Tento příspěvek volně navazuje na přednášku Ing. Ondřeje Komendy "Spolehlivost v elektrotechnice", a zabývá se praktickým řešení spolehlivostní analýzy záložních energocenter.

O tom, že záložní energocentrum by mělo být spolehlivé, asi není pochyb. Je ale otázka, co je to vlastně "spolehlivé" energocentrum. Je to energocentrum, které se neporouchá? Ale takové přece není – jakékoli technické zařízení se může porouchat. Spolehlivost energocentra je založena na třech vlastnostech:

1. Pokud na energocentru dojde k poruše, neměla by jeho porucha mít fatální vliv na napájené zařízení (to lze ovlivnit kvalitním projektem a konstrukcí).

2. Pokud na energocentru dojde k poruše, měla by se porucha přesně identifikovat (to lze ovlivnit kvalitní diagnostikou a dálkovým monitoringem).

3. Pokud na energocentru dojde k poruše, měla by být tato porucha co nejrychleji odstraněna (to lze ovlivnit kvalitním servisním personálem a excelentní logistikou náhradních dílů.

Určitou analogií mohou být například tzv. nehořlavé kabely, které každý elektroprojektant velmi dobře zná. Mohou nehořlavé kabely hořet? Samozřejmě ano, vtip je v tom, že při požáru kabelu dojde k vytvrzení vnitřní izolace a nedojde k vnitřnímu zkratu.

Řada uživatelů energocenter vyžaduje korektní spolehlivostní analýzu, neboť energocentrum má v jejich technologickém systému roli podobnou úloze stopera ve fotbalovém mužstvu. V případě poruchy rozvodné sítě (útoku soupeřova týmu v přečíslení) je to poslední záchrana před kolapsem napájeného zařízení (brankáře). Způsoby, jak toho dosáhnout, jsou různé: předimenzování energocentra (posílení obrany), redundantní řešení (dvojice stoperů), modulární systém (flexibilní záložníci s obrannými úkoly), použití robustní a "neprůstřelné" konstrukce (nasazení Tomáše Řepky) atd.

Záložní energocentrum pracuje ve většině případů podle blokového schématu na obr. 1.

Energocentrum je kombinace krátkodobého a dlouhodobého záložního zdroje elektrické energie doplněná příslušnými rozvaděči, kabeláží, komunikačním příslušenstvím a dalšími prvky.

Energocentrum podle obr. 1 lze instalovat ve vhodném prostoru (strojovně, rozvodně či jiné technologické místnosti), rozdělit jej do několika částí (dieselagregát do strojovny nebo mimo budovu, zdroj UPS do zvláštní klimatizované místnosti) nebo jej integrovat do kontejneru. Získáme tím kompaktní zařízení, které z hlediska uživatele má jen tři připojovací body: vstup ze sítě, plnící hrdlo palivové nádrže a výstup pro zálohovaný objekt. Technické a ekonomické parametry jsou udávány pro zařízení jako celek. Pro uživatele nejsou podstatné podrobné technické parametry jednotlivých částí, jako tomu dosud bylo u obdobných zařízení. Zajímají jej pouze připojovací body, garance dostupnosti napětí pro kritickou zátěž a ekonomické aspekty provozu.

Obr. 1 Blokové schema energocentra

Takové schema je ovšem pro výpočet spolehlivosti nepoužitelné. Spolehlivostní analýza energocentra se provádí pomocí matematických modelů chování sítě, energocentra (jednotlivých prvků i celku) a zátěže v různých provozních podmínkách. Pro tyto účely je zpracováno spolehlivostní schema, ve kterém jsou specifikovány kritické prvky energocentra:

• Napájecí síť (rozlišujeme mikrovýpadek (sekundy), krátkodobý výpadek (minuty) a dlouhodobý výpadek. Všechny tyto parametry lze do výpočtu zadávat, včetně parametru obnovy sítě

• Elektrocentrála

• Startovací baterie elektrocentrály (včetně dobíjecích obvodů)

• Startér elektrocentrály (případně druhý startér)

• Další obvody, zajišťující rozběh elektrocentrály

• Obvody pravidelného dočerpávání paliva do elektrocentrály

• Rozvaděč automatického záskoku

• Kontaktní prvky řídicího rozvaděče

• Zdroj UPS nebo zařízení s touto funkcí

• Akumulátor energie zdroje UPS

Jak je vidět ze seznamu, kromě popisu celých bloků se při analýze detailně zabýváme prvky, které jsou pro spolehlivost energocentra kritické. To jsou především prvky, které zajišťují akumulaci energie pro pokrytí krátkodobých výpadků, prvky důležité pro rozběh elektrocentrály a také kontaktní prvky zajišťující změnu schématu energocentra. Jsou to také prvky, u kterých většinou můžeme získat spolehlivostní parametry od výrobce, případně ze statistiky spotřeby náhradních dílů.

Ne všechny uvedené prvky používají jako spolehlivostní parametr Střední dobu mezi poruchami MTBF. U některých prvků (kontaktní systémy, startéry...) je pro spolehlivost klíčový nikoli časový údaj, ale počet pracovních cyklů mezi poruchami MCBF. Tento údaj lépe koresponduje s jejich opotřebením a všichni výrobci tento parametr uvádějí.

Spolehlivost napájecí sítě byla posuzována z hlediska dlouhodobých makrovýpadků, ale i z hlediska mikrovýpadků. Stejným způsobem byla hodnocena i opravitelnost napájecí sítě, tj. rychlost reakce distributora na poruchu. Spolehlivost kritických prvků (elektrocentrála, zdroj UPS) byla vždy hodnocena ve dvou směrech: je-li uvedený prvek pod zatížením, nebo v režimu "klidu". Právě v tomto bodě analýzy se projevila nevýhoda VFI UPS zdrojů s dvojí konverzí: jsou pod výkonem v podstatě stále (mimo režim bypassu).

Pro spolehlivostní analýzu se zadávají následující parametry (záleží na konstrukci energocentra, ne vždy se zadávají všechny uvedené parametry):
1. Průměrná délka mikrovýpadku sítě
2. Průměrná délka krátkodobého výpadku sítě
3. MTBF mikrovýpadku sítě
4. MTBF krátkodobého výpadku sítě
5. MTBF dlouhodobého výpadku sítě
6. MTTR krátkodobého výpadku sítě
7. MTTR dlouhodobého výpadku sítě
8. Perioda pravidelné revize
9. MTBF bateriového článku (jsou-li použity)
10. Počet článků v bateriovém řetězci
11. Počet redundantních článků v bateriovém řetězci
12. MTTR akumulátoru ve zdroji UPS
13. MTBF elektrocentrály v zátěži (pro různé druhy paliv)
14. MTBF elektrocentrály v záložním režimu
15. MTTR elektrocentrály
16. MCBF startéru
17. MTBF baterie u startéru
18. MCBF kontaktních prvků v rozvaděči
19. MTBF výpadku plynu (je-li použit)
20. MTTR výpadku plynu (je-li použit)
21. Program PZ-IN, používaný společností Phoenix-Zeppelin, umožňuje do analýzy zahrnout i další nestandardní parametry, např. četnost geomagnetických bouří, poruchovost y v dodávce plynu (u duálních systémů)

Při spolehlivostí analýze byla použita metoda Markovovských procesů (pro systémy se dvěma stavy) a stavové přechodové matice.
Výsledkem analýzy je výpočet parametrů:

• Pravděpodobnost bezporuchového provozu v čase t=14 dní

• Pravděpodobnost bezporuchového provozu v čase t=365 dní

• Dostupnost napětí na výstupu energocentra A při konkrétní hodnotě MTBF systému

Závěrem uvádíme několik příkladů spolehlivostní analýzy s použitím programu PZ-IN. Další příklady budou předmětem prezentace při seminářích "Spolehlivost v elektrotechnice 2012 ". Obrázek vždy obsahuje celou spolehlivostní křivku s vyznačením MTBF a poté detail pro první rok provozu.

První příklad (obr. 2) ukazuje vliv četnosti dlouhodobých výpadků sítě na pravděpodobnost poruchy v napájení zátěže. Výpočet je proveden pro energocentrum s bateriovým zdrojem UPS a dostupnost se pohybuje v rozsahu 0,9989 až 0,9999 referenční hodnota 0,9994). Zde je na první pohled patrné, že i při téměř stejné hodnotě dostupnosti skutečná spolehlivost napájení zátěže velmi kolísá.

Tento obrázek také potvrzuje skutečnost, že žádné energocentrum nemůže zcela "vygumovat" poruchovost napájecí sítě. Může ji zlepšit (to je jeho úkol) třeba desetkrát, stokrát, tisíckrát, ale poruchu na výstupu stoprocentně vyloučit nelze nikdy.

Obr. 2 Vliv kvality napájecí sítě na spolehlivé napájení zátěže

Další příklad na obr. 3 ukazuje vliv kvality startovací baterie na pravděpodobnost poruchy v napájení zátěže, tentokrát u energocentra z bateriovým zdrojem UPS, u něhož byl pro eliminaci mikrovýpadků použit setrvačníkový akumulátor (dostupné na českém trhu od několika dodavatelů). I když byly zadány stejné parametry zdroje UPS i elektrocentrály, je zřejmé mírné zvýšení referenční úrovně dostupnosti (0,9995) díky nasazení rotačního akumulátoru. Dostupnost se zde pohybuje v rozsahu 0,9997 až 0,9989, rozptyl skutečné spolehlivosti je daleko širší.

Obr. 3 Vliv kvality startovací baterie sítě na spolehlivé napájení zátěže

Další příklad na obr. 4 ukazuje, jaký zásadní vliv má instalace druhého startéru na spolehlivost energocentra.

Výpočet byl proveden pro energocentrum NZ2® s rotačním zdrojem UPS. I když dostupnost se liší minimálně (díky instalaci rotačního zdroje s pomocným startem je dostupnost již z principu funkce vysoká, neboť ke startování elektrocentrály máme k dispozici nejen jeden nebo dva nezávislé startéry , ale i energii ze setrvačníku) v rozsahu 0,999988 až 0,999996, rozdíl v čase mezi poruchami je více než trojnásobek.

Obr. 4. Vliv redundance startovacího systému na spolehlivé napájení zátěže

Poslední obr. 5 ukazuje vliv spolehlivosti výkonových kontaktních prvků na celkovou spolehlivost energocentra.

Opět je výpočet proveden pro energocentrum NZ2® s rotačním zdrojem UPS. Dostupnost se liší minimálně (0,999964 až 0,999987), ale spolehlivostní funkce se opět pohybuje ve velkém rozsahu.

Obr. 5 Vliv kvality výkonových spínacích prvků na spolehlivé napájení zátěže

Ing. Karel Kuchta, CSc.,
Phoenix-Zeppelin, spol. s r.o. divize Energetické systémy

 Článek je ukázkou sborníku L.P.Elektro č. 51