Типичной ошибкой подавляющего большинства пользователей является установка источника бесперебойного питания (ИБП) в качестве универсального помехозащитного устройства.

У маломощных ИБП единственным средством защиты от импульсных перенапряжений служит в большинстве случаев маленький фильтр, защищающий телевидение и связь от помех, возникающих при работе самого ИБП, и варистор.

В ИБП большой мощности защита от сетевых перенапряжений и помех обычно вообще не предусмотрена, иногда поставляется отдельно и стоит очень дорого. Зачастую в качестве защиты от помех поставщики ИБП предлагают THD- и RFI-фильтры, а также разделительные трансформаторы.

Что такое THD- и RFI-фильтры, разделительные трансформаторы?

THD-фильтр (фильтр гармоник) защищает сеть электропитания от так называемых гармоник низшего порядка, искажающих сетевое напряжение при работе самого ИБП. Применяется в слабых электросетях, где включение мощного ИБП может буквально изрезать синусоиду сетевого напряжения. RFI-фильтр (фильтр радиопомех) защищает сеть электропитания от радиопомех, генерируемых высокочастотным инвертором самого ИБП. Применяется на объектах, критичных к уровню радиопомех (телецентр и т.п.).

Разделительный трансформатор служит преимущественно для обеспечения электробезопасности при работе бестрансформаторных ИБП. Любой обычный трансформатор по своему устройству является разделительным трансформатором (первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга). Если разряд молнии попал на вход трансформатора подстанции, то защитит ли трансформатор электронное оборудование от поражения? Ответ всем пострадавшим от молнии известен — нет! Обычный разделительный трансформатор не может быть устройством защиты от перенапряжений.

Мощные ИБП топологии on-line имеют байпасы (обходные контуры), которые при перегрузках и в иных, опасных для «жизни» ИБП ситуациях, спасая их, соединяют защищаемое оборудование непосредственно с сетью электропитания, в обход ИБП. В последнее время для многих ИБП большой мощности питание нагрузки через байпас является приоритетным режимом, такое решение используется для повышения КПД ИБП (прим. редактора). При этом вся «грязь» из сети электропитания попадает на нагрузку.

Отметим несколько типичных случаев поведения ИБП под воздействием помех из сети электропитания.

Примеры из практики

В центре Москвы у мощных ИБП самопроизвольного менялся уровень выходного напряжения и происходил переход на аккумуляторную батарею при номинальном входном напряжении. Причина — самопроизвольное перепрограммирование схемы управления ИБП под воздействием импульсных помех, возникающих при работе схем включения натриевых ламп для освещения улиц.

ИБП работал от сети электропитания с тиристорным электроприводом и переходил на аккумуляторную батарею при номинальном напряжении сети электропитания. Причина: периодические импульсные помехи, возникавшие вследствие работы в сети тиристорного преобразователя, приводили к срабатыванию датчика снижения напряжения ИБП (при этом коэффициент нелинейных искажений в сети электропитания не превышал допустимые для ИБП 5%). Необходимо отметить, что подобная ситуация возникала у наших заказчиков неоднократно, с ИБП разных производителей. Чем «умнее» контроллер ИБП, тем в большей степени он оказывается чувствителен к искажениям напряжения сети электропитания.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС), получавшая электропитание по полнопроточной схеме от мощного ИБП, в дневное время работала удовлетворительно, а в ночное время неоднократно давала отказы в работе, в том числе сопровождавшиеся выходом из строя оборудования. Причина: сброс нагрузки в энергосистеме в ночное время сопровождался увеличением напряжения на 10...15%, при этом ИБП, защищая свою силовую схему, переходил на байпас и оставлял ЛВС без защиты от помех и превышения напряжении питания. В крупных промышленных центрах при использовании мощных ИБП следует считаться с возможностью длительной работы нагрузки ИБП через байпас, то есть без надлежащей защиты СВТИ ЛВС от помех по сети электропитания.

Разряд молнии в землю на удалении 200 метров от вычислительного центра в Иваново вывел из строя несколько десятков персональных компьютеров, мониторов и принтеров, защищенных ИБП. Характер повреждения — многочисленные пробои и повреждение компонентов, в блоках питания взорвались проводники печатных плат. При этом компьютеры бухгалтерии, защищенные трансфильтрами «ЭМСОТЕХ», сохранили работоспособность.

Пожар в магазине «Детский мир» и одновременное с ним самовозгорание защищенных с помощью ИБП компьютеров в Политехническом музее Москвы из-за перенапряжения в сети электропитания являются общеизвестными фактами.

На одном из крупных предприятий Санкт-Петербурга мощный ИБП воздействием перенапряжений был выведен из строя в первые недели эксплуатации, оставив без резервного электроснабжения большой ВЦ.

В здании РАО ЕЭС России произошла авария ИБП мощностью 30 кВА. Экспертиза повреждений, возникших в результате аварии, показала следующее: перенапряжение (наиболее вероятно — разряд молнии) привело к пробою каркаса дросселя по цепи «обмотка — магнитопровод» (каркас пластмассовый с электрической прочностью не менее 6 кВ). Искровым разрядом была повреждена изоляция проводников обмотки, что привело к возникновению межвиткового замыкания с последующим перегревом и разрушением дросселя и выходом из строя ИБП. Процесс повреждения изоляции перенапряжением и межвитковое замыкание были существенно разнесены во времени. Изоляция была повреждена в грозовой период, а межвитковое замыкание возникнуть позднее, в период интенсивной работы ИБП от аккумуляторной батареи.

На одном из крупных нефтеперерабатывающих заводов коммутационное импульсное перенапряжение возникло из-за однофазного короткого замыкания и привело к несанкционированному включению байпаса мощного ИБП, сбою в его работе, возрастанию до опасных пределов напряжения на конденсаторах инвертора и аварийной остановке ИБП на 10-15 секунд. Так как ИБП обеспечивал электроэнергией нагрузку по I особой категории, то ущерб от аварии был многомиллионным.

ИБП — это защита от исчезновения напряжения и провалов напряжения, на долю которых приходится не более 5...10% всех сбоев в работе электронного оборудования, и которые обыкновенно не выводят электронику из строя. Основная доля сбоев в работе компьютеров и их повреждений (до 95%) приходится на незаметные невооруженным взглядом импульсные помехи.

Переоценка помехозащитных свойств ИБП может стоить дорого. В Тюмени разряд молнии вблизи от вычислительного центра вывел из строя около 100 компьютеров и их периферийное оборудование. Защита компьютеров обеспечивалась ИБП. Все ИБП (около 50 штук) вышли из строя, часть из них воспламенилась, несколько штук буквально взорвались с разрушением металлического корпуса.

Для сведения проектантов и знатоков электротехники

Промышленные ИБП (категория исполнения С3) западных производителей выдерживают по входу и выходу перенапряжения в соответствии с IEC 62040-2, табл. 6. Согласно этому стандарту ИБП по входу и выходу переменного тока может выдерживать без повреждений (сбои в работе допускаются) радиопомехи до 10 В с частотой 0,15-80 МГц; наносекундные импульсные помехи до 2 кВ; микросекундные импульсные перенапряжения (1/50 мкс, 8/20 мкс) до 1 кВ в цепи «провод-провод» и до 2 кВ в цепи «провод-земля». Причем испытания на микросекундные импульсные перенапряжения проводятся в отношении ИБП с током более 63 А.

Параметры имитатора для испытаний ИБП описаны в IEC 60950-1, табл. 1. Согласно этим нормам емкость конденсатора имитатора составляет 1 мкФ, а импеданс имитатора равен 40 Ом. То есть ток в цепи «провод-провод» ограничен значением 25 А, а в цепи «провод-земля» значением 50 А. Для целей грозозащиты следует ориентироваться на значения тока 20000 А и более. После сравнения этих значений не требуется доказывать тезис о необходимости защиты ИБП от перенапряжений.

Насколько серьезной должна быть защита?

Конденсатор имитатора для испытаний ИБП по IEC 60950-1 емкостью 1 мкФ, заряженный до 1 кВ (цепь «провод-провод») и до 2 кВ (цепь «провод-земля») имеет энергию соответственно 0,5 Дж и 2 Дж. Импульс тока от разряда молнии 20 кА (10/350 мкс) имеет энергию около 100 000 Дж. То есть схема защиты от грозовых перенапряжений, установленная до ИБП, должна уменьшить энергию перенапряжения по цепи «провод-провод» в 200 000 раз и по цепи «провод-земля» в 50 000 раз.

Для того чтобы ИБП на протяжении всего срока эксплуатации исправно выполнял свою основную функцию — защищал нагрузку от чрезмерного снижения и исчезновения напряжения в сети электропитания, он должен быть надежно защищен по входу с помощью комплексных помехозащитных устройств.

Статья подготовлена специалистами ЗАО «ЭМСОТЕХ» и размещена на сайте с их любезного разрешения.