Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Резервирование питания средств ОПС

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Резервирование питания средств ОПС

В качестве резервных источников питания в системах ОПС широко используются блоки бесперебойного питания со встроенными аккумуляторными батареями (АБ). К их основным техническим характеристикам, очевидно, можно отнести выходное напряжение источника при питании от сети и от АБ, номинальный и максимальный токи нагрузки, величину пульсаций. Необходимо также учитывать допустимый диапазон напряжения сети, диапазон рабочих температур и т.д.
И.Г. Неплохов
Технический директор
бизнес-группы "Центр-СБ", к.т.н.

Самой важной технической характеристикой, несомненно, является время резервирования питания при отключении сети. Однако нередко в документации оно вообще не указывается. А так как обычно источник питания поставляется без АБ, то за обеспечение времени резерва никто не отвечает, и его расчет производится простейшим образом, только исходя из номинальной емкости АБ, которая указывается как произведение тока разряда в амперах и времени разряда в часах. Иногда учитывается снижение емкости в процессе эксплуатации за счет старения АБ, например на 25%. Насколько точна полученная таким образом оценка?

Область применения источников бесперебойного питания

Обычно в документации указывается, что источники бесперебойного питания предназначены для работы практически с любыми средствами ОПС, то есть для питания охранно-пожарных приемно-контрольных приборов, охранных извещателей, систем контроля доступа и т.д. Так как относительно времени резервирования питания охранных систем жестких требований нет, то, исходя из экономии, источники рассчитываются на несколько часов резерва и на большие токи потребления – порядка нескольких ампер. Даже без проведения сложных расчетов можно сказать, что АБ с емкостью 7 Ач не обеспечит резерв питания СПС в течение 24 часов плюс 3 ч в условиях пожара при токе 2 А. Использование данного источника для питания СПС с током порядка 0,2 А нерационально, так как в этом случае имеется огромная избыточность по току. Кроме того, некоторые источники питания вообще неработоспособны при минимальных токах нагрузки, причем данная "особенность" обычно не указывается в документации. Кстати, это является прямым нарушением требования ГОСТ Р 53325–2009:

"5.2.1.11. В ТД на ИЭ должны быть указаны значения его выходных параметров, к которым относятся:

  • номинальное значение выходного напряжения;
  • допустимое отклонение выходного напряжения от номинального;
  • диапазон допустимых значений выходного тока;
  • частота выходного напряжения (для ИЭ переменного тока);
  • уровень пульсаций (для ИЭ постоянного тока) в соответствии с ГОСТ Р 51179".

Допустимое отклонение выходного напряжения от номинального, да и номинальное напряжение определяются реализованным принципом построения источника, и прежде всего – способом зарядки АБ. В простейшем случае заряд производится с выхода источника, следовательно, выходное напряжение при работе от сети устанавливается не 12 В, а примерно 13,8 В. Причем при работе АБ в буферном режиме напряжение заряда должно изменяться в зависимости от температуры окружающей среды (то есть от температуры в блоке). В более сложных структурах предусматривается отдельная схема заряда АБ с автоматической корректировкой режима, при этом выходное напряжение источника обеспечивается на уровне 12 В и исключается снижение тока нагрузки при заряде АБ после резерва.

Кроме того, при расчете эксплуатации системы ОПС в течение не менее 10 лет, необходимо учитывать сроки службы АБ, которые могут составить всего лишь несколько лет.

Емкость АБ

В блоках бесперебойного питания используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы по ГОСТ Р МЭК 61056-1–99 "Портативные свинцово-кислотные аккумуляторы и батареи (закрытого типа). Часть 1. Общие требования, функциональные характеристики. Методы испытаний". Они не требуют обслуживания в процессе эксплуатации, работоспособность обеспечивается в любом положении, выделяющийся газ рекомбинируется на 99%, а для исключения повышения давления во всех элементах установлены предохранительные клапаны, расположенные под верхней крышкой (рис. 1). Производители АБ отмечают, что для нормальной эксплуатации достаточно наличия естественной вентиляции.


ГОСТ Р МЭК 61056-1–99 представляет собой полный аутентичный текст международного стандарта МЭК 61056-1 (1991), что позволяет однозначно трактовать характеристики АБ отечественных и зарубежных производителей. В маркировке АБ указывается производитель, тип, номинальное напряжение, равное удвоенному числу элементов АБ (n•2,0 В), гарантированная емкость С20 и дата выпуска. Например, АБ, состоящая из 6 элементов, имеет номинальное напряжение 12 В, а указанная емкость 7 Ач гарантирует, что при температуре +25 °С свежеизготовленная АБ обеспечивает ток разряда 0,35 А в течение 20 часов, при этом снижение напряжения должно быть не более чем до 10,5 В (до n•1,75 В).

Необходимо учитывать, что емкость АБ значительно снижается при повышении тока разряда. На рис. 2 приведены зависимости выходного напряжения АБ емкостью 7 Ач при различных токах разряда. После подключения к АБ нагрузки в течение примерно 1 минуты происходит линейное снижение напряжения до уровня, величина которого зависит от тока разряда; далее в течение некоторого времени напряжение остается достаточно стабильным, а затем происходит его резкое снижение до защитного отключения.


При повышении тока разряда АБ емкостью 7 Ач до 1,08 А, время разряда сокращается до 5 часов, что соответствует емкости 5,4 Ач, а при токе 4,4 А разряд происходит за 1 час, то есть емкость снижается до 4,4 Ач. Таким образом, если в резервированном источнике на 2 А используется АБ емкостью 7 Ач, то при таком токе разряда ее емкость составит примерно 5 Ач, что обеспечит резерв в течение 2,5 часов, а не 3,5 часов, как можно было предположить первоначально.

Снижение емкости АБ в процессе эксплуатации

Большинство производителей указывает срок службы АБ 5 лет. При этом необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации происходит постепенное снижение емкости АБ. На рис. 3 показано снижение емкости при температуре +25 °С при работе АБ в буферном режиме. Обычно производители приводят эту зависимость в виде трубки, что определяет значительный разброс параметров.


При этом, естественно, не может гарантироваться поставка образцов с наилучшими параметрами, а в худшем случае за 3,5 года емкость АБ может снизиться примерно до 65% от первоначальной.

Влияние температуры на характеристики АБ

При работе источника питания происходит нагревание отдельных элементов и выделение тепла, что приводит к повышению температуры внутри блока и АБ эксплуатируется при повышенных температурах. Если конструкция источника содержит радиаторы значительных размеров, то можно предположить рассеяние больших мощностей, что снижает к тому же и КПД источника. Здесь можно отметить значительное преимущество импульсных источников с ШИМ-мо-дуляцией на высоких частотах по сравнению с линейными, в которых стабилизация выходного напряжения обеспечивается за счет изменения величины падения напряжения на проходном транзисторе. Например, при токе 3 А и падении напряжения 4 В на транзисторе рассеивается 12 Вт, что вызывает значительное повышение температуры в блоке. А срок службы АБ значительно сокращается в условиях повышенных температур: при исходной величине 5 лет в нормальных условиях срок службы снижается примерно до 1 года, если температура в источнике питания в процессе эксплуатации достигает +45 °С (рис. 4).


Соответственно при снижении температуры эксплуатации срок службы АБ может быть значительно увеличен: например, при температуре около 0 °С срок службы может достигать 10 лет. Однако замедление процессов старения неизбежно сопровождается снижением емкости АБ (рис. 5).


Кроме того, при изменении температуры АБ в процессе эксплуатации должно корректироваться напряжение заряда в буферном режиме. Если в нормальных условиях его величина выбирается около 13,8 В, то в диапазоне рабочих температур от -10 до +50 °С напряжение заряда должно корректироваться в пределах 14,4–13,2 В (рис. 6).


Отсутствие этой функции в источнике, условия эксплуатации которого предполагают широкий диапазон температур окружающей среды, также приводит к снижению емкости и срока службы АБ.

Контроль работоспособности

По ГОСТ Р 53325–2009, в источнике I категории надежности электроснабжения введено требование "обеспечения возможности передачи информации во внешние цепи об отсутствии выходного напряжения и входного напряжения электроснабжения по любому входу". Данная формулировка подразумевает наличие двух источников питания с автоматическим переключением при обнаружении неисправности. А в рассматриваемом случае при обеспечении резерва за счет АБ, очевидно, необходимо периодически контролировать величину емкости, как это обеспечивается в источниках резервированного питания, отвечающих зарубежным требованиям. Так как в резервированном источнике питания АБ работает в буферном режиме, то нет особого смысла контролировать ее напряжение – это позволит обнаружить только полный отказ АБ. При этом реальное время резервирования не контролируется. Между тем известно несколько способов контроля емкости АБ. Например, производится отключение цепи заряда АБ, подключается нагрузка и анализируется процесс разряда, по которому с достаточной точностью вычисляется емкость АБ. Этот принцип реализован в универсальном тестере емкости АБ, ток разряда в амперах устанавливается примерно равным 0,1 от значения номинальной емкости АБ. Процесс измерения проводится в течение порядка 20 с и не приводит к значительному снижению емкости. Более сложный способ контроля емкости АБ путем анализа отклика сигналов на различных частотах позволяет проводить измерения без отключения АБ, что не допускается в некоторых системах.

Таким образом, в любом случае в затратах на техническое обслуживание систем ОПС необходимо учитывать расходы на периодический контроль емкости АБ и на их замену в процессе эксплуатации.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2010
Посещений: 9470

  Автор

Неплохов И. Г.

Неплохов И. Г.

Технический директор компании "Центр-СБ", к.т.н.

Всего статей:  89

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций