconnect, LVBD) и блок корректировки напряжения подзаряда батареи в зависимости от температуры. При необходимости может быть установлен блок отключения неприоритетной нагрузки (Low Voltage Load Disconnect, LVLD).

За счет отсутствия в ЭПУ инвертора и байпаса, ЭПУ более компактны по сравнению с ИБП. В тех случаях, когда кроме основного оборудования (подключенного к ЭПУ) имеется дополнительное, питающееся от переменного тока 220 В (компьютеры, система освещения, системы сигнализации и проч.), в качестве преобразователя DC/AC (постоянное напряжение/переменное на-

пряжение) может использоваться инвертор. Диапазон входных напряжений для ЭПУ расширен, по сравнению с ИБП. Например, в новых системах электропитания средней мощности FlatPack производства компании Eltek (Норвегия) диапазон входного напряжения составляет от 86 до 300В (фазное напряжение).

На российском рынке представлено оборудование многих зарубежных производителей: Emerson Energy Systems, Benning, Eltek, ASCOM Energy Systems, Voigt& Haeffner, ABB, APC, Power-One (прежде Powec), Invensys Powerware (оборудование Intergy), AEG SVS Power Systems, SAFT Power Systems, Harmer+Simmons (три последние входят в состав Alcatel) и др.

Отечественный системный интегратор, компания NeuHaus Group, выполняет крупные проекты для телекоммуникационных компаний на базе оборудования известного норвежского производителя Eltek. Продукцию основанной в 1976 г. американской компании Alpha Technologies, которая владеет 100% акций канадской компании Argus, поставляет на российский рынок MAS Electronik. Продукцию Emerson Energy Systems в виде «общего энергетического решения» и в виде отдельных компонентов предлагает компания «Стинс Корп.». Специалисты отечественного интегратора «Aлас» используют в своих проектах системы постоянного тока финской компании Efore; ЭПУ производства AEG SVS Power Systems через своего партнера Dissolt на российский рынок поставляет дистрибьютор «Абитех». Оборудование Elteco, как типовое, так и под заказ, собирается на заводе в Словакии из импортных комплектующих; представительство в России открыто в 1995 г.

APC, крупнейший американский производитель источников бесперебойного питания, в 2000 г. приобрела за 75 млн долларов британскую компанию-изготовителя источников постоянного тока Advanced Power, входящую в состав Advanced International Group. Электротехническое оборудование последней появилось на территории Советского Союза во время Второй мировой войны: радиостанции, установленные на поставляемых по ленд-лизу штурмовиках-истребителях, питались от выпускаемых ею систем.

На российском рынке широкое распространение получили электропитающие установки Юрьев-Польского завода «Промсвязь» (его источники постоянного тока обеспечивают бесперебойным питанием 75% оборудования ОАО «Электросвязь»). Источники постоянного тока производят такие предприятия, как «Связь Инжиниринг», «Источник» (г. Казань), завод «Инвертор» в Оренбурге, Саранский завод «Конвертор». В 2002 г. источники постоянного тока появились в перечне оборудования, производимого компанией «Эримекс — Комплексные электросистемы», как результат совместной инициативы Invensys Powerware, «Эримекс» и РИРВ.

Специалисты отмечают, что отечественные ЭПУ постоянного тока, изготовленные в «Промсвязи», просто настраиваются, удобны в обслуживании, имеют стабильные электрические характеристики, но им свойственны недостатки, присущие всей отечественной технике, причина которых кроется в недостаточном контроле за качеством производства. К конструктивным недостаткам можно отнести неудачное расположение выключателей нагрузок и способ подключения аккумуляторных батарей. Однако в целом эти устройства работают устойчиво и довольно перспективны, особенно в сельских сетях. К тому же они недороги и сопровождаются полным комплектом документации, что позволяет организовать обслуживание и ремонт агрегатов на уровне районного узла.

ОГОНЬ — БАТАРЕЯ!

В системе защиты электропитания связного оборудования наиболее ответственным, дорогим и требующим попечительства звеном являются аккумуляторные батареи. Они представляют собой два или более элемента (аккумулятора), соединенных последовательно или параллельно. Параллельное соединение между собой положительных и отрицательных полюсов всех элементов позволяет составить батарею с напряжением, равным номинальному напряжению одного элемента, и емкостью, равной сумме емкостей объединенных в ней элементов. При последовательном соединении напряжение батареи определяется разностью потенциалов на электродах первого и последнего аккумуляторов. Общепринятые значения напряжения для аккумуляторных батарей — 2, 4, 6, 12 В.

На рынке представлены самые разные типы аккумуляторных батарей. Кислотные и щелочные различаются химическим составом электролита; свинцовые, никель-кадмиевые, железно-никелевые, серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые, никель-цинковые — материалом, из которого изготовлены электроды. Наиболее известные типы электродных пластин — пастированные (намазные, панцирные, коробчатые) и пластины в виде радиатора (plante).

Основные параметры, по которым типы аккумуляторных батарей отличаются друг от друга: удельная энергия на единицу массы или объема; срок службы (измеряется длительностью эксплуатации или числом циклов), срок хранения (с электролитом и без него), скорость самозаряда, глубина разряда, диапазон рабочих температур, стоимость и др. Наиболее дорогие — серебряно-никелевые и серебряно-кадмиевые, при этом они обладают наилучшими показателями удельной энергии. Благодаря тому что свинцовые батареи более дешевы, в нашей стране они пользуются наибольшим спросом. При выборе батарей очень важно учитывать, в каких условиях они будут эксплуатироваться. На АТС малой номерной емкости преобладают щелочные аккумуляторы — они компактнее, имеют более высокую удельную энергию и мощность, длительный срок хранения.

Не вдаваясь подробно в конструктивные особенности, отметим лишь, что наиболее распространенные свинцовые аккумуляторы встречаются как в обычном, так и в герметизированном (sealed), или, как еще говорят, «необслуживаемом» (maintenance-free) исполнении. Последний термин может ввести в заблуждение, поскольку таковыми аккумуляторы являются лишь с точки зрения обслуживания жидкого электролита. Батареи — это звено ЭПУ, которое не рекомендуется оставлять надолго без присмотра. В процессе заряда, например, обычных свинцово-кислотных батарей вода из электролита в результате происходящей реакции превращается во взрывоопасную смесь кислорода и водорода, выделяемую в атмосферу. Поэтому очень важна правильная эксплуатация таких батарей: необходимо предусмотреть дополнительную вентиляцию и периодически доливать дистиллированную воду для восполнения ее расхода.

Срок службы аккумулятора в значительной степени зависит от условий его содержания, квалификации и ответственности персонала, ведь нередки случаи, когда о батарее вспоминают только в случае отказа оборудования. Между тем превышение рекомендуемого напряжения подзаряда на каждые 0,1 В на один элемент сверх расчетного сокращает срок службы батареи примерно в два раза. Превышение же допустимых зарядных и разрядных токов приводит к изгибу и механическому разрушению пластин. Разряд малыми токами увеличивает отдаваемую мощность и повышает конечное напряжение элемента. Особенно опасны для батарей — глубокий разряд и хранение в разряженном состоянии: это приводит к оседанию на пластинах нерастворимых кристаллов солей и, в конечном счете, к порче аккумулятора.

Во время нагрева все химические процессы протекают более интенсивно: при повышении температуры на 7—100C срок службы аккумуляторных батарей уменьшается в два раза. Поэтому их снабжают температурными датчиками, а напряжение подзаряда корректируется в зависимости от показателей. Если батареи и выпрямитель размещены отдельно друг от друга, то датчик температуры подсоединяется через удлинительный шнур. Однако это расстояние не должно превышать 10 м, иначе рассеивание мощности системы становится недопустимо высоким. Наибольший срок службы и оптимальные характеристики батареи обеспечиваются при температуре +20-250C и хорошей вентиляции. Для батарей FIAMM, например, рекомендуемая температура хранения не должна превышать +320C. В принципе, они могут применяться и в более широком температурном диапазоне, но в этом случае их характеристики и продолжительность функционирования будут существенно снижены. В более прохладных помещениях срок службы несколько увеличивается, но отдаваемая мощность сокращается на 1-2% на каждый градус.

Рисунок 2. График зависимости напряжения подзаряда элемента батареи от температуры.

Если батареи устанавливаются в специальном шкафу, в нем нужно предусмотреть вентиляционные отверстия у основания и в верхней части, чтобы исключить возможность накопления паров водорода в случае нештатной ситуации, в частности при нарушении режима заряда батарей. Если размещение организовано на стеллажах, то их высота и ширина вместе с пространством для обслуживания должны обеспечивать достаточную вентиляцию.

При длительном хранении батареи со временем разряжаются, поэтому им требуется освежающая зарядка. (Работающие батареи постоянно подзаряжаются через выпрямитель.) Периодичность проведения подзаряда определяется заводом-изготовителем и оговаривается в ТУ на изделие. При соблюдении условий хранения для батарей с жидким электролитом периодичность подзаряда обычно составляет три месяца, для сухозаряженных батарей — до четырех лет, а для необслуживаемых — каждые полгода. Подзарядка может производиться в одном из трех основных режимов: дозированный, ускоренный и режим температурной компенсации.

При непрерывном дозированном подзаряде используется постоянное напряжение (для батарей FIAMM рекомендуется 2,27 В на элемент при +250C). Ускоренный заряд применяют только при необходимости, поскольку он оборачивается повышенным расходом воды из электролита, при этом происходит уменьшение его емкости и, как следствие, снижение срока службы батареи. (Быстрый заряд батареи FIAMM можно выполнить при напряжении на элемент до 2,4 В.) Чтобы оптимизировать срок службы и характеристики аккумулятора при эксплуатации или хранении в изменяющихся температурных условиях, зарядное напряжение на элемент должно быть скорректировано в соответствии с рекомендациями для каждого типа батарей (см. Рисунок 2). Правда, применение температурной компенсации лишь до некоторой степени позволяет уменьшить вредные воздействия температурных скачков, но полностью их последствия не устраняет.

Технология производства аккумуляторов развивалась в направлении уменьшения выделения газа и перехода на нетекучие формы электролита — такие устройства удобнее в перевозке, к тому же герметизированные аккумуляторы можно размещать в рабочих помещениях. Подавляющее большинство батарей комплектуется свинцово-кислотными герметичными необслуживаемыми аккумуляторами (Valve Regulated Lead Acid, VRLA) с использованием регулирующего клапана: он открывается при повышении давления внутри корпуса аккумулятора, что препятствует созданию повышенного давления внутри аккумулятора. Пониженное выделение газа и малый расход воды достигаются за счет химического процесса рекомбинации газов. (К выделению паров электролита и неблагоприятному воздействию на окружающую среду может привести, например, ускоренный заряд батареи.)

Герметизированные батареи различаются по типу электролита: гелевые и AGM. Технология Gelled Electrolite (Gel) была разработана в конце 50-х гг. и предусматривает добавление в электролит двуокиси кремния SiO2, в результате чего спустя несколько часов электролит превращается в желе со множеством пор и раковин, которые являются необходимым условием для обеспечения процесса рекомбинации. Технология Absortive Glass Mat (AGM) появилась в конце 70-х гг. и использует пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна, микропоры которого также удобны для обеспечения транспортных путей молекул кислорода с последующей рекомбинацией. Многие европейские заводы выпускают герметизированные аккумуляторы, как по технологии «гель», так и AGM. Завод Sonnenscheine больше внимания уделяет выпуску герметизированных аккумуляторов по технологии «гель»; концерн Hawker имеет серии аккумуляторов как по технологии «гель», так и по технологии AGM, как более современной.

По классификации EUROBAT (Ассоциация европейских производителей аккумуляторных батарей) необслуживаемые аккумуляторы различают в том числе и по сроку службы: существуют градации до 10 лет, 10—12 лет, 15 лет. К высшему уровню Long Life (до 15 лет) относятся аккумуляторы серии OpzV (концерн Hawker, концерн Exide, завод Sonnenscheine, серии Power Safe V, VF (Hawker), серии A400 (Sonnenscheine), серии SBS (Hawker) (до 20 лет срок службы), серия Compact Power (Oerlicon).

В настоящее время на предприятиях электросвязи наиболее распространены аккумуляторы таких производителей, как концерн Hawker (в его состав входят известные компании — Oldham, Varta, Chloride и др.), Sonnenscheine, C&D Technologies (ранее Johnson Controls), FIAMM, Hoppecke, Fulmen, Exide Technologies. Различные типы батарей имеют свои достоинства и недостатки. Например, из-за невозможности визуально проверить плотность (концентрацию серной кислоты) электролита и состояние пластин герметизированных батарей требуется тщательно и с высокой точностью контролировать поддержание напряжения заряда, сохранение зависимости напряжения от температуры, ограничение пульсации зарядного тока.

Несколько слов об аккумуляторных батареях отечественного производства. Поскольку материалы третьей Всероссийской конференции «Состояние и перспективы развития энергетики связи» были изданы небольшим тиражом и не всем доступны, приведем цитату из доклада А. М. Зенова, главного энергетика ОАО «Артелеком»: «Аккумуляторные батареи отечественного производства имеют всем известные недостатки. Большое количество потребляемой воды, низкое качество свинцовых «рубашек», как следствие — прогнивание деревянных сосудов. Применение эбонитовых баков превращает батарею в источник потенциальной опасности, так как через поры эбонита постоянно источается электролит. Батарею приходится менять, даже если она имеет еще достаточно хорошие электрические характеристики. Но справедливости ради надо сказать, что свою роль эти аккумуляторы выполнили полностью. И в эксплуатации они еще остались... Что касается импортных аккумуляторных батарей, то к ним никаких претензий по качеству не существует. Единственным препятствием к их повсеместному применению является цена. Приобретать аккумуляторную батарею типа OpzS необходимой емкости, даже для районного узла связи, очень накладно при нашем нынешнем финансовом положении отрасли, не говоря уже о том, чтобы закупить хорошие батареи для сельских АТС. Поэтому приходится балансировать на сочетании «цена/качество».

ТОЧНЫЙ РАСЧЕТ

Насколько оптимально будет функционировать система электропитания постоянного тока и как долго прослужат аккумуляторы, зависит, в первую очередь, от тщательности постановки задачи: чем более подробную спецификацию предоставит заказчик и чем меньше неизвестных в этом уравнении, тем проще решение. Особенно важно правильно рассчитать режим зарядки батареи: величину напряжения и тока зарядки в зависимости от мощности нагрузки, температурных условий, размерности всей системы и проч.

Для расчета ЭПУ, как правило, используются следующие начальные данные: диапазон и тип входного напряжения сети; выходное напряжение ЭПУ и его полярность; диапазон входных напряжений нагрузки, мощность нагрузки (рассчитывается из максимального энергопотребления) и перспективы ее увеличения; время автономной работы; расположение аккумуляторных батарей и выпрямителей (стеллаж, шкаф); условия резервирования; потребность в отключении неприоритетной нагрузки; система защиты от перенапряжений (уменьшает риск выхода из строя выпрямительных модулей при всплесках входного напряжения); необходимость в блоке термокомпенсации и отключении неприоритетной нагрузки. При наличии потребности в удаленном управлении следует определить тип интерфейса (например, «сухие контакты» или Web). Заказчик может указать, какие автоматы и предохранители он выбирает, и тогда, в зависимости от количества батарей, устанавливается мощность блока защиты от глубокого разряда. Подрядчик должен принять во внимание все детали, включая тип здания, в котором размещается система питания, расчет нагрузки на пол (здание может оказаться старым, с деревянными перекрытиями).

Каждый производитель предоставляет расчетные таблицы разрядных характеристик батарей, позволяющие, приняв во внимание время резервирования и расчетную емкость ячейки, посредством интерполяции подобрать нужный тип аккумуляторов. При определении типа шасси и мощности выпрямительных модулей обязательно учитываются ток подзарядки батарей и термокомпенсация. Не следует забывать, что для заряда батарей используется 10% их емкости, а к концу срока службы они, как правило, теряют около 20% емкости.

Во врезке «Пример расчета ЭПУ» приводится пример расчета системы постоянного тока. Во избежание излишних затрат при дальнейшей эксплуатации правильнее всего обратиться в компании, специализирующиеся в данной отрасли и имеющие за плечами большой опыт расчета и установки подобных систем.

За помощь в подготовке материала автор выражает благодарность руководителю проекта компании NeuHaus Group Дмитрию Тихомирову.

Наталья Жилкина — научный редактор «Журнала сетевых решений/ LAN». С ней можно связаться по адресу: nzil@lanmag.ru.

Пример расчета ЭПУ
Исходные данные — входное напряжение: 380 В, выходное напряжение: -48 В, диапазон сетевого напряжения: 190—260 В (фазное напряжение); мощность нагрузки 1600 Вт, в перспективе с ростом компании мощность нагрузки может увеличиться до 2200 Вт. Время автономной работы 8 ч при полной нагрузке (2200 Вт). Количество групп аккумуляторных батарей — две, тип батарей — герметизированные. В системе должен быть установлен один резервный выпрямительный модуль и предусмотрена защита от перенапряжений. Количество каналов распределения по выходу: 12 (три автомата 25 А, шесть автоматов 16 А, три автомата 10 А). Система комплектуется блоком защиты от глубокого разряда, блоком термокомпенсации. Исполнение: настенный шкаф. Расположение аккумуляторных батарей — на стеллажах, расстояние ЭПУ до батарей 4 м.

Расчет требуемой мощности электропитающей установки.

  1. Выбираются две группы по 24 элемента, на каждый из которых приходится 2200 : 48 = 45,8 Вт. Пользуясь таблицами разрядных характеристик батарей (см. Таблицу 1), выбираем две группы аккумуляторных батарей по 24 элемента Hawker PowerSafe 2VE225 емкостью 200 Аoч каждая (суммарная емкость 400 Аoч).
  2. подзаряда аккумуляторных батарей: 40 А (c учетом ограничения на 10% от емкости аккумуляторных батарей). Мощность на подзаряд: 40 А x 24 эл. x 2,27 В/эл. = 2179 Вт.
  3. Результирующая мощность ЭПУ для текущей нагрузки: 1600 + 2179 = 3779 Вт.
  4. Результирующая мощность ЭПУ для перспективной нагрузки: 2200 + 2179 = 4379 Вт.
  5. Поскольку диапазон входного сетевого напряжения не выходит из нормального рабочего диапазона выпрямительных модулей, мощность каждого модуля рассчитывается по номиналу.
  6. Количество каналов распределения: 12 + 2 батарейных предохранителя.
  7. На основании полученных данных выбираем шасси: первый вариант - система MPSU 6000 (до шести выпрямительных модулей SMPS 1000), второй вариант - система электропитания FlatPack MPSU 9000 (до шести выпрямительных модулей SMPS 1500).
  8. Первоначальная конфигурация включает: первый вариант - система MPSU 6000 с пятью выпрямительными модулями SMPS 1000 (при увеличении нагрузки - шесть выпрямительных модулей SMPS 1000); второй вариант - система FlatPack MPSU 9000 с четырьмя выпрямительными модулями SMPS 1500. Конфигурации выбраны с учетом резервирования N+1 выпрямительных модулей.
  9. системы устанавливаются в навесной шкаф 15U и комплектуются блоком защиты от глубокого разряда, датчиком термокомпенсации, двумя батарейными предохранителями (автоматами), блоком управления AL175 (MCU), комплектов варисторов (три фазы + нейтраль), системой распределения на 12 каналов.
Таблица 1. Мощность ячейки (в Ваттах).
Словарь терминов

Батарея — два или более элементов, соединенных последовательно или параллельно.

Емкость — количество электрической энергии, которое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в ампер?часах (А?ч) или кулонах.

Заряд — электрическая энергия, передаваемая элементу с целью преобразования в химическую энергию.

Компенсационный подзаряд — метод, при котором для приведения батареи в полностью заряженное состояние и поддержания ее в этом состоянии используется постоянный ток.

КПД аккумулятора — отношение количества электричества, которое он отдает потребителю, разряжаясь до установленного предела, к количеству электричества, полученному им при полном заряде.

Плавающий заряд — метод поддержания подзаряжаемой батареи в полностью заряженном состоянии путем подачи выбранного постоянного напряжения для компенсации в ней различных потерь.

Разряд — потребление электрической энергии от элемента во внешнюю цепь.

Глубокий разряд — состояние, в котором практически вся емкость элемента израсходована. Неглубокий разряд — это разряд, при котором израсходована малая часть полной емкости.

Сепаратор — материал, используемый для изоляции электродов друг от друга.

Элемент — базовый компонент, способный преобразовывать химическую энергию в электрическую. Элемент состоит из положительного и отрицательного электродов, погруженных в общий электролит.

Цикл — одна последовательность заряда и разряда элемента.

Ресурсы Internet
Технические характеристики и способы выбора оптимальной аккумуляторной батареи, способы заряда, восстановления, эксплуатации и продления срока использования аккумуляторных батарей подробно рассмотрены в книгах В. С. Лавруса «Источники энергии» и «Батарейки и аккумуляторы»; их можно найти по адресам: http://dgmi.edu.ua/~budkoff/books/NTL/rel03_w6.txt.htm, а также http://lib.nexter.ru/cat/l/LAVRUS01.htm.

Аналитические обзоры компании Venture Development, посвященные исследованию рынка оборудования для обеспечения гарантированного электроснабжения, размещены на сайте http://www.vdc-corp.com.