Электрическая сеть для объектов вычислительной техники и других технических систем

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СЕТЬ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ДРУГИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания объектов вычислительной техники, средств ЭВМ и построенных на их основе вычислительных и других различных технических систем.
Известно, что способ электропитания и структура заземления элементов устройств технологического оборудования (ТО) и нетехнологического оборудования (НТО) объектов вычислительной техники (ОВТ) являются определяющими для уменьшения уровней электромагнитных помех, распространяемых в проводящих средах и излучаемых в пространство, и являются радикальными мерами устранения сбоев и отказов элементов устройств ТО и НТО, а также обеспечения электробезопасности обслуживания. Конструктивные особенности контура защитного заземления (33) подстанции обуславливают его существенные недостатки с точки зрения обеспечения функционирования ОВТ, а именно, сильно выраженную частотную зависимость величины сопротивления растеканию тока от долей ома до нескольких десятков кОм ( в диапазоне частот f  200 мГц информационных сигналов устройств ТО ОВТ ) и протекание по нему паразитных токов, имеющих различную природу, а также излучение ими помех. Все это обусловило использование для устройств КСТ ОВТ отдельных заземлителей ( технологических, физических и т.д. ) с нормированными параметрами, но одновременно создало проблему обеспечения электробезопасности обслуживания при обеспечении требуемого уровня помехозащищенности функционирования ОВТ (1,2,3,5).
Известно техническое решение (3) в котором технологические заземлители не присоединены к контуру 33 подстанции и используются исключительно для обеспечения электропитания и заземления устройств ТО ОВТ, а электропитание и заземление устройств НТО ОВТ производится с использованием контура 33 подстанции. Поэтому при реализации структуры необходимо обеспечить между двумя системами заземлений при полностью смонтированной структуре ОВТ сопротивление изоляции более 1 мОм, что определяется требованиями электробезопасности. Наиболее близкими по технической сущности к заявляемой сети является выбранная в качестве прототипа ( Ослон А.Б., Обеспечение электробезопасности в установках напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью., Москва, Промышленная энергетика, 1982, N 1, МЭК Стандарты структур электрических сетей. Стандарт США - прототип ) сеть (4), содержащая контур защитного заземления, подстанции, трансформаторы с глухозаземленными нейтралями и/или четырехпроводные линии электропитания, устройства гарантированного электроснабжения, распределительные устройства, устройства и линии электропитания технологического и нетехнологического оборудования, устройства и системы защитного физического и/или технологического заземления, сетевые помехоподавляющие фильтры, устройства для обеспечения разделения и/или связи систем заземления, коммутационную аппаратуру
Недостатком данной сети является следующее:
В данной сети отдельные технологические заземлители с нормируемыми параметрами при вводе в здание ОВТ непосредственно присоединяются в главном опорном узле (ГОУ) к проводнику имеющему связь с контуром 33 подстанции, к нему же присоединяются проводниками все металлоконструкции здания и элементы устройств КТС ОВТ. При этом хотя и улучшаются условия электробезопасности обслуживания, но становится непредсказуемой электромагнитная обстановка и обеспечение помехозащищенности ОВТ, особенно в связи с появлением контуров заземления. В полной мере проблема обеспечения помехозащищенности не решена.
Техническим результатом изобретения является повышение помехозащищенности и электробезопасности обслуживания сети.
Указанный результат достигается тем, что известная электрическая сеть электрическая сеть содержащая контур защитного заземления подстанции, трансформаторы с глухозаземленными нейтралями, и/или четырехпроводные линии электропитания, устройства гарантированного электроснабжения, распределительные устройства, устройства и линии электропитания устройств технологического и нетехнологического оборудования, устройства заземления и системы защитного, физического и/или технологического заземления, сетевые помехоподавляющие фильтры, устройства для обеспечения разделения и/или связи систем заземления, а также коммутационную аппаратуру, дополнительно введен фильтр заземлений, посредством которого объединены шины защитного и технологического зазем-/ления распределительного устройства объекта вычислительной техники, устройства физического и/или технологического заземления и устройство повторного защитного заземления выполнены в виде очаговых заземлителей, размещенных в непосредственной близости друг от друга в проводящей среде, линии электропитания выполнены низкоимпедансными, а заземление фильтров выполнено присоединением проводника, содержащегося в линии к внутренней поверхности корпуса фильтра.
Кроме того продольные звенья фильтров выполнены в виде индуктивности, параллельно которой подключен двухполюсник, состоящий из последовательно соединенных параллельных LC-контуров и последовательного LC-контура, причем все L-элементы двухполюсника расположены на одном магнитопроводе.
Для упрощения практической реализации параллельно каждому из LC-контуров двухполюсника подключен последовательный LC-контур.
Кроме того устройства технологического оборудования размещены на или над медным листом - сеткой Фарадея, элементы которой изолированы от систем защитного и технологического заземлений и соединены с устройством очагового физического или технологического заземления.
Для упрощения реализации сетка Фарадея выполнена в виде клемников в изолирующих корпусах соединенных проводниками в изолирующей оболочке .
Кроме того для повышения эксплуатационной надежности и долговечности функционирования электрическая сеть снабжена системой контроля и диагностики состояния элементов структуры, контролируемыми и диагностируемыми параметрами которой являются токи электропитания и заземления протекающие в цепях элементов устройств нетехнологического и/или технологического оборудования, а датчиками токовых посылок служат трансформаторы тока, размещенные в характерных точках элементов структуры электрической сети.
Кроме того для исключения постепенных отказов в результате старения компонентов электрической сети, система контроля и диагностики содержит прогнозатор, обеспечивающий автоматизированные измерения и регистрацию диагностируемых параметров через заданный промежуток времени Ati, запоминание априорной информации об изменении выходных параметров структуры электрической сети, вычисление вероятности апостериорной информации о состоянии структуры сети, прогнозирование технического состояния структуры сети на промежуток времени ДЦр или прогнозирование величины времени Tjjp до первого отказа сети, прогнозатор соединен об-/
ратной связью с устройствами аварийного отключения и автоматом бесперебойного питания сети и соединен с центральным пультом.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемая сеть отличается от известной тем, что дополнительно введен фильтр заземления соединяющий шины защитного и технологического заземления распределительного устройства первого уровня объекта вычислительной техники, устройства физического или технологического и устройство повторного защитного заземления выполнены в виде очаговых заземлителей и размещены в непосредственной близости друг от друга, линии электропитания выполнены низкоимпедансными, а фильтры заземлены путем присоединения проводника линии к внутренней поверхности корпуса фильтра.
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями (1,2,3,4,5) показывает, что неизвестно соединение шин защитного и технологического заземления распределительного устройства с использованием фильтра заземления для повышения помехозащищенности электрической сети. Вместе с тем приведенная совокупность признаков позволяет достичь поставленный технический результат, повысить помехозащищенность сети при повышении уровня электробезопасности.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена принципиальная схема электрической сети для объектов вычислительной техники; на Фиг.2,3,4,5 - принципиальные схемы двухполюсников; на Фиг.6 - амплитудно-частотные характеристики фильтров известных из источников информации (кривая 1) и фильтра, используемого в заявляемой сети (кривая 2); на Фиг.7 - функциональная схема прогнозатора .
Электрическая сеть (Фиг.1) содержит контур 1 защитного заземления (33) подстанции, трансформаторы 2 с глухозаземленными нейтралями, четырехпроводные линии 3 электропитания, распределительное устройство 5 объекта вычислительной техники (ОВТ), распределительный шкаф б ОБТ, трехфазные шины 7, шины 8 защитного заземления (33), шины 9 технологической земли (ТЗ), шины 10 физической земли (ФЗ), шины 11 корпусной земли, очаговое устройство 12 защитного заземления, очаговое устройство 13 физического заземления и очаговое устройство 14 технологического заземления присоединенные, соответственно к шинам 8,9 и 10 распределительного устройства 5 ОВТ, фильтр 15 заземлений, устройство 16 гарантированного электроснабжения (УГЭ), сетевые помехоподавляющие фильтры 17, четырехпроводные низкоимпедансные линии 18, 19, и 20 для
/электропитания соответственно OBT, технологического оборудования (ТО) и нетехнологического оборудования (НТО), сетку 21 Фарадея, соединенную фидером 22 с очаговым устройством 13 ФЗ, а также коммутационную аппаратуру 23. Прогнозатор содержит блок 24 измерения и нормирования, многоканальный коммутатор 25, блок 26 памяти, блок 27 весовых коэффициентов, блок 28 вычисления априорной информации, блок 29 вычисления апостериорных вероятностей, индикатор 30 состояния, блок 31 управления, программно-командный блок 32. Контролируемые и диагностируемые точки элементов структуры электрической сети (24/i) подключены к входам блоков 24 измерения и нормирования, выходы которых соединены с соответствующими входами многоканального коммутатора 25, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым входом блока 26 памяти и первым входом индикатора 30. Первый выход блока 26 памяти соединен с первым входом блока 27 весовых коэффициентов, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с входом блока 28 априорной информации, первым входом блока 29 вычисления вероятности апостериорных параметров и вторым входом индикатора 30, входы с третьего по шестой которого соединены соответственно со вторым выходом блока 26 памяти, первым выходом блока 28 априорной информации, первым выходом блока 29 вычисления вероятности апостериорных параметров и первым выходом блока 31 управления. Выход программно-командного блока 32 соединен с входом блока 31 управления, второй выход которого соединен с входом управления коммутатора 25. Третий вход блока 31 управления соединен со вторыми входами блока 26 памяти, блока 27 весовых коэффициентов и блока 29 вычисления вероятностей апостериорных параметров. Второй выход блока 28 априорной информации подключен к третьему входу блока 29 вычисления вероятностей апостериорных параметров. Цепью обратной связи служит выход блока 31 управления.
Электрическая сеть (Фиг.1) работает следующим образом: Электропитание устройств технологического оборудования (ТО), непосредственно участвующего в обработке информации или в технологическом процессе и нетехнологического оборудования (НТО) не участвующего в обработке информации (светильники, кондиционеры и т.п.) комплекса технических средств (КТС) ОВТ осуществляется (как потребителей 1 категории) трехфазным напряжением 380/220В согласно правил устройства электроустановок (ПУЭ) от двух трансформаторов 2 с глухозаземленными нейтралями соединенными с контуром 1 защитного заземления подстанции. Электропитание с выходов трансформаторов 2 подается по четырехпровод-/ным линиям 3 на распределительное устройство 4 подстанции, затем на распределительное устройство 5 ОВТ и далее на распределительный шкаф 6 ОВТ. Четырехпроводные линии 3 подключены к трехфазным шинам 7 и шине 8 защитного заземления распределительного устройства 4 подстанции через коммутационную аппаратуру 23, Кроме трехфазных шин 7 и шины 8 в распределительном устройстве 5 ОВТ, изолированно от металлоконструкций размещены шина 9 технологического заземления и шина 10 физического заземления. В распределительном шкафу 6 ОВТ размещена шина 11 корпусной земли. Шины заземления 8,9 и 10 присоединены к соответствующим устройствам 12,13 и 14 очагового заземления, размещенным вблизи друг от друга в хорошо проводящей среде ( например ниже уровня грунтовых вод ), а посредством фильтра 15 заземлений, соединяющего шину 8 защитного заземления и шину 9 технологического заземления, обеспечивается их связь в диапазоне частот электропитания потребителей КТС ОВТ и разделение их в диапазоне помех. Очаговое устройство 12 защитного заземления выполняет роль повторного защитного заземления, улучшая параметры контура 1 защитного заземления подстанции, особенно в диапазоне частот помех. Устройства 16 гарантированного электроснабжения (УГЭ) запитываются от двух секций трехфазных шин 7 распределительного устройства 5 ОВТ. В сети имеются помехоподавляющие фильтры 17. Питание УГЭ осуществляется с использованием четырехпроводных низкоимпедансных линий 19 (на Фиг.1 показано только одно УГЭ). Четырехпроводная низкоимпедансная линия 19 содержит пятый проводник для заземления корпуса УГЭ. Пятые проводники содержат также линии 18 и 20. Проводник нейтрали и проводник для заземления корпуса в линиях 19 присоединены к шине 9 технологического заземления, а в линиях 18 и 20 к шине 8 защитной земли. Для соединений в сети используется коммутационная аппаратура 23.
В качестве УГЭ, обеспечивающего требуемые параметры качества электроэнергии могут быть использованы агрегаты бесперебойного питания, с возможностью резервирования электроснабжения, например, аккумуляторными батареями, электромеханические, электромагнитные и т.п. преобразователи, разделительные трансформаторы с автоматическим вводом резервных источников. С входа УГЭ через низкоимпедансные линии 19 электроэнергия с гарантированными параметрами качества поступает на коммутационную аппаратуру 23 разделительного шкафа 6 ОВТ с трехфазными шинами 7, шиной 8 технологического заземления и шиной 11 корпусной земли, с которых через коммутационную аппаратуру 23, сетевые помехоподавляющие фильтры 17 и низкоимпедансные линии 19 осуществляется элект/с
(/D//,J37
-/
ропитание устройств технологического оборудования (ТО). В качестве распределительного шкафа 6 ОВТ могут быть использованы, например, шкафы типа ТКЕ-О на основе тиристорных ключей с естественной коммутацией на несколько направлений, с возможностью избирательного отключения за время t  1 ms любого потребителя при возникновении экстремальных ситуаций .
Электропитание устройств НТО и устройств ТО не требующих жестко регламентированных параметров качества электроэнергии,осуществляется с применением низкоимпедансных линий 18 и 20, коммутационной аппаратуры 23 и сетевых фильтров 17 от трехфазных шин 7 распределительного устройства 5 ОВТ и соответственно шины 8 и шины 9.
Заземление сетевых фильтров 17 осуществляется присоединением корпусного проводника содержащегося в линии к внутренней поверхности корпуса фильтра. При этом решаются две задачи: минимизируется величина полного сопротивления, обусловленного индуктивностью, сопротивления цепи заземления (поскольку величина индуктивности проводника корпусной земли составляет пропорциональную часть общей индуктивности, обусловленной площадью контура 1, составленного из прямого и обратного проводника) , что очень важно для обеспечения эффективной работы фильтра и, кроме того, локализуется путь распространения помехи для их офильтрации, подавления.
В качестве фильтра 15 заземлений можно использовать дроссели типа Д-51, ГОСТ 9219-75, на основе катушки индуктивности L „  Гн, на ток 400 мА с полным сопротивлением Z „  Ом на частоте 50 Гц, а в качестве очаговых устройств 12,13 и 14 возможно использование стандартного устройства (разработка ГИПРОНИИ) на основе медного стержня (диаметр 25 мм, длина 1,5 м), к концу которого приварен медный кабель в изолирующей оболочке, погружаемый на глубину от нескольких метров до нескольких десятков метров. Средством доставки стержня в заданную точку является стальная труба, к концу которой прикрепляется данный стержень. При погружении такого стержня на глубину „ 20 м (ниже уровня грунтовых вод, в кембрийные глины) очаговое устройство заземления имеет следующие параметры: сопротивление растеканию постоянного тока R
о -1
-  Ом, полное сопротивление Z  0,5 - 15 Ом в диапазоне частот от 1 кГц до 200 мГц, что очень важно для решения проблемы электростатических разрядов.
; 2 ////7
/
дится в равных условиях, например, равномерно располагаться по окружности при их числе п  3, а не на прямой. При п  3 отпадает проблема измерений их параметров, например, сопротивления растеканию тока, поскольку параметры каждого из них измеряют относительно двух других по стандартным методикам.
При размещении устройств ТО на (или над) аналоге медного листа сетке Фарадея 21 соединенной фидером 22 с устройствами 13 и 14 очаговых физического и технологического заземлений, элементы которого изолированы от систем защитного и технологического заземлений (т.е. при этом допускается только одна точечная связь, для того, чтобы исключить протекание по ней токов) решается задача снижения высоты и приближении устройств ТО к проводящей поверхности Земли и одновременно решается задача минимизации электромагнитных взаимовлияний среды и устройств ТО и НТО друг на друга при функционировании КТС ОВТ, как с точки зрения помех распространяемых в проводящей среде, так и излучаемых.
Сетка 21 Фарадея, выполненная в виде клемников на несколько присоединений в изолирующих корпусах и соединенных проводниками в изолирующей оболочке (разъемная система) позволяет практически реализовать требуемую последовательность производства электромонтажных работ.
На Фиг.2 представлено продольное звено фильтра 15, выполненное в виде индуктивности L, параллельно которой подключен двухполюсник (Д), состоящий из последовательно соединенных параллельных LC-контуров и последовательного LC-контура. На Фиг.3 представлена схема такого двухполюсника, ограниченно эквивалентная схеме представленной на Фиг.4, в которой к силовой катушке индуктивности Lg фильтра последовательно подключено п параллельных LC-контуров. Такой фильтр способен эффективно подавлять помехи от источников помех с малыми и большими внутренними сопротивлениями.
Фильтры реализованные с использованием п параллельных LC-контуров позволяют получить АЧХ затухания (кривая 2 на Фиг.6) которая выгодно отличается от известных (кривая 1 на Фиг.6) поскольку требуемое значение величины затухания  может быть обеспечено уже в области низких частот (практически от единиц килогерц), что принципиально важно, поскольку в диапазоне частот 0,5 - 15 кГц сосредоточена в основном энергия составляющих помех, которые отрицательно влияют на магнитосферу и ионосферу Земли и на климат Земли. Кроме того, появляется возможность коррекции АЧХ фильтров на основе схем П-образных звеньев фильтра нижних частот, которые имеют спад АЧХ обычно в диапазоне частот 100 - 130
кГц. Все элементы двухполюсника (см. Фиг.З) могут быть слаботочными и низковольтными, т.к. емкостью Cj ограничивается величина протекающего тока, а величина приложенного напряжения ограничивается падением напряжения (менее 2% напряжения питания) в силовой катушке индуктивности LO&. Поэтому с учетом требуемой АЧХ затухания фильтров 15 и 17 выбирается число п звеньев двухполюсника и их частотная настройка. Для упрощения коррекции АЧХ фильтра целесообразно все L-элементы двухполюсника расположить на одном, например, линейном магнитопроводе, а коррекцию АЧХ осуществлять величиной магнитной связи контуров, с последующей фиксацией L-элементов на магнитопроводе.
Схема двухполюсника приведенная на Фиг.5, в которой параллельно параллельным LC-контурам  включены  последовательные LC-контура, практически позволяет более просто и точно реализовать требуемую АЧХ затухания фильтра с применением ЭВМ, т.к. при этом может быть использован метод суперпозиций, устраняющий программные трудности моделирования связанные с ростом п - числа звеньев двухполюсника, особенно с учетом потерь реализации фильтров.
Система контроля и диагностики (СКД) предполагает измерение токовых посылок в фидерах электропитания, а также в устройствах и фидерах заземления (величины тока в отдельных проводниках или в нескольких проводниках одновременно, т.е. их векторной суммы), преобразование величины токовых посылок в пропорциональные величины токов, величины напряжений в диапазоне частот (определяемом экспериментально) сравнение с номинальными их значениями, уставками,и выработку сигналов индикации для отображения аварийных ситуаций, а также управляющих воздействий для селективного отключения поврежденных участков электрической сети.
Выбор значений уставок и диапазона частот для СКД осуществляется при наладке электрической сети.
Наличие СКД, таким образом, позволяет предотвратить протекание несанкционированных токов, например блуждающих токов, токов нейтрали и т.п. по металлоконструкциям, корпусной и схемной земле, т.е. позволяет осуществить организацию силового интерфейса и выявить факторы нарушения структуры электрической сети, развития предаварийных ситуаций, наличие аварийных ситуаций и выявление предельных токов утечки изоляции, а также несанкционированных подключений потребителей, чем повышается повышение надежности и достоверности функционирования электрической сети.
/3
У/Й//А /
уфункциональная схема управления техническим состоянием и надежностью структуры локальной электрической сети приведена на Фиг.7.
Прогнозатор работает следующим образом. На входы блока 24 измерения и нормирования поступают в общем случае величины различных по своей природе параметров (тока, напряжения, сопротивления изоляции, переходное сопротивление контактов, напряженности внешних электрических и магнитных полей, амплитуд импульсов помех, шумов и т.д.) с характерных точек (24/L) элементов структуры диагностируемой сети, где они преобразовываются и нормируются в единый унифицированный канальный сигнал например, постоянное напряжение U(t), где i  l,2,3...n, пропорциональное Xj(t), изменяющееся, например, в пределах О - 5В в каждом измерительном канале. Преобразованные и пронормированные диагностируемые параметры поступают на многоканальный коммутатор 25 задачей которого является последовательное подключение каждого канала к блоку 26 памяти, содержащему массив ячеек памяти для хранения априорной информации измерений, которая через определенное число замеров, необходимое для реализации алгоритма прогнозирования, подвергается статистической обработке в блоке 27 весовых коэффициентов, определяющем функцию качества и в блоке 28 вычисления априорной информации, конкретизирующей модель случайного процесса изменения функции качества во времени, которая используется в алгоритме прогнозирования.
Прогнозирование может осуществляться следующим образом. Например, через равный промежуток времени (например 1 сутки) производится три замера по каждому из каналов u(tj),u(t2),u(t3) и осуществляется запись в блоке памяти 26. По упомянутым известным трем значениям u(tj) путем экстраполяции определяется прогнозируемое значение u(t4). Алгоритмом экстраполяции в этом случае является система уравнений:
{ u(ti )  atj + btj + с ( u(t2 )  atg + btg + с
V U(t3 )  atg + btg + С
где: u(ti ),u(t2),u(t3) - измеренное напряжение в моменты tj ,t2 и t3 соответственно, a a,b и с - весовые коэффициенты;
f/
/J
мени : п поогн  поогн   ПрОГН  ПpOГH
где: tnpopH - время прогноза, % прогн  ожидаемая величина параметра на время Црогн
Для определения времени безотказной работы в (1) вместо величины Uji прогноза подставляется величина U допустимого и решается относительно t g р
t (1.2) б.р. -(Ь/2а) ± (1/2а)  |/ D где: D  Ь - 4ас ,при этом
/ tj + tg  -b/a
V tj  tg  с/а
Блок 29 вычисления апостериорных вероятностей является главным блоком, определяющим прогнозирование величины вероятностей безотказной работы или времени безотказной работы электрической сети. Индикатор 30 состояния отображает в удобной для использования форме (цифровая, печать и т.п.) выходные величины параметров прогнозирования (например, оставшееся среднее время работы до отказа или время до необходимой замены того или иного узла электрической сети резервным или запасным), а также необходимым для настройки и регулировки всей системы диагностики и контроля.Все входящие в прогнозатор блоки управляются блоком 31 управления в соответствии с заданной программой программно-командным блоком 32.
Исследования и испытания предложенной электрической сети показали ее высокую помехозащищенность. В данной сети оптимальным образом реализуются характеристики фильтра заземления, распределительного шкафа, сетевых фильтров, очаговых устройств защитного, физического и технологического заземлений. При указанных выше параметрах заземлений в диапазонах частот от 1 кГц до 200 мГц вносимое в тракт передачи помехи затухание составляет величину 30 - 40 дБ при общем затухании 36 - 90 дБ. Кроме того данная сеть выгодно отличается и с точки зрения обеспечения условий электробезопасности обслуживания. Испытания показали.  поогн + с: (1) ПрОГН
что напряжение прикосновения при коротком замыкании возникающем в устройствах ТО и НТО не превышает величины 27,5 В, что меньше величины 42 В, гарантирующей безопасность обслуживания согласно ПУЭ. Это обеспечивается в основном двумя факторами: повторным заземлением с использованием очагового защитного заземления и размещением очаговых устройств защитного, физического и технологического заземлений в хорошо проводящей среде и в непосредственной близости друг от друга. Величина сопротивления растеканию тока очаговых устройств указанных заземлений, составляющих систему заземлений не превышает их суммы. Для пары устройств заземлений - защитного и технологического 2./  0,14 - 0,4 Ом, т.е. эта величина соизмерима с величиной импеданса дросселя имеющего Z „  Ом. Поэтому значительная часть тока короткого замыкания ответвляется в указанные очаговые заземлители. Практическая реализация предложенной электрической сети требует использования жестко регламентируемой технологии производства работ.
-хФОРМУЛА