informeert TAD: Technologische AdviesDienst Beveiligingen in UPS-installaties Een perfect elektriciteitsnet zou een sinusoïdale spanning leveren die bovendien permanent aanwezig zou moeten zijn. In werkelijkheid wordt de spanning echter vervuild door harmonischen, dips, spikes, In het slechtste geval is er sprake van een volledige spanningsonderbreking. Om aan deze problematiek tegemoet te komen wordt gebruik gemaakt van UPS-systemen die permanent een geconditioneerde spanning afleveren. In dit artikel zal een overzicht gegeven worden van de verschillende configuraties en hoe men deze dient te beveiligen. 1. Algemeen Een UPS (Uninteruptable Power Supply), soms ook no-break genoemd, is een systeem dat in normale omstandigheden energie opslaat en deze weer vrijgeeft aan de belasting wanneer de spanning wegvalt. Bovendien wordt de spanning gezuiverd van harmonischen, spanningsdips of spikes die afkomstig zijn van het stroomopwaarts gelegen elektriciteitsnet. 2. Statische versus dynamische systemen Er wordt een onderscheid gemaakt tussen statische en dynamische (roterende) UPS-systemen. Statische UPS-systemen slaan de energie op in een batterij, roterende systemen maken gebruik van de massatraagheid van bv. een vliegwiel dat kortstondig energie levert aan de belasting tot bv. een dieselaggregaat is opgestart. Statisch systeem Op onderstaande figuur zijn een aantal mogelijke statische systemen weergegeven. Deze maken steeds gebruik van een invertor die de gelijkspanning afkomstig van de batterij omvormt naar een wisselspanning van 50 Hz. 1
Off-line: bij wegvallen van het net wordt de belasting van netvoeding overgeschakeld op batterijvoeding. Dit gaat echter gepaard met een kortstondige onderbreking waardoor dit systeem enkel geschikt is voor niet al te kritische belastingen. Aktief parallel: Spanningsvariaties kunnen opgevangen worden door de batterij die bij aanwezigheid van de netspanning door de wisselrichter wordt gevoed. Bij volledige netuitval zal de batterij de voeding van de belasting onderbrekingsvrij overnemen. On-line: Deze UPS werkt eveneens als filter waarbij storingen van het net niet tot aan de belasting geraken of omgekeerd. Bovendien is men verzekerd van een onderbrekingsvrije overschakeling van net- naar batterijvoeding. De gelijk- en wisselrichting van de spanning gaan wel gepaard met een continu energieverlies. Bij zeer kritische belastingen weegt dit niet op tegen de gevolgen van een netuitval. Dynamisch systeem 2
Vergelijking statisch vs. dynamisch systeem Statisch Compact Autonomie evenredig met aantal batterijen Weinig geluid Levensduur batterijen is eerder beperkt en daalt wanneer T > 25 C Performantie daalt wanneer T < 20 C Dynamisch Geschikt voor hoge vermogens Autonomie afhankelijk van brandstoftank Olie dient regelmatig ververst te worden Hoge warmteverliezen (kunnen eventueel nuttig gebruikt worden in WKK-installatie) Hoog kortsluitvermogen 3. Beveiliging Meestal geeft de fabrikant in zijn specificaties aan welke zekeringen, automaten of vermogenschakelaars gebruikt moeten worden om de (al dan niet gescheiden) inverter- en de bypassingang(en) te beveiligen alsook de batterijvoeding. Deze laatste is dikwijls al in het UPS-systeem geïntegreerd. In hetgeen volgt worden enkele richtinggevende methoden toegelicht voor het berekenen van de beveiligingen bij gebrek aan de benodigde specificaties en installatievoorschriften. Er wordt uitgegaan van de configuratie van onderstaande figuur (online statische UPS): 3.1. Beveiliging tegen overbelasting van de UPS De beveiliging tegen overbelasting kan berekend worden aan de hand van volgende formule: S = v3 * Un * In S: Het nominaal vermogen van de UPS bv. 50 kva 3
Un: De nominale gebruiksspanning bv. 400 V In: De nominale stroom In In= S / v3 *Un = 50.000 / v3*400 = 72 A Voor de beveiliging kan gebruik gemaakt worden van een regelbare vermogenschakelaar waarvan de thermische beveiliging wordt ingesteld op 72 A. 3.2. Beveiliging van de leidingen tegen kortsluiting Het kortsluitvermogen dat de inverter kan leveren aan een kortsluiting is beperkt tot enkele malen de nominale stroom In. Dit vermogen is niet altijd voldoende om de kortsluitbeveiligingen (bv. automaten) tijdig te doen uitschakelen. Dit zou kunnen leiden tot beschadiging van de leidingen. De UPS zelf is wel beschermd tegen kortsluitingen door middel van een interne overstroombeveiliging. Wanneer deze uitschakelt worden echter alle verbruikers zonder spanning gezet en verliest men dus de selectiviteit. Voorbeeld Stel dat de inverter gedurende 1 s een vermogen kan leveren van 2,2 x In = 158 A vooraleer hij automatisch uitschakelt via zijn elektronische overstroombeveiliging. Indien in een stroombaan, die beveiligd is met een C-automaat van 10 A, een kortsluiting ontstaat, dan is de door de UPS geleverde kortsluitstroom van 158 A voldoende om de magnetische uitschakeling van de automaat te garanderen, want 158 > 100 (= ogenblikkelijke uitschakeldrempel van de beveiliging) Vermits de uitschakeltijd van de automaat dus veel kleiner is dan 1 s zal enkel de automaat uitschakelen en niet de interne UPS-beveiliging. Op deze manier blijven alle stroombanen, waarin zich geen kortsluiting voordoet, in bedrijf (=selectiviteit). Bovendien zijn de leidingen afdoende beschermd tegen kortsluiting. Voor stroombanen met beveiligingen waarvan de ogenblikkelijke uitschakeldrempel hoger ligt dan 158 A zal eerst de interne overstroombeveiliging van de UPS worden aangesproken, waardoor de UPS uitschakelt en tegelijkertijd alle verbruikers buiten bedrijf worden gesteld. Bovendien zou het kunnen dat de kortsluiting zodanig lang blijft bestaan dat de leidingen beschadigd raken. Om hieraan tegemoet te komen zijn veel UPS-systemen uitgerust met een detectiesysteem dat, wanneer er zich een kortsluiting voordoet, ogenblikkelijk en automatisch (via een static bypass switch) omgeschakeld wordt naar de bypassvoeding. Het kortsluitvermogen dat door deze bypassvoeding wordt geleverd is afkomstig van het voedende net en daarmee veel hoger dan het kortsluitvermogen dat de inverter kan leveren. Via zijn bypass is de UPS nu wel in staat voldoende vermogen te leveren om de ogenblikkelijke uitschakeldrempel van een automaat of vermogenschakelaar aan te spreken. Wanneer het net niet aanwezig is of de bypassingang niet gevoed wordt, blijft het gevaar op beschadiging van de leidingen door kortsluiting uiteraard bestaan. 4
Naast de static bypass beschikken de meeste systemen tevens over een manuele bypass om onderhoudswerkzaamheden aan het UPS systeem spanningsloos te kunnen uitvoeren. 3.3. Personenbeveiliging Dezelfde redenering kan gemaakt worden voor foutstromen tengevolge van isolatiefouten waarbij statische USP-systemen niet voldoende stroom kunnen leveren om de (isolatie)fout tijdig af te schakelen. Om een adequate personenbeveiliging te garanderen, wordt daarom aanbevolen om, zelfs in TN-netten, steeds gebruik te maken van differentieels. De meeste UPS-systemen beschikken niet over een galvanische scheiding tussen in- en uitgang waardoor een differentieel zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts van de UPS kan worden geplaatst. 4. Crest-factor De crestfactor geeft de verhouding weer tussen de piekwaarde van een signaal en de effectieve waarde van dit signaal. Bij een zuiver sinusvormig signaal is deze factor gelijk aan 1,41. Indien er pieken voorkomen op de sinus, dan zal de crestfactor toenemen. Bestaat de belasting vooral uit elektronische apparatuur, dan zal de stroom sterk afwijken van de sinusvorm. De crestfactor zal dus sterk toenemen. Is de aanwezige crestfactor van de belasting hoger dan de maximaal toegestane crestfactor van de UPS (zie specificaties fabrikant), dan moet dit in rekening worden gebracht door de maximaal toegestane belasting te verminderen. Heb u nog verdere vragen of opmerkingen? Aarzel niet om ons te contacteren! Vlaams Elektro Innovatiecentrum Kleinhoefstraat 6 2440 Geel tel: 014/57.96.09 tad@vei.be www.vei.be 5