Электрическое питание компьютеров, равно как и любой другой высокотехнологичной техники, не было бы таким щепетильным моментом, если бы качество электроэнергии всегда находилось на одном неизменно высоком уровне. К сожалению, в жизни это далеко не так. Стопроцентных защит не бывает в принципе, но снизить зависимость вашего ПК от "недугов из розетки" можно, причем в десятки и сотни раз. Благо сегодня рынок просто переполнен различными фильтрами, стабилизаторами, источниками бесперебойного питания и прочими девайсами, которые созданы лишь для того, чтобы защитить основное оборудование. В рамках этого материала мы постараемся подробно описать все "недомогания" отечественных электросетей, и посоветовать оптимальные варианты защиты.

Качество электрической энергии…

Именно с такой формулировки начинается межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97, главный документ, согласно которому должны функционировать питающие сети общего назначения. Стандарт, как мы уже успели отметить, межгосударственный, поэтому все написанное ниже справедливо для Российской Федерации, Украины, Беларуси, Казахстана и еще целого ряда стран. Мы же, со своей стороны, не будет цитировать жесткие и косноязычные ГОСТовские определения того самого качества, а попытаемся объяснить все на более понятном языке. Итак, подавляющее большинство артефактов сетевого напряжения можно разделить на следующие группы:

Импульсные помехи

Импульсные помехи являются куда более опасными. Фактически они представляют собой короткие всплески напряжения, которые вклиниваются в нормальную синусоиду. Продолжительность их действия не велика и измеряется миллисекундами, но амплитуда напряжения может достигать десятков киловольт. Причиной могут стать природные катаклизмы, например, гроза или техногенные факторы - всплески при коммутации мощных индуктивных нагрузок на подстанциях и в промышленности. Хороший импульс с большой долей вероятности может обеспечить выход из строя любой современной техники, чайники, утюги и лампочки, естественно, не в счет. Однако и от них уже давно придуманы действенные меры защиты, которые реализованы в бытовых фильтрах удлинителях. Как это работает, читайте чуть ниже.

Кратковременные провалы и всплески напряжения бывают обусловлены целым букетом причин, и могут быть названы вполне нормальным явлением для любой сети,естественно, если время их действия и изменение амплитуды не противоречит ГОСТу. Провалы встречаются более часто, т.к. они провоцируются включением мощных потребителей. Если такие неприятности долговременны, периодичны или присутствуют постоянно, то это не очень хорошо сказывается на работе оборудования. Максимальное долговременное отклонение от стандарта не должно превышать ±10%. Т.е. напряжение в наших розетках может смело колебаться от 207 до 253 В. В общем, оно так и есть, и приборы рассчитаны на это. Однако порой допустимые 10% грубо не выдерживаются, и если при отклонении в минус блок питания просто отключит аппаратуру, то при отклонении в плюс может произойти непредсказуемое. Очевидно, что в таких ситуациях нужно использовать какие-то регуляторы напряжения, и они есть. Устройства, предназначенные для этих целей, так и называются "автоматический регулятор напряжения", иногда просто AVR как аббревиатура от английского варианта.

Отсутствие напряжения может быть вызвано аварией или отключением по целому ряду причин. Ситуация достаточно неприятная, т.к. отсутствие амплитуды или ее падение до крайне низкого значения приводит к немедленному выключения техники, когда компьютер не сохранит данные, а высокотехнологичное оборудование не завершит процесс положенным образом. В этом случае поможет лишь автономное электроснабжение, которое обеспечивается источниками бесперебойного питания.


Искажение формы

Наконец, самый редкий случай – сильное искажение формы сигнала или частоты . Такое возможно лишь из-за проблем энергоснабжающей организации. В общем, современные блоки питания к этому не сильно критичны, но если искажения слишком значительны, то исправить их нельзя, и опять же приходится прибегать к помощи ИБП.

Как это работает?

Несложно догадаться, что все техногенные электрические приборы, в частности, рассматриваемые в данной статье, функционируют с использованием типовых свойств некоторых радиоэлементов и простейших схем. Начать анализ защитного оборудования наиболее целесообразно с рассмотрения фильтров-удлинителей. Что же такое интересное установлено у них внутри, и чем они отличаются от обычных удлинителей? Все очень просто. По своей природе данные устройства способны защитить оборудование от импульсных и высокочастотных помех, а также перенапряжения. В основе импульсной защиты лежит использование варисторов.


Варисторы

Этот элемент имеет нелинейную зависимость тока от приложенного напряжения. Говоря проще, пока напряжение не превысило некий допуск, через варистор протекает крайне низкий ток. Как только амплитуда превышает установленный порог, варистор "открывается" и через него начинает протекать огромный ток. Перед варистором установлен предохранитель, который в большинстве современных конструкций является автоматическим и многоразовым, и, как только ток превышает номинальное значение (как правило, 10А), предохранитель размыкает цепь, отключая оборудование от сети. Такая защита достаточно действенна, хоть и имеет несколько минусов. Во-первых, защищаемая техника просто жестко отключается во время работы. Во-вторых, при сильном импульсе варисторы могут сгореть, оборудование останется в норме, а сам фильтр со сгоревшими элементами уже не будет обеспечивать протекции.


Простейший фильтр на одном варисторе

Самый простой фильтр-удлинитель оборудован как минимум одним варистором и предохранителем, девайсы получше имеют в своем составе минимум три варистора, которые включены треугольником между основными линиями (фаза, ноль и земля). Фильтрация высокочастотных помех осуществляется с помощью индуктивно-емкостных (LC) фильтров. Они работают по так называемому режекторному принципу, имея разное сопротивление для сигналов с различной частотой. Для сетевых 50 Гц они не представляют никакой преграды, а вот уже для 1000 Гц или для 10000Гц являются заслоном на пути к питаемому оборудованию. Как правило, честные производители всегда указывают ослабление сигнала в полосе частот, чем оно больше, тем лучше.


LC-фильтр

В более сложных случаях, когда напряжение в сети периодически не стабильно, целесообразно использовать автоматические регуляторы напряжения. Это несложное устройство содержит в своем составе автотрансформатор, релейный узел и блок измерения входного напряжения. Простая электронная схема все время следит за амплитудой в розетке, благо сегодня реализация подобной штуковины очень проста и дешева. Как только напряжение выходит за положенный допуск, реле включает повышающую или понижающую обмотку трансформатора. Среднестатистически подобные устройства могут держать на выходе 230±10% В, когда амплитуда на входе прыгает от 160 до 300 В. Основными параметрами здесь являются время замера и переключения, ну и, конечно же, мощность.


Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания являются самым надежным видом защиты, т.к. обеспечивают полную протекцию оборудования, и содержат в своем составе как все необходимые фильтры, так и регулятор напряжения. На сегодняшний день можно выделить два основных класса ИБП: линейно-интерактивные и on-line.

Линейно-интерактивные источники служат для бытовых целей, где защита нужна, но к ней не предъявляются слишком жесткие требования. Функционирование источников первого типа сводится к тому, что при наличии сетевого напряжения нагрузка просто питается от розетки через фильтр, как только амплитуда сигнала выходит за рамки допустимого, нагрузка мгновенно отключается от сети и начинает питаться от встроенного инвертора, который генерирует 230 В, используя энергию накопленную в аккумуляторных батареях.


Аккумуляторы

Линейно-интерактивные источники достаточно популярны, т.к. дешевы и надежны, однако, даже они могут не сработать в некоторых нештатных ситуациях. Когда это недопустимо, используют on-line ИБП или, как их еще называют, ИБП двойного преобразования. Напряжение сети понижается, и все время используется для зарядки АКБ, АКБ питает инвертор, к которому и подключена нагрузка. Получается, что мы фактически изолируем технику от сети, а даже при самых сложных внештатных ситуациях она останется цела. Оn-line ИБП стоят заметно дороже линейно-интерактивных, поэтому переплачивать за них имеет смысл лишь при реальной необходимости. Выбирая подобное устройство, вы невольно столкнетесь с множеством технических характеристик, обращать внимание стоит лишь на основные, как-то: время переключения, мощность, наличие AVR, параметры фильтра и время автономной работы. Кстати, напоследок о мощности. Производители всегда указывают ее в вольт-амперах (ВА), чтобы перевести ВА в Вт, их нужно умножить на коэффициент 0.6…07, плюс добавить 25% запаса. Пример: если ваш компьютер потребляет 300 Вт, то вам нужен (300/0.6)1.25=625 ВА ИБП.

Актуальные модели сетевых фильтров-удлинителей

Defender DFS 605 представляет собой один из самых простых, но при этом качественно сделанных фильтров. Для изготовления корпуса применен специальный ABS пластик, который в меньшей степени подвержен горению по сравнению с обычным материалом. Устройство позволяет подключать сразу шесть потребителей общей мощностью 2.2 кВт. Номинальная энергия поглощения импульсной помехи составляет 220 Дж. Неплохим плюсом данной модели можно считать тот факт, что имеется возможность выбора длины шнура: DFS 601 – 1.8 м, DFS 603 – 3 м, DFS 605 – 5 м.

SVEN OPTIMA опять же является очень простым и недорогим решением, что не мешает быть ему весьма популярным. Этот элементарный фильтр-удлинитель допускает подключение шести потребителей и обеспечивает защиту от импульсных и высокочастотных помех, параметры не выдающиеся: 150 Дж поглощаемой энергии и ослабление на ВЧ в 10 раз. Однако даже такая защита в разы лучше, чем ничего, тем более что стоит она совсем немного.

Power Cube РС-5 – детище отечественной компании ООО "Абралан", что не может быть неприятным. РС-5 – это продукт представляющий низшую касту подобных устройств, номинальная энергия поглощения не превышает 90 Дж. Но за свои $10 он все же обеспечивает надежную защиту и удобство подключения техники, которая может быть обесточена нажатием одной кнопки.

Defender DFS 805 относится уже к совершенно другому классу устройств, которые стоят на порядок выше моделей за $3…7. Данный фильтр обладает не только выдающимися параметрами: поглощение импульсной энергии - 714 Дж, ослабление помех – 50 дБ, но и реализует некоторые интересные функции включения оборудования. Так, здесь используется система master/slave, когда одна из розеток может управлять включением всех остальных. Т.е. если вы нажатием кнопки активируете этот режим, то питание к пяти розеткам поступит лишь тогда, когда начнется потребление энергии от главной шестой. Это достаточно удобно для комплекса аппаратуры, например, включаем телевизор, и сразу включается усилитель для акустики, плеер, и т.д., выключаем – все наоборот.

Defender SMART 100 может быть отнесен к устройствам высшего класса, т.к. обладает продвинутыми параметрами и функциями. Мощность нагрузки может составлять 3680 Вт, рассеиваемая энергия - 3672 Дж, ослабление ВЧ помех – до 75 дБ. Несложно заметить, что данная модель обладает выдающимся дизайном, а спереди расположен дисплей, отображающий значение подключенной токовой нагрузки. Розетки находятся сзади, всего их восемь штук: четыре из них являются постоянно подключенными, остальные реализуют функцию сбережения энергии. В заключение стоит отметить, что SMART 100 оборудован еще и такими приятными мелочами, как поворачивающийся на 90 градусов кабель, и функцией включения с любого пульта управления на ИК лучах.

Топовой моделью компании SVEN является фильтр Platinum . Главной его «фишкой» является раздельное включение потребителей, когда для каждой розетки используется свой отдельный выключатель. Кроме того, изделие обладает неплохими техническими параметрами и достаточно удобно в использовании. Фильтр можно просто положить на пол или закрепить на стене.

Не стоит забывать и о некоторых дорогих продуктах, например, АРС PH6T3-RS . Да, его цена заметно отличается от среднестатистических показателей, однако оно того стоит, т.к. АРС предлагает беспрецедентно высокое качество изготовления и защиты. Приятным дополнением данного образца является сетевой кабель, который может поворачиваться на 180 градусов, и удобный держатель для проводов.

Актуальные модели сетевых стабилизаторов

АРС Line-R 600 можно назвать одним из лучших автоматических регуляторов на рынке, он прост, но максимально надежен и неприхотлив. В основе его функционирования лежит переключение обмоток трансформатора реле, которые управляются популярным микроконтроллером. На передней панели расположены три индикатора, поэтому пользователь всегда будет знать, в каком режиме находится устройство. Если мощность 600 ВА мала для вашего компьютера, то можно прибегнуть к покупке более мощного варианта на 1200 ВА.

Mustek PowerMate 625 является регулятором из разряда "попроще". Однако за свои деньги он обеспечивает нормальную мощность, имеет две розетки для подключения оборудования и дополнительную протекцию телефонной линии. Входное напряжение составляет 192 – 272 В, на выходе же мы получаем 230±10% В.

Бренд Krauler пришел на отечественный рынок достаточно недавно, но продукция, продаваемая под этой маркой, весьма достойная. В частности, регулятор VR-N1000VA может работать в широчайшем входном диапазоне напряжений от 140 до 260 В, обеспечивая точность на выходе не хуже ±8%. Тип работы релейный. Приятным бонусом можно считать цифровой индикатор амплитуд напряжения на передней панели. Да и цена около $35 за 1000 ВА мощности более чем приятная.

SVEN NEO R 1000 – модель достаточно обыденная с технической точки зрения, но при этом очень удобная для использования. Корпус выполнен в форм-факторе небольшого кубика, который подключается к сети, и в него же включаются две вилки защищаемого оборудования. Входное напряжении может составлять 150 -280 В, а выходное - 195 -248 В. Как видно, нижняя граница может значительно отклоняться от номинала; это не так опасно как отклонение вверх, но все равно не стоит подключать к данному устройству приборы, которые плохо переносят возможную просадку до 195 В.

Defender AVR iPOWER 1000 является одним из новейших продуктов компании, и разработан с учетов всех современных веяний. Корпус выполнен с явным дизайнерским изыском из негорючего пластика, а на передней панели расположен ЖК индикатор со всеми необходимыми данными.

Актуальные модели источников бесперебойного питания

SOCOMEC SICON NETYS PL 750 – продукт малоизвестного на наших просторах производителя, однако качество данного решения не вызывает никаких нареканий. Источник сделан максимально удобным, т.к. все шесть розеток для стандартных вилок расположены на задней панели. Заявленные технические характеристики полностью соответствуют реальным. Минусом ИБП SOCOMEC SICON можно считать крайне нефункциональное и «сбойное» программное обеспечение. Однако мониторинг параметров работы требуется не всегда, поэтому зачастую на подобный недостаток можно закрыть глаза.

IPPON Back Verso на пару с Back Office представляют класс исключительно офисных бесперебойников, о чем, в первую очередь, говорит их мощность. Обе модели выпускаются в двух конфигурациях, обеспечивая 400 или 600 ВА на выходе. Этого вполне достаточно для питания нетребовательных "печатных машинок". Время автономной работы при нагрузке близкой к номинальной не превышает несколько минут, поэтому при отключении электричества сразу следует завершать все процессы. Если требуется протекция более мощного оборудования, то следует посмотреть в сторону линеек Smart Power Pro и Smart Winner этого же производителя.

Компания SVEN предлагает целый ряд бюджетных решений, достаточно удачным из которых можно считать Power Pro+ 825 . Эта модель сделана по всем современным требованиям и оснащена портом USB для подключения компьютера. От некоторых «одноклассников» ее отличает батарея повышенной емкости (9 Ач против стандартных 7 Ач), что увеличивает время автономной работы.

Одну из лидирующих позиций на рынке ИБП занимает компания АРС, предлагающая не просто сотни различных моделей, а вообще комплексный подход к решению проблем электропитания и защиты оборудования. Для дома мы рекомендуем модель APC BACK-UPS 900 . Она отличается высочайшим качеством изготовления и самым современным уровнем схемотехники.

Powercom WOW-700U является еще одним представителем удобных ИБП, т.к. корпус устройства выполнен в виде обычного удлинителя. Во всем остальном это стандартный бесперебойник, причем с достаточно симпатичными параметрами. Время автономной работы с одним компьютером составляет около 10 минут, время зарядки – не более 6 часов.

Неплохой по качеству является и серия Black Star компании Powerman. Здесь можно выбрать мощность от 400 до 1500 ВА. Удобство использования обусловлено установкой обычных розеток на задней панели корпуса. У более слабых моделей их две, у мощных – три.

Добавлено: 08.07.2013

Компьютеры – довольно капризное устройства, то они зависают, то сами по себе перезагружаются или возникает так знакомый каждому пользователю Windows синий экран смерти (или печальный смайлик). Причин тому может быть множество. Сбои делятся на программные и аппаратные. В этой статье попробуем разобрать основные причины компьютерных сбоев и методы их устранения.

Аппаратные проблемы

№1 Плохие конденсаторы

Самая частая аппаратная проблема. Плохой конденсатор может никак не сказываться на работе, а может вызывать сбои и зависания вплоть до того, что система не будет включаться. Их легко найти и нетрудно заменить, нужен только паяльник и желание, впрочем подойдёт и знакомый, умеющий паять или сервис-центр, где за небольшую плату вам заменят конденсаторы.

Продвинутые радиолюбители возможно скажут, что я сильно упрощаю проблему с конденсаторами и будут правы, но в большинстве случаев такой визуальной диагностики с перепайкой вздутых ёмкостей достаточно, а более сложная диагностика и ремонт комплектующих требует специального оборудования и навыков радиоинженера

№2 Встроенная сетевая карта

Чаще всего горит из-за наведённого электричества или дефектного свитча. Если сгорела встроенная сетевая карта, установите отдельную сетевую карточку, а встроенную отключите в BIOS. Если её не отключить, то компьютер может зависать при загрузке

№3 Блок питания

Блок питания напрямую влияет на стабильность и срок жизни комплектующих. Из-за некачественного блока питания чаще всего ломаются жёсткие диски. Проблема с блоком питания может проявляться в виде внезапных перезагрузок или выключений компьютера. Иногда он может реагировать на кнопу питания не с первого раза.

Блок питания должен быть известных марок: FSP, Thermaltake, OCZ, Corsair, Zalman, Cooler Master. Хороший 700Вт блок стоит около 100$. Советую брать блок с отстёгивающимися кабелями – это удобно.

№4 Платы расширения

Иногда причина нестабильной работы системы кроется в плате расширения. Сегодня в большинстве компьютеров единственной такой платой является видеокарта. Поэтому диагностика сводится к вопросу о работоспособности видеокарты. Проверить её можно специализированными тестами, например

№5 Разгон

Разгон – это увеличение тактовой частоты вычислительных блоков компьютера, чаще всего процессора и видеокарты, с целью повышения производительности. Почти любой компьютер можно немного разогнать без потери стабильности. Однако не всегда проблемы появляются сразу. Если ваша система разогнана и вы наблюдаете сбои, проверьте свой компьютер стресс тестами на стабильность, например тем же , если проблема в разгоне, то система должна зависнуть или перезагрузиться. Главное следите за температурой GPU, желательно, чтобы она не доходила до 100ºС

№6 Оперативная память

Некачественная память очень неприятная вещь. Проблемы могут вылезти в виде синих экранов, причём код ошибки вам может ничего не дать. Проявляется дефектная память очень разнообразно, но проверить её можно во первых через встроенный тест быстродействия в (можно даже в пробной версии) или тот же . Вариант продвинутый - .

№7 Контакт процессора

Иногда процессор может каким-то неведомым образом терять контакт с гнездом. Чаще всего видел такое с Pentium 4 S478 и с AMD. Решение очень простое: вытащить процессор и снова вставить его.

№8 Севшая батарейка CMOS

Компьютеры по-разному реагируют на севшую батарейку. Иногда просто сбиваются часы, а бывает, что вообще не включаются. Решение: заменить батарейку. Обычно она выглядит как таблетка

№9 Перемычка CLR CMOS

Эта перемычка служит для сброса BIOS Если переключить эту перемычку в положение CLR CMOS, то компьютер перестанет реагировать даже на кнопку питания. Как она может оказаться в положении сброса? Кто знает... Просто иногда так оказывается.

Перемычка обнуления bios рядом с батарейкой

На фотографии перемычка имеет 2 штырька, на других материнских платах может быть 3, тогда положение 1-2 обычно означает рабочий режим 2-3 – режим сброса

№10 Перегрев узлов компьютера

Обычно больше всего греется процессор, северный и южный мосты и видеокарта. Если греется видеокарта, значит её пока снять и почистить, если процессор, то возможно засохла термопаста или также нужно почистить кулер. Если процессор Pentium 4 с сокетом 478 (не смейтесь, на них ещё долго будут работать), то проверьте крепления кулера, они часто ломаются у этой модели и радиатор перестаёт плотно прилегать к поверхности процессора. Если греются мосты, то на них нужно поставить радиатор. Узнать температуру процессора, видеокарты и жёстких дисков можно с помощью программы

Здесь всё хорошо

№11 Сбои на диске

Диски портятся – это факт. Диск после 3-4 лет интенсивной работы не так быстр, как после покупки, а если это системный диск, то сбои на нём могут проявляться в виде зависаний при загрузке, очень долгой загрузки, падения системы из-за ошибок ввода-вывода. Решение - запустите встроенную в ОС проверку диска или воспользуйтесь . Если диск на гарантии, то лучше сразу менять.

Программные сбои

№12 Драйверы

Windows устроен так, что любой драйвер может свалить систему в синий экран. Начиная с Windows Vista, дело обстоит несколько лучше, но по прежнему эта проблема встречается..

Большинство проблем с драйверами решается их обновлением. При сбоях драйверов дискового контроллера или ntfs/vfat стоит проверить диск на наличие ошибок.

№13 Ядро

PAGE_FAULT_IN_NONPAGED_AREA - это наверное самая часто возникающая ошибка, связанная с тем, что некая программа залезла в недопустимую область памяти или запросила данные, которых нет. Причины этого сбоя очень разнообразны. Если стало повторяться часто, лечится переустановкой Windows. Иногда антивирусы вызывают такой сбой. Ещё одна причина сбоев, связанных с ядром Windows – пиратский Windows с плохим активатором

№14 Реестр

Если реестр повреждён, то вы можете наблюдать следующую картину:


Обычно это связано со сбоями при записи на диск, например при скачке напряжения. Иногда этот сбой легко исправляется с помощью загрузочной флешки, но бывает, что лечится только переустановкой Windows.

№15 Вирусы

Большинство современных вирусов никак не проявляют себя в работе потому что их цель кража информации, а не поломка системы. Но есть и вирусы, служащие для создания ботнетов, например для распределённого взлома паролей, DDoS атак или даже для добывания криптовалюты bitcoin. Такой вирус будет использовать 100% ресурсов вашего компьютера из-за чего он начнёт сильно тормозить

№16 Системное ПО

Есть определённая категория программ, устанавливающая в систему свои модули ядра для низкоуровневого взаимодействия с ОС или оборудованием. К таким программам относятся все эмуляторы CDROM, антивирусы, программы для разметки дисков, фаерволы, некоторые системы защиты от копирования, виртуальные устройства. Самая распространённая проблема от такого ПО – синий экран. Чтобы определить какая именно программа вызвала ошибку, зайдите в системный журнал:

Панель управления → Администрирование → Управление компьютером

Обращайте внимание на колонку Уровень. На этом скриншоте нет ошибок, но если вместо «Сведения» появится «Ошибка» или «Критический», проверьте ей содержимое. Иногда это помогает определить причину сбоя.

Заключение

Это может и не все возможные сбои, но я постарался собрать наиболее распространённые проблемы. В других статьях эти проблемы ещё будут рассматриваться подробнее с примерами и пояснениями, сама статья, возможно, будет дополняться. А пока, надеюсь эта статья кому-то поможет понять почему компьютер вдруг стал работать нестабильно.

Очень многие проблемы, связанные с компьютером, можно предотвратить, если купить к нему ИБП. Не пожалейте 100$ на него, если конечно у вас не ноутбук.


  • извлечении носителя из дисковода (подробнее об этом см. далее);
  • нажатии кнопки RESET нетерпеливым пользователем;
  • фатальном аппаратном сбое;
  • аппаратном сбое, который сам по себе не был фатальным, но система не смогла правильно восстановиться, что привело к ее разрушению;
  • разрушении системы из-за чисто программных проблем.

На практике часто сложно провести границы между тремя последними типами сбоев. В качестве примера можно привести проблему, описанную в разд. Обмен данными с пользовательским процессом . В системах класса ДОС последняя причина возникает очень часто, поэтому в таких системах можно использовать только устойчивые сбоям ФС.
В системах класса ОС "спонтанные" зависания происходят намного реже Система, зависающая по непонятным или неустранимым причинам раз в несколько дней, считается малопригодной для серьезного использования а делающая это раз в месяц - подозрительно ненадежной. Поэтому в таких системах можно позволить себе роскошь использовать неустойчивые к сбоям ФС. Тем более что такие системы, как правило, обладают более высокой производительностью, чем устойчивые ФС.
К тому же перед выключением системы, интегрированной в сеть, необходимо уведомить всех клиентов и все серверы о разъединении. Только чисто клиентская машина может быть выключена из сети без проблем. Поэтому на сетевых серверах в любом случае необходима процедура закрытия системы (shutdown). Так почему бы не возложить на эту процедуру еще и функцию размонтирования ФС?
В системах же реального времени, которые по роду работы могут часто и неожиданно перезапускаться, например, при отладке драйверов или программ, осуществляющих доступ к аппаратуре, стараются использовать устойчивые к сбоям ФС.
Хотя первая из перечисленных выше причин - извлечение носителя из дисковода - не является "сбоем" даже в самом широком смысле этого слова, с точки зрения ФС она мало чем отличается от сбоя. Поэтому на удаляемых носителях, таких, как дискеты, можно использовать только устойчивые ФС.
Интересный альтернативный подход используется в компьютерах Macintosh и некоторых рабочих станциях. У этих машин дисковод не имеет кнопки для извлечения дискеты. Выталкивание дискеты осуществляется программно, подачей соответствующей команды дисководу. Перед подачей такой команды ОС может выполнить нормальное размонтирование ФС на удаляемом диске.
В узком смысле слова "устойчивость" означает лишь то, что ФС после аварийной перезагрузки не обязательно нуждается в восстановлении. Такие ФС обеспечивают целостность собственных структур данных в случае сбоя, но, вообще говоря, не гарантируют целостности пользовательских данных в файлах.
Нужно отметить, что даже если ФС считается в этом смысле устойчивой, некоторые сбои для нее могут быть опасны. Например, если запустить команду DISKOPT на "устойчивой" файловой системе FAT и в подходящий момент нажать кнопку RESET, то значительная часть данных на диске может быть навсегда потеряна.
С другой стороны, можно говорить об устойчивости в том смысле, что в ФС после сбоя гарантирована целостность пользовательских данных. Достаточно простого анализа для того чтобы убедиться, что такую гарантию нельзя обеспечить на уровне ФС; обеспечение подобной целостности накладывает серьезные ограничения и на программы, работающие с данными, а иногда оказывается просто невозможным.
Характерный и очень простой пример: архиватор InfoZip работает над созданием архива. Программа сформировала заголовок файла, упаковала и записала на диск около 50% данных, и в этот момент произошел сбой. В zip-архивах каталог находится в конце архивного файла и записывается туда после завершения упаковки всех данных. Обрезанный в случайном месте zip-файл не содержит каталога и поэтому, безусловно, является безнадежно испорченным. Поэтому при серьезном обсуждении проблемы устойчивости к сбоям говорят не о гарантии целостности пользовательских данных, а об уменьшении вероятности их порчи.
Поддержание целостности структур ФС обычно гораздо важнее, чем целостность недописанных в момент сбоя пользовательских данных. Дело в том, что если при сбое оказывается испорчен создававшийся файл, это достаточно неприятно; если же окажется испорчена файловая система, в худшем случае это может привести к потере всех данных на диске, т. е. к катастрофе. Поэтому обычно обеспечению целостности ФС при сбоях уделяется гораздо больше внимания.
Упоминавшаяся выше "врожденная" устойчивость к сбоям файловой системы FAT объясняется тем, что в этой ФС удаление блока из списка свободных и выделение его файлу производится одним действием - модификацией элемента FAT (рис. 11.16). Поэтому если во время этой процедуры произойдет сбой или дискета будет вынута из дисковода, то ничего страшного не случится: просто получится файл, которому выделено на один блок больше, чем его длина, записанная в каталоге. При стирании этого файла все его блоки будут помечены как свободные, поэтому вреда практически нет.

Рис. 11.16. Модификация FAT

Нужно отметить, что при активном использовании отложенной записи FAT и родственные ФС теряют это преимущество. Отложенная запись FAT является единственным способом добиться хоть сколько-нибудь приемлемой производительности от ФС с 32-битовым FAT. Поэтому, хотя Novell NetWare и использует ФС, основанную на 32-битной FAT, после аварийной перезагрузки эта система вынуждена запускать программу аварийною становления дисковых томов. Аналогичным образом ведет себя и FAT3? Если же система хранит в одном месте список или карту свободных блоков, а в другом месте списки блоков, выделенных каждому файлу (рис. 11.17) как это делают HPFS или ФС систем семейства Unix, то при прерывании операции выделения места в неподходящий момент могут либо теряться блоки (если мы сначала удаляем блок из списка свободных- рис. 11.18) либо получаться блоки, которые одновременно считаются и свободными, и занятыми (если мы сначала выделяем блок файлу).
Первая ситуация достаточно неприятна, вторая же просто недопустима: первый же файл, созданный после перевызова системы, будет "перекрещиваться" с испорченным (рис. 11.19). Поэтому все ОС, использующие файловые системы такого типа (системы семейства Unix, OS/2, Windows NT и т. д.), после аварийной перезагрузки первым делом проверяют своп ФС соответствующей программой восстановления.

Рис. 11.17. Модификация структур данных сложной ФС

Рис. 11.18. Потерянный блок

Рис. 11.19. Пересекающиеся файлы

Задача обеспечения целостности файловых систем при сбоях усложняется тем, что дисковые подсистемы практически всех современных ОС активно используют отложенную запись, в том числе и при работе с системными структурами данных. Отложенная запись, особенно в сочетании с сортировкой запросов по номеру блока на диске, может приводить к тому, что изменения инода пли файловой записи все-таки запишутся на диск раньше, чем изменения списка свободных блоков, что может приводить к возникновению "скрещенных" файлов. Для того чтобы этого не происходило, сортировке, как правило, подвергают только запросы чтения, но не записи.

Для защиты ИТ-оборудования от перебоев в электросети и некачественного электропитания широко применяются источники бесперебойного питания (Uninterruptible Power Supply, UPS) - ИБП. Это дополнительное оборудование, предназначенное для электропитания ИТ-систем или других устройств при кратковременном (до нескольких десятков минут) отключении основного электропитания, а также для защиты от помех и бросков в электросети и поддержания параметров питания в допустимых пределах. То есть ИБП также могут использоваться для улучшения качества электропитания.


По конструктивному исполнению ИБП можно разделить на настольные, напольные и стоечные (19"). Основное назначение любого ИБП - защита нагрузки от возможных проблем в цепях электропитания. По статистике, каждый ПК ежемесячно подвергается воздействию около 120 нештатных ситуаций, связанных с проблемами электропитания. В их числе:

Таким образом, ИБП сглаживают небольшие и кpатковpеменные броски питания, фильтpуют питающее напpяжение, но их главная задача - питать нагpузку в течение некотоpого вpемени после пpопадания напpяжения в сети. Многие модели с помощью пpогpаммного обеспечения могут автоматически завершать работу ИТ-оборудования пpи пpодолжительном отсутствии напpяжения в питающей сети, а также пеpезапускать его пpи восстановлении сетевого питания или по таймеру. Некоторые ИБП предусматривают функции монитоpинга и записи параметров источника питания (таких как темпеpатуpа, уpовень заpяда батаpей и дpугие показатели), отобpажение параметров напpяжения и частоты тока, выходного напpяжения и мощности, пpедупpеждение об аварийных ситуациях и пр. При пропадании напряжения в электросети любые ИБП переключают нагрузку на питание от батареи, но есть важные отличия.

Батареи: альтернатива свинцово-кислотным аккумуляторам

Сегодня 95% всех источников бесперебойного питания производятся с использованием свинцово-кислотных батарей в качестве источника постоянного тока.

Тем временем некоторые вендоры уже объявили о начале перевода нескольких моделей устройств бесперебойного питания со свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные. Их начальная стоимость пока что выше свинцово-кислотных, однако за последние несколько лет разрыв в ценах существенно сократился.

По данным Schneider Electric, в зависимости от сферы применения литий-ионных аккумуляторов в общей стоимости владения в течение срока их службы можно добиться экономии в 10-40% по сравнению с традиционными аккумуляторами.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) накапливают гораздо больше энергии в меньшем объеме. Так, в сравнении со свинцово-кислотными аккумуляторами с клапанным регулированием (VRLA) равной мощности они занимают втрое меньше места. А благодаря длительному сроку службы существенно сокращаются объемы работ и расходов по их замене.

Между тем подавляющее большинство ИБП по-прежнему комплектуется свинцово-кислотными батареями, известными своей надежностью, высоким качеством и оптимальными ценовыми характеристиками.

Классы ИБП

По принципу действия ИБП делятся на три основных класса: резервные ИБП (off-line), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием (on-line). Тип ИБП определяется соотношением параметров на входе и выходе устройства. У первых частота и напряжение на выходе определяются частотой и напряжением на входе; вторые стабилизируют напряжение на выходе при совпадении частот, а ИБП с двойным преобразованием преобразуют переменное напряжение в постоянное и вновь генерируют на выходе переменное (синусоидальное) напряжение, характеристики которого не зависят от параметров на входе ИБП.

В резервных (или пассивных) ИБП нагрузка питается напрямую от электросети, как правило, через помехоподавляющий фильтр. При отказе электросети нагрузка переключается на резервное питание от инвертора, питающегося от батарей. Такие ИБП просты и недороги, имеют высокий КПД, но не стабилизируют напряжение и частоту электросети, а переключение на питание от батарей происходит за несколько миллисекунд. Их мощность обычно невелика - от 220 до 2000 ВА.

Резервные ИБП:

Типовая область применения резервных ИБП - защита ПК или вспомогательного оборудования, где значимость хранимой информации или выполняемых операций сравнительно невелика. Эта топология не подходит в случае частых отключений или при некачественном электропитании.
Схема работы простейшего резервного ИБП показана ниже.


ИБП резервного типа: нормальный режим работы (rectifier - выпрямитель, inverter - инвертор, SPD - фильтр питания, bypass - байпас).


ИБП резервного типа: аварийный режим работы .

Для защиты более важного оборудования, например, серверов начального уровня, сетевого и телекоммуникационного оборудования, лучше использовать линейно-интерактивные ИБП. Они обеспечивают стабилизацию напряжения питания в заданном диапазоне и снижают влияние переходных процессов на работоспособность защищаемого оборудования.

Линейно-интерактивные ИБП поддерживают параметры питающего напряжения и синхронно переключают нагрузку на инвертор при его пропадании. В них инвертор включен параллельно электросети, он регулирует и стабилизирует выходное напряжение, одновременно заряжая батареи. Иногда ИБП дополняют автотрансформаторами, что позволяет расширить диапазон регулирования напряжения без перехода на батарею.

Преимущества данной технологии - стабилизация напряжения, меньшее время переключения на батареи и хорошо аппроксимированная синусоидальная форма напряжения на выходе ИБП. Существуют и более дешевые разновидности линейно-интерактивных ИБП со «ступенчатой» синусоидой.


Линейно-интерактивный ИБП: нормальная работа.


Линейно-интерактивный ИБП: аварийный режим.

Линейно-интерактивные ИБП:

Линейно-интерактивные ИБП можно использовать для защиты профессиональных рабочих станций, серверов среднего уровня, коммутаторов, маршрутизаторов и другого сетевого оборудования, но они не подходят для защиты сложного и дорогостоящего оборудования, чувствительного к электромагнитным помехам, колебаниям напряжения питания и нестабильности частоты питания, например, медицинского.

Линейно-интерактивные ИБП не годятся и для защиты непрерывных технологических процессов, а также для построения централизованных систем гарантированного электропитания, где важно обеспечить полную независимость электрических параметров на выходе ИБП от параметров на входе.

Разновидность линейно-интерактивных систем - ИБП с дельта-преобразованием напряжения. Благодаря усовершенствованной обратной связи напряжение на нагрузке у них регулируется плавно, а не ступенчато, обеспечивается стабилизация частоты выходного напряжения.


ИБП с дельта-преобразованием в штатном и автономном режимах.

Главное достоинство ИБП с дельта-преобразованием - высокий КПД. Однако достигается он, когда параметры напряжения сети соответствуют номинальным значениям, входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую, а сам ИБП нагружен на полную мощность. В противном случае повышается нагрузка на основной и дельта-инвертор, или снижается эффективность использования входного трансформатора, что ухудшает КПД. К тому же эффекту приводит расширение диапазона входных напряжений для нормального режима работы. В итоге, имея преимущество по КПД (2-3%) в идеальных условиях, ИБП с дельта-преобразованием проигрывают линейно-интерактивным в условиях реальных.

ИБП с дельта-преобразованием:


Линейно-интерактивный ИБП APC BR1000G дает на выходе не совсем чистую синусоиду, но такой аппроксимации достаточно для большинства устройств.

Самый технически совершенный класс источников бесперебойного питания - системы с двойным преобразованием - гарантируют выходные электрические характеристики, близкие к идеальным, как по напряжению, так и по частоте. За это приходится платить усложнением и удорожанием конструкции.

Системы с двойным преобразованием обеспечивают очень малое время переключения на работу от батарей и имеют высокие выходные электрические характеристики. Такие ИБП подходят для критически важных приложений, защиты мощных серверов и кластеров, телекоммуникационного оборудования и локальных сетей. Они имеют высокий КПД в режиме двойного преобразования (95-96%) и синусоидальную форму выходного напряжения.

На российском рынке присутствует более двух десятков моделей ИБП с двойным преобразованием. Примерно половина этих устройств предназначена для монтажа в стойку. Технология двойного преобразования позволяет гарантировать максимальную защиту от перебоев в электросети.

В таких ИБП входное переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем инвертором - обратно в переменное. Даже при больших отклонениях входного напряжения ИБП питает нагрузку чистым синусоидальным стабилизированным напряжением. Инвертор включен последовательно с основным источником электроснабжения и всегда находится во включенном состоянии. При пропадании входного напряжения он переходит на питание от батарей.

В обычном режиме при питании от сети электроэнергия поступает через выпрямитель и инвертор, одновременно подзаряжая батареи. В случае пропадания или сбоя питания на входе ИБП инвертер запитывается от аккумуляторных батарей. Переключение происходит без использования статического переключателя, поэтому переход на работу от батарей мгновенен. Статический ключ в данной схеме используется только для перехода на режим автоматического байпаса для питания нагрузки в случае существенного сбоя в работе ИБП.


ИБП с двойным преобразованием отличает надежная защита нагрузки по электропитанию.


ИБП с двойным преобразованием: аварийный режим, питание от батареи.

В ИБП с двойным преобразованием поддерживается точная регулировка напряжения и частоты на выходе ИБП, бесперебойно осуществляется переход в байпас. Ручной байпас можно использовать для обслуживания и «горячей» замены батарей и самого ИБП.

Такие ИБП отличают постоянная стабилизация напряжения и частоты, непрерывность фазы выходного напряжения, отсутствие влияние нагрузки на сеть, полная фильтрация питания. Но есть и отрицательные стороны - сложность конструкции и высокая цена, относительно невысокий КПД. Диапазон мощностей выпускаемых устройств очень широк - от 600 ВА до нескольких сотен кВА.

ИБП с двойным преобразованием:

Краткое сравнение ИБП разных классов


Резервные
Линейно-интерактивные
С двойным преобразованием
Мощность ИБП
 менее 1,5 кВА
 менее 4 кВА
 не ограничена
Режим работы от сети
Стабилизация напряжения
 нет
 ступенчатая
 полная
Стабилизация частоты
 нет
 Нет
 есть
Фильтрация помех
 слабая
 средняя
 максимальная
Батарейный режим
Частота переходов
 частая
 средняя
 редкая
Время перехода на батареи
 5-15 мс
 2-6 мс
 нет
Форма синусоиды
 часто трапецеидальная
 синусоидальная
 синусоидальная
режим «байпас»
 нет
 нет
 есть
гальваническая развязка
 Нет
 нет
 возможна

Между тем отрасль давно нуждалась в более точной классификации ИБП. Согласно стандарту IEC 32040, введены три буквенных обозначения: VFI, VI и VFD.
  • Класс VFI (Voltage & Frequency Independent) - выходные напряжение и частота ИБП не зависят от входных параметров.
  • Класс VI (Voltage Independent) - выходная частота совпадает с входной, напряжение на выходе регулируется в заданных пределах.
  • Класс VFD (Voltage & Frequency Dependent) - выходное напряжение и частота совпадают с входными.
Вот как это соотносится с топологией ИБП:

В классификации учитывается также степень несинусоидальности выходного напряжения ИБП в нормальном (при работе от сети) и автономном режиме (при работе от батарей). Первая буква соответствует характеристике формы напряжения для нормального режима, вторая - для автономного.
  • S соответствует синусоидальному выходному напряжению с коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) менее 8% как при линейной, так и при нелинейной нагрузке.
  • X соответствует несинусоидальному сигналу с КНИ более 8% при нелинейной нагрузке.
  • Y соответствует несинусоидальному сигналу при любой нагрузке, КНИ превышает установленные в IEC 61000-2-4 пределы.
Наконец, во внимание принимаются динамические характеристики ИБП - колебания амплитуды выходного напряжения при изменении режима работы и 100% скачкообразном изменении величины нагрузки. Первый символ в этой классификации - колебания выходного напряжения при изменении режима работы ИБП (нормальный, автономный, байпас).

Второй символ характеризует колебания выходного напряжения при 100% изменении линейной нагрузки. Тестирование проводится в нормальном и автономном режимах, выбирается наихудший показатель. Третий символ характеризует колебания выходного напряжения при 100% изменении нелинейной нагрузки. Конечно, ИБП имеют и другие характеристики, и их немало.

Характеристики ИБП

Перечислим кратко главные характеристики ИБП^
Диапазон изменения входного напряжения, при котором ИБП не переключаются на батареи.
 Чем он больше, тем меньше количество переходов на батарею, что увеличивает срок ее службы. Это особенно актуально для электросетей в российских регионах, где нередки «просадки» напряжения.
Изменение выходного напряжения при изменении входного.
 ИБП должен обеспечивать выходное напряжение для нормальной работы оборудование. Выход за допустимый диапазон может вызвать сбои в работе оборудования или даже вывести его из строя.
Параметры выходного напряжения при работе от батареи.
Эти параметры определяют качество питания, обеспечиваемое ИБП.
Процесс переключения ИБП на батарею и обратно.
Для защищаемого оборудования все переходные процессы должны быть «незаметны», выполняться быстро и корректно.
Поведение ИБП при перегрузке.
При перегрузке в режиме работы от батарей ИБП выключается, то есть при пропадании напряжения в сети оборудование будет обесточено. Некоторые ИБП обеспечивают индикацию (в том числе звуковую) перегрузки и/или защиту от перегрузки.
Наличие «холодного» старта.
Возможность включить ИБП при отсутствии напряжения в сети может пригодиться, например, если во время длительного пропадания питания нужно на короткое время включить компьютер, или требуется протестировать систему.
Стабилизация частоты питания.
Некоторые виды оборудования требуют стабильной частоты питающего напряжения.
Поддержка программного обеспечения и наличие интерфейса для подключения к ПК.
 «Интеллектуальные» ИБП поддерживают программируемое отключение наименее критичных нагрузок в моменты перегрузки. Многие современные ИБП поставляются также со специальными программами, позволяющими сохранять файлы статистики работы устройства.
Выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (ВА) или ваттах (Вт).
 Мощность считается одной из основных характеристик. Если суммарная мощность нагрузки будет превышать мощность ИБП, то это может привести к выходу последнего из строя, или постоянным перезагрузкам. Нужно знать, какую мощность потребляет ПК и все подключаемые к нему устройства. Активная мощность ИБП должна быть как минимум на 10-15% больше суммы мощностей блока питания ПК и монитора.
Время автономной работы при питании нагрузки.
Оно определяется емкостью батарей и мощностью подключенного к ИБП оборудования. У большинства офисных ИБП равняется 4-15 минутам.
Срок службы аккумуляторных батарей.
Обычно свинцовые аккумуляторные батареи значительно теряют свою емкость уже через 3-4 года. Срок их эксплуатации зависит от цепи зарядки батареи. В современных ИБП применяются технические решения, продлевающие жизнь батареи и допускающие ее замену. Появляются ИБП малой мощности с десятилетними аккумуляторными батареями емкостью 9–18 А*ч (которые в реальности работают пять-семь лет) вместо пятилетних (которые реально служат три года).
Количество разъемов питания (розеток).
 Нужно подсчитать, сколько устройств требуют защиты по питанию. Наряду с разъемами бесперебойного питания в ИБП часто имеются дополнительные розетки просто с защитой от скачков напряжения. Учитывайте тип розеток - евро (CEE 7/4) или компьютерные (C-13 или C-14).
Индикация режима работы.
 ИБП способны не только подавать звуковые сигналы в случае переключения режима, но и выдавать информацию с помощью светодиодов или выводить ее на ЖК-экран, где могут отображаться до 20 различных состояний, а также дополняются средствами управления (например, через SNMP). Некоторые модели способны информировать о необходимости замены батареи.
Форма напряжения на выходе.
 Форма выходного напряжения может быть синусоидальной или аппроксимированной. Блоки питания ПК с активным PFC «плохо дружат» с ИБП, у которых ступенчатая аппроксимация синусоиды. С другой стороны, инвертор синусоидального сигнала более сложен, имеет более низкий КПД.
AVR
ИБП с хорошей работой автоматического регулятора напряжения (AVR) нужны тем, у кого напряжение в сети нестабильно.
Фильтр питания.
 Правильный фильтр питания состоит из четырех конденсаторов и двух дросселей, в фильтре попроще дроссели заменяются на резистор или специальные перемычки. В некоторых ИБП нет фильтра - они снабжаются только варисторным ограничителем. Хотя для современной техники фильтр не является необходимостью, если его нет, то стоит внимательнее присмотреться выбираемой модели. Возможно, производитель экономит не только на фильтре.
Акустический шум.
Все ИБП издают шум при работе от батареи, но некоторые еще и при зарядке батарей. В общем случае лучше выбрать ИБП без вентилятора, если он не будет устанавливаться в серверной комнате.
Зарядка батареи.
 Зарядная схема ИБП должна обеспечить оптимально быструю зарядку батареи до нужного напряжения. Однако слишком быстрая зарядка, как и зарядка до повышенного напряжения приводит к преждевременному износу батареи, а медленная не обеспечивает своевременной повторной готовности ИБП.

Некоторые блоки питания ПК используют функцию активной коррекции коэффициента мощности (PFC) и не всегда корректно работают с приближенной, не «чистой» синусоидой питания. Это может приводить к периодической перезагрузке системы.

Мощность ИБП может указываться в вольт-амперах (ВА) или в ваттах (Вт). ВА представляет максимальную теоретическую мощность на выходе ИБП, однако доступная мощность в Вт меньше - 60% от номинала в ВА. То есть ИБП на 1000 ВА соответствует ИБП на 600 Вт.

Не стоит перегружать ИБП. Например, для защиты нагрузки в 300 Вт лучше применять ИБП на 400-600 Вт. Такой вариант надежнее и обеспечивает большее время автономной работы. Учтите также, что емкость батареи со временем падает. И не подключайте к ИБП оборудование с пиковым потреблением мощности, способное вызвать перегрузку источника питания, такое как лазерные принтеры. Некоторые ИБП имеют защиту от перегрузки.

Задача электропитания при длительном отсутствии напряжения обычно решается с помощью установки бензиновых или дизельных генераторов. Но зачастую шум, выхлопные газы, необходимость периодического обслуживания, а также высокие требования к качеству электропитания делают использование генератора неприемлемым. В таких случаях рекомендуется применение специализированных ИБП с внешним батарейным комплектом большой емкости.

Под защитой ИБП

Перебои в работе информационных систем нередко ведут к большим финансовым убыткам, поэтому приходится принимать во внимание угрозу некачественного электроснабжения, возможные перебои и даже долговременное отключение электропитания.

В мире более 40% проданных систем бесперебойного питания используется для защиты серверов, систем хранения данных, сетевого оборудования. Около 60% потребления ИБП приходится на локальные сети, телекоммуникации и ЦОД, значительное количество применяется в промышленности, поскольку многие производственные процессы требуют качественного энергообеспечения.

Около четверти мировых продаж ИБП приходится на устройства мощностью менее 1 кВА, и примерно половина продаж - на устройства мощностью до 5 кВА. Обычно их используют для защиты ПК и серверов начального уровня. В России свои ПК с помощью ИБП защищают не более 15% пользователей - большинство довольствуются сетевым фильтром.

Увеличение популярности ноутбуков также спросу на ИБП не способствует, однако серверы любого класса и сетевое оборудование, учрежденческие АТС все же нуждаются в подобной защите.

В отличие от мощных ИБП (свыше 20 кВА), жизненный цикл которых достигает 20 лет, маломощные источники питания рассчитаны на пятилетний срок службы, однако сменный блок аккумуляторов (самой недолговечной части устройства) позволяет продлить их эксплуатацию.

В небольших офисах обычно используются резервные или линейно-интерактивные ИБП. Последние относительно недороги, обладают приемлемой функциональностью и достаточным классом защиты. Более половины производителей выпускают ИБП малой и даже средней мощности в Юго-Восточной Азии по OEM-контрактам.

Для недорогих «простых» ИБП тенденцией развития стало приближение их по функциональности и эффективности (таким как ремонтный байпас для «горячей» замены или ремонта оборудования, управляемые розетки и расширенная комплектация) к «большим» ИБП.

При выборе ИБП нужно учитывать сроки гарантии на само устройство и его компоненты, например, аккумуляторы. Отдавайте предпочтение известным производителям, которые специализируются на изготовлении подобного оборудования. Определитесь с максимальным количеством и типом розеток для подключаемых устройств. В тех случаях, когда помимо периодического отключения электричества существуют проблемы параметрами электропитания, необходимо устанавливать линейно-интерактивные устройства.

В общем случае не следует гнаться за временем работы от АКБ, оно составляет обычно до 5 минут при 100% нагрузке. Лучше выбрать модель с дополнительными батарейными модулями или купить генератор. Это дешевле, чем тратится на герметичные необслуживаемые АКБ.

Источники бесперебойного питания берегут компьютерную технику от сбоев в электрической сети. Хороший ИБП надежно защитит электронные устройства от перегрузок, позволит сохранить все данные и корректно завершить работу системы при аварии в электросети. Лучше не экономить на цене устройства, и купить как минимум линейно-интерактивный ИБП, а для защиты критичных систем использовать ИБП с двойным преобразованием.

ИБП в ЦОД

Перебои в работе ЦОД наносят серьезный урон их клиентам и имиджу самих компаний. Поэтому владельцам важно находить эффективные решения для повышения надежности электропитания своих дата-центров. Мировые производители систем бесперебойного питания для дата-центров предлагают свои варианты реализации ИБП.

Какие основные требования предъявляются к «ИБП для ЦОД»? Это высокая надежность (с учетом времени восстановления системы, т.е. важен не параметр MTBF, а коэффициент готовности); высокий КПД при неполной нагрузке (50-80%), что непосредственно отражается на тепловыделении и экономичности оборудования; поддержку параллельной работы с наращиванием мощности или повышением степени резервирования; масштабируемость; высокий входной и выходной коэффициент мощности и малый коэффициент гармонических искажений входного тока, что особенно важно при организации резервного питания от ДГУ.

Другие важные факторы - компактность систем, поддержка параллельной работы, низкое тепловыделение, интеллектуальная система управления зарядом АКБ, простое техническое обслуживание и поддержка, усовершенствованные возможности выключения серверов (есть версии ПО, позволяющие осуществлять корректное завершение работы виртуальных машин), средства управления/мониторинга, в том числе дистанционного, возможность простого и интуитивно понятного переключения на внешний байпас с защитой от неверных действий персонала, хорошая поддержка со стороны производителя оборудования.

При отсутствии системы резервного электропитания от ДГУ увеличить время автономной работы можно за счет внешних аккумуляторных шкафов. В числе обязательных функций ИБП старшего класса - интеллектуальные системы управления зарядом АКБ, средства оповещения оборудования о низком заряде аккумуляторных батарей. Применение в ЦОД энергоэффективных ИБП помогает снизить потребление электроэнергии, при этом мощность и надежность источников бесперебойного питания остаются неизменными.

ИБП с двойным преобразованием обеспечивают наивысшую степень защиты от различных сбоев в электросети, так как ИТ-системы полностью ограждены от воздействия электросети и запитываются от ИБП напрямую. При использовании такого ИБП оборудование защищено от проблем, связанных с перепадами напряжения, исчезновения питания и другими возможными сбоями электросети. По этой причине ИБП с двойным преобразованием используются для обеспечения питания серверов, чувствительного к состоянию сети оборудования и других критичных устройств, от которых зависит функционирование ЦОД. Кроме того, ИБП с двойным преобразованием имеют большой арсенал функций, а также гибкие возможности масштабируемости.

FSP Group уже некоторое время назад уловила тренды растущего рынка ЦОД и начала выпуск специализированного оборудования, которое призвано снабдить провайдеров телеком-услуг необходимыми источниками энергии. Источники бесперебойного питания с двойным преобразованием серии CUSTOS 9X компании FSP перекрывают диапазон мощностей от 1K до 10K.


ИБП с двойным преобразованием FSP Custos 9X+ 10K.

Например, ИБП Custos 9X+ 10K имеет следующие особенности конструкции:

  • Выходной коэффициент мощности 0,9
  • Информативный и понятный ЖК-дисплей сменной ориентации
  • Исполнение Rack/Tower
  • Программируемые выходы
  • Режим преобразования частоты 50/60Гц
  • Режимы энергосбережения ECO и Advanced ECO
  • Функция экстренного отключения питания (EPO)
В комплект поставки с ИБП входит программное обеспечение ViewPower с поддержкой русского языка, которое позволяет удаленно контролировать параметры работы источников бесперебойного питания, устанавливать график включения и отключения, а также получать уведомления о тревожных событиях по почте или SMS.

ИБП с двойным преобразователем напряжения серии FSP Custos 9X+ могут быть использованы в комплекте с дополнительными батарейными блоками, есть возможность горячей замены источников питания.

Именно эти ИБП применяет для обеспечения бесперебойной работы оборудования в своем ЦОД

Как устроена электрическая сеть

Электростанции России объединены в федеральную энергосистему, являющуюся источником электрической энергии для всех ее потребителей. Передача и распределение электроэнергии осуществляется с помощью воздушных линий электропередачи, пересекающих всю страну. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии в линиях электропередач применяется очень высокое напряжение - десятки и (чаще) сотни киловольт.

В силу своей экономичности при передаче энергии применяется изобретенная русским инженером М.О. Доливо-Добровольским трехфазная система переменного тока, при которой электроэнергия передается с помощью четырех проводов. Три из этих проводов называются линейными или фазными, а четвертый - нейтральным проводом или просто нейтралью.

Потребители электроэнергии рассчитаны на более низкие напряжения, чем напряжение в энергосистеме. Понижение напряжения производится в два этапа. Сначала на понижающей подстанции, являющейся частью энергосистемы, напряжение понижается до 6-10 кВ (киловольт). Дальнейшее понижение напряжение производится на трансформаторных подстанциях. Их знакомые всем стандартные "трансформаторные будки" во множестве разбросаны по предприятиям и жилым массивам. После трансформаторной подстанции напряжение понижается до 220-380 В.

Напряжение между линейными проводами трехфазной системы переменного тока называется линейным. Номинальное действующее значение линейного напряжения в России равно 380 В (вольт). Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным. Оно в корень из трех раз меньше линейного. Его номинальное значение в России равно 220 В .

Источником тока для энергосистемы являются трехфазные генераторы переменного тока, установленные на электростанциях. Каждая из обмоток генератора индуцирует линейное напряжение. Обмотки симметрично расположены по окружности генератора. Соответственно и линейные напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе. Этот фазовый сдвиг постоянен и равен 120 градусам.

Рис. 1. Трехфазная система переменного тока

После трансформаторной подстанции напряжение через распределительные щитки или (на предприятиях) распределительные пункты поступает к потребителям.

Некоторые потребители (электродвигатели, промышленное оборудование, большие ЭВМ и мощное коммуникационное оборудование) рассчитаны на непосредственное подключение к трехфазной электрической сети. К ним подводятся четыре провода (не считая защитного заземления).

Маломощные потребители (персональные компьютеры, бытовые приборы, офисная техника и т.д.) рассчитаны на однофазную электрическую сеть. К ним подводят два провода (не считая защитного заземления). В подавляющем числе случаев один из этих проводов - линейный, а другой - нейтральный. Напряжение между ними по стандарту равно 220 В.

Приведенные выше действующие значения напряжения не исчерпывают полностью параметры электрической сети. Переменный электрический ток характеризуется также частотой. Номинальное стандартное значение частоты в России равно 50 Гц (Герц).

Реальные значения напряжения и частоты электрической сети конечно могут отличаться от номинальных значений.

К сети постоянно подключаются новые потребители электроэнергии (ток или нагрузка в сети увеличивается) или отключаются какие-либо потребители (в результате ток или нагрузка сети уменьшается). При увеличении нагрузки напряжение в сети падает, а при уменьшении нагрузки напряжение в сети возрастает.

Для уменьшения влияния изменения нагрузки на напряжение, на понижающих подстанциях существует автоматическая система регулирования напряжения. Она предназначена для поддержания постоянного (в определенных пределах и с определенной точностью) напряжения при изменении нагрузки в сети. Регулирование осуществляется за счет перекоммутации обмоток мощных понижающих трансформаторов.

Частота переменного тока задается частотой вращения генераторов на электростанциях. При увеличении нагрузки частота стремится слегка уменьшиться, система регулирования электростанции увеличивает расход рабочего тела через турбину, и частота вращения генератора восстанавливается.

Разумеется ни одна система регулирования (напряжения или частоты) не может работать идеально, и в любом случае пользователю электрической сети нужно смириться с некоторыми отклонениями характеристик сети от номинальных значений.

В России требования к качеству электрической энергии стандартизованы. ГОСТ 23875-88 дает определения показателям качества электроэнергии, а ГОСТ 13109-87 устанавливает значения этих показателей. Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии. Для пользователя это означает, что он может требовать от энергоснабжающей организации, чтобы установленные нормы соблюдались не где-то в энергосистеме, а непосредственно в его розетке.

Наиболее важные показатели качества электроэнергии - это отклонение напряжения от номинального значения, коэффициент несинусоидальности напряжения, отклонение частоты от 50 Гц.

Согласно стандарту в течение не менее 95 % времени каждых суток фазное напряжение должно находиться в диапазоне 209-231 В (отклонение 5 %), частота в пределах 49.8-50.2 Гц , а коэффициент несинусоидальности не должен превышать 5 %.

Остальные 5 или менее процентов времени каждых суток напряжение может изменяться от 198 до 242 В (отклонение 10 %), частота от 49.6 до 50.4 Гц, а коэффициент несинусоидальности должен быть не более 10 %. Допускаются также более сильные изменения частоты: от 49.5 Гц до 51 Гц, но общая длительность таких изменений не должна превышать 90 часов за год.

Авариями электроснабжения называются ситуации, когда показатели качества электроэнергии кратковременно выходят за установленные пределы. Частота может отклоняться на 5 Гц от номинального значения. Напряжение может снижаться до нуля. В дальнейшем показатели качества должны восстанавливаться.

а рисунке 8 представлена блок-схема реального (или, по крайней мере, более похожего на реальный) ИБП с переключением. В ней появились новые элементы, по сравнению со схемой, придуманной нами во второй главе.

Входной фильтр импульсов и фильтр шумов улучшают форму кривой напряжения при работе от электрической сети. Схема анализа сети и управления определяет моменты переключения режимов работы ИБП , следит за разрядом батареи и выполняет другие полезные функции.

Группы потребителей

Согласно Правилам Устройства Электроустановок (ПУЭ) все потребители электроэнергии делятся на три категории.

К первой категории относятся отвественные потребители. Их снабжение электроэнергией производится от двух независмых источников питания. При исчезновении напряжения на одном из источников производится автоматическое переключение на питание нагрузки от второго источника. Независимыми источниками могут быть распределительные устройства двух электростанций или не связанных друг с другом подстанций. Переключение производится автоматическими выключателями резерва (АВР). При срабатывании этих механических (а иногда и тиристорных) переключателей, время отсутствия напряжения (период, в течение которого нагрузка остается без электропитания) составляет 10-3000 мс.

Из первой категории выделяется группа особо ответственных потребителей. Их электропитание производится от трех независимых источников. В качестве третьего источника допускается использовать дизельный генератор или аккумуляторные батареи.

Ко второй категории относятся менее отвественные потребители. Их электроснабжение должно производится от двух независимых источников питания. Но для этой категории потребителей допустим более длительный разрыв электропитания, достаточный для переключения вручную оперативным персоналом или выездной аварийной бригадой.

Все остальные потребители относятся к третьей категории. Их электроснабжение может осуществляться от одного источника питания, при условии, что перерывы электроснабжения не превышают одних суток. В это время включается и ремонт или замена вышедшего из строя оборудования.

К потребителям первой категории относятся федеральные и региональные органы власти, большие старые банки, больницы, начиная с областных, некоторые предприятия с непрерывным циклом производства, крупные узлы связи и т.д.

Заземление

При установке промышленного оборудования для предотвращения поражения электрическим током, применяется защитное заземление.

Защитным заземлением называется преднамеренное соединение с землей металлических частей оборудования (обычно рамы, корпуса или защитного кожуха), нормально не находящихся под напряжением. Даже если произойдет повреждение электрической изоляции (и даже, если при этом не сработают защитные предохранители), то напряжение на заземленных частях оборудования будет безопасным, так как сопротивление заземления по стандарту не должно превышать 4 Ома. При организации локальных компьютерных сетей рекомендуется еще более низкое сопротивление заземления - не более 0.5-1 Ома. Впрочем, в этом случае заземление главным образом служит для уменьшения помех, возникающих при работе различного оборудования.

Для устройства заземления в грунте размещают металлические предметы с развитой поверхностью и надежно соединяют его с шиной заземления.

Ранее в России для подключения бытовых и офисных приборов не применялось заземление. В быту и офисах использовались двухпроводные розетки, рассчитанные на напряжение до 250 В и ток до 6 А. Один из контактов в этой розетке соединен с линейным проводом трехфазной цепи (или, как говорят электрики с "фазой"), а другой - с нейтралью.

Исключение делалось только для мощной бытовой техники, типа кухонных плит и некоторых стиральных машин. Эти приборы подключались к специальной розетке с заземлением (которым часто служила "нейтраль" электрической цепи).

С появлением персональных компьютеров и большого количества импортной офисной и бытовой техники, начала широко применяться розетка с расположенными в периферийной части розетки заземляющими контактами. Эта розетка рассчитана на напряжение до 250 В и ток до 10 А (иногда до 16 А). Обычно ее называют "компьютерной", "европейской" или "евророзеткой".

В странах Европы применяются несколько типов розеток (в частности, рассматриваемая розетка применяется в Германии), и включить применяемый скажем в Швейцарии компьютер в английскую розетку так же невозможно, как и в японскую. Поэтому в дальнейшем мы будем называть эту розетку просто розеткой с заземлением. Обычно именно такая розетка применяется для подключения компьютеров и другого офисного оборудования мощностью до 2 кВА (иногда до 3 кВА).

В России чаще всего применяется четырехпроводная трехфазная электрическая сеть с глухозаземленной нейтралью. Нейтральный провод в такой сети заземлен в нескольких местах (на электростанциях, подстанциях, в линиях электропередач).

В электрической сети с глухозаземленной нейтралью вместо защитного заземления допускается использовать защитное "зануление" - соединение корпуса устройства с нейтральным проводом (а не с землей). В промышленности этот вид защиты от поражения электрическим током является основным.

В некоторых странах применяется пятипроводная трехфазная сеть. В ней провод заземления и нейтраль отделены друг от друга. Пятипроводная сеть дороже (больше расходы на кабель и его прокладку), но более устойчива к помехам, особенно при работе компьютерного оборудования.

Как устроено оборудование

Электрооборудование, изготавливаемое в России, естественно рассчитано на российскую электрическую сеть и обязано работать при напряжении от 198 до 242 В и частоте от 49.5 до 51 Гц. Как правило диапазон напряжений и частот, в котором может работать оборудование, еще несколько шире (характерны например 187-242 В ). Для большинства работающих от сети устройств допустимы изменения частоты на 2 Гц (или даже более) по сравнению с номинальным значением.

Большая часть применяемого в России офисного оборудования - это оборудование импортное. Оно не всегда рассчитано на наши стандарты.

Например часто встречается оборудование, предназначенное для работы при номинальном напряжении 230 В и рассчитанное на допускаемые отклонения напряжения 10 %. Такое оборудование имеет право не работать при вполне стандартных в нашей стране условиях.

Сузим диапазон рассматриваемого оборудования до компьютеров и компьютерной периферии. Такого рода приборы обычно оснащены импульсными блоками питания, которые могут работать в очень широком диапазоне напряжений. Эксперименты показывают, что стандартный ПК (системный блок с одним диском и дисководами и монитор) с не слишком плохим блоком питания может работать при очень низких напряжениях. Не хотелось бы давать конкретные числа, поскольку они конечно же разные для разных компьютеров, но можно уверенно сказать: 99 % персональных компьютеров, продаваемых в России, могут стабильно работать при напряжениях 170-180 В.

При уменьшении напряжения, для получения той же мощности, требуемой для работы компьютера, импульсный блок питания потребляет больший ток. Это значит, что его ресурс при меньших напряжениях может уменьшиться. Кроме того, если компьютер оснащен многими устройствами, питаемыми от его блока питания (дисками, модемами и др.), то минимальное напряжение, при котором может работать компьютер, возрастает.

В России имеется стандарт (ГОСТ Р 50628-93), определяющий требования к персональным компьютерам по устойчивости к электромагнитным помехам. Этому стандарту должны соответствовать все компьютеры, производимые или импортируемые в России.

Компьютеры и периферийные устройства подразделяются на две группы в зависимости от устойчивости к помехам. Группу определяет производитель компьютера. После соответствующих испытаний и сертификации он имеет право объявить о соответствии его компьютера группе I или II ГОСТ Р 50628-93 по устойчивости к электромагнитным помехам. В таблице приведены параметры электрической сети, которые должны выдерживать компьютеры и периферийное оборудование в соотвествии с этим стандартом.

Таблица 1. Требования к качеству электрической сети.

Вид внешней помехи Группа
I II
Электростатические разряды:
- контактные 2-4 кВ 4-6 кВ
- воздушные 2-4 кВ 4-8 кВ
Наносекундные импульсные помехи:
- в цепях питания 0.5 кВ 1 кВ
- в цепях ввода-вывода 0.5 кВ 0.5 кВ
Динамические изменения напряжения питания:
- провалы напряжения 154 В на 200 мс 154 В на 500 мс
- прерывания напряжения 0 В на 20 мс 0 В на 100 мс
- выбросы напряжения 264 В на 200 мс 264 В на 500 мс
Микросекундные импульсы большой энергии 500 В 1000 В
Радиочастотные электромагнитные поля 1 В/м 3 В/м

Сбои электропитания

Описанная в начале главы благостная картина электрической сети встречается, конечно, только в книжках. На самом деле в электрической сети бывают разного рода сбои. В России получили известность данные исследований, проведенных в США фирмами Bell Labs и IBM.

Согласно последнему, каждый персональный компьютер подвергается воздействию 120 нештатных ситуаций с электропитанием в месяц.

По данным Bell Labs в США наблюдаются следующие наиболее часто встречающиеся сбои питания.

    1. Провалы напряжения - кратковременные понижения напряжения, связанные с резким увеличением нагрузки в сети в связи с включением мощных потребителей, таких, как промышленное оборудование, лифты и т.д. Является наиболее частой неполадкой в электрической сети, встречается в 87 % случаев.

    2. Высоковольтные импульсы - кратковременное (на наносекунды или единицы микросекунд) очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии. Составляет 7.4 % всех сбоев питания.

    3. Полное отключение напряжения согласно этому исследованию является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции. Встречается в 4.7 % случаев.

    4. Слишком большое напряжение - кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей. Встречается в 0.7 % случаев.

Эту картину видимо можно считать типичной для большинства развитых стран. (Заметим в скобках, что и источники бесперебойного питания, производимые в этих странах, в большинстве случаев ориентированы именно на такую электрическую сеть).

К сожалению и эта картина не всегда соответствует нашей действительности. Фирмой "А и Т Системы" по заказам разных клиентов проводились обследования электрической сети на предприятиях в разных местах России и за рубежом. Кроме того, к нам также поступала косвенная информация о состоянии электрической сети в разных местах бывшего СССР. Таких обследований было не так много, чтобы можно было делать профессиональные статистические выводы, но все же кое-что просто бросается в глаза.

Рис. 2. Виды сбоев электропитания.

Наиболее часто встречающейся неполадкой в электрической сети, так же, как и в США, можно считать пониженное напряжение в сети. Однако этот вид сбоя питания вовсе не так доминирует над остальными видами сбоев.

Начнем с того, что повышенное напряжение в сети встречается почти так же часто, как и пониженное напряжение. Причем для разных мест (городов, районов, предприятий) обычно характерен определенный уровень напряжения в сети. Где-то оно может быть в основном пониженное, в других местах в основном нормальное или в основном повышенное. Этот уровень сохраняется примерно одинаковым все время. На его фоне происходят циклические изменения напряжения, связанные с изменением нагрузки в электрической сети.

Самый короткий цикл изменения напряжения - дневной. На рис. 3 приведены реальные графики изменения напряжения в двух точках России (отстоящих друг от друга на полторы тысячи километров) в течение суток.

Рис. 3. Суточный цикл изменения напряжения в сети.

Нижняя кривая на рис. 3 получена в сети с пониженным напряжением. Стабильное ночью напряжение около 215 В снижается с началом дня и вновь возрастает вечером, когда большинство потребителей отключаются.

Средняя кривая на рис. 3 получена в электрической сети с повышенным напряжением. Здесь наблюдается более характерная зависимость напряжения от времени суток. Стабильное ночью напряжение понижается утром, достигая минимума в середине рабочего дня, и плавно нарастает к его концу.

Оба описанные графика получены в рабочие дни недели. Верхний график на рис. 3 получен в праздничный день в том же месте, что и средний график. В этом случае напряжение остается стабильно повышенным в течение суток.

Если включить в рассмотрение и напряжение в выходные дни, то мы получим следующий по длительности цикл изменения напряжения в электрической сети - недельный. Видимо существуют циклы изменения напряжения большей длительности (например, годовой цикл) но они нами никогда не отслеживались.

В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания совершенно неизвестный на Западе. Это нестабильная частота. Самым характерным примером являлась Грузия в 1992-1994 годах. Энергосистема Грузии в целом видимо была очень сильно перегружена. Поэтому частота в сети могла опускаться до 42 Гц.

Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, но очень низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять на работу не только компьютера, но и большинства источников бесперебойного питания (ИБП) . Кроме того, многие ИБП среднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийный случай и начинают расходовать заряд батареи. Батарея разряжается через несколько минут и вся работа на этом заканчивается.

В России пониженная частота встречается довольно редко. Тем не менее, даже в Москве сотрудниками фирмы Merlin Gerin была, по их словам, однажды зарегистрирована частота ниже 45 Гц. В наших измерениях частота ниже 49.5 Гц не встречалась.

Еще одной отличительной особенностью России являются причины (и, соответственно, количество) полных отключений напряжения. Аварии и стихийные бедствия, являющиеся причинами полного отключения напряжения в развитых странах, случаются у нас примерно с такой же частотой, что и там. Но в России эти случайности не являются единственными, и даже главными, причинами полного исчезновения напряжения. Свое уверенное слово говорит человеческий фактор.

Дело в недостатке знаний. Электрики, обслуживающие офисное здание с множеством компьютеров, обычно не имеют никакого представления о том, какие последствия имеет отключение напряжения для компьютеров и данных. Поэтому они ведут себя совершенно так же, как и 20 лет назад.

При возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель - предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он разумеется не по схеме (это долго, да и схемы у него возможно, или скорее всего, нет). Он просто последовательно отключает и тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат. В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной.

Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа и каждый компьютер на этаже подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно для потери данных на компьютерах.

Особенно часто такие случаи бывают весной и осенью, когда заканчивается или начинается отопительный сезон. Если отопление уже отключили или еще не включили, и вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: они включают электрические подогреватели. Если электрическая сеть сильно нагружена, то подключение дополнительных (и мощных) потребителей может привести к срабатыванию автоматического предохранителя. А теперь вернитесь на два абзаца назад.

Такой цикл включений и отключений может в некоторых организациях повторяться по несколько раз в день.

В остальном электрическая сеть в России ведет себя примерно так же, как и в США.

Отметим еще один вид искажений электропитания, не рассмотренный Bell Labs. Речь идет об искажениях формы синусоиды, связанных с работой компьютеров и других нелинейных нагрузок.

При работе импульсных блоков питания в сильно перегруженной сети могут возникать искажения формы синусоидального напряжения. Это может выражаться в срезании вершины синусоиды и появлении гармоник - колебаний кратных частот. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе другого чувствительного оборудования, например измерительных приборов или видеоаппаратуры.

Искажения формы кривой напряжения усугубляются специфическими свойствами трехфазной электрической сети, изначально предназначенной для работы только с синусоидальными напряжениями и токами. Работа компьютеров в трехфазной электрической сети рассмотрена в разделе "Особенности трехфазных источников бесперебойного питания" главы 8.

Для любителей эмоционального осмысления неприятностей с электричеством, а также тем, кто склонен часто жаловаться на качество электрической энергии, можно рекомендовать один из лучших технологических романов Артура Хейли: "Перегрузка". Читая его, вы в течении нескольких часов сможете посмотреть на ситуацию со стороны производителя электроэнергии.

Таблица 2. Виды сбоев электропитания

Вид сбоя электропитания Причина возникновения Возможные следствия
Пониженное напряжение, провалы напряжения Перегруженная сеть, неустойчивая работа системы регулировнаия напряжения сети, подключение потребителей, мощность которых сравнима с мощностью участка электрической сети Перегрузки блоков питания электронных приборов и уменьшение их ресурса. Отключение оборудования при недостаточном для его работы напряжении. Выход из строя электродвигателей. Потери данных в компьютерах.
Повышенное напряжение Недогруженная сеть, недостаточно эффективная работы системы регулирования, отключение мощных потребителей Выход из строя оборудования. Аварийное отключение оборудования с потерей данных в компьютерах.
Высоковольтные импульсы Атмосферное электричество, включение и отключение мощных потребителей, запуск в эксплуатацию части энергосистемы после аварии. Выход из строя чувствительного оборудования.
Электрический шум Включение и отключение мощных потребителей. Взаимное влияние работающих неподалеку электроприборов. Сбои при выполнении программ и передаче данных. Нестабильное изображение на экранах мониторов и в видеосистемах.
Полное отключение напряжения Срабатывание предохранителей при перегрузках, непрофессиональные действия пересонала, аварии на линиях электропередач. Потери данных. На очень старых компьютерах - выход из строя жестких дисков.
Гармонические искажения напряжения Значитальную долю нагрузки сети составляют нелинейные потребители, оснащенные импульсными блоками питания (компьютеры, коммуникационное оборудование). Неправильно спроектирована электрическая сеть, работающая с нелинейными нагрузками, перегружен нейтральный провод. Помехи при работе чувствительного оборудования (радио и телевизионные системы, измерительные комплексы и т.д.)
Нестабильная частота Сильная перегрузка энергосистемы в целом. Потеря управления системой. Перегрев трансформаторов. Для компьютеров само по себе изменение частоты не страшно. Нестабильная частота является лучшим индикатором неправильной работы энергосистемы или ее существенной части.

Перегрузки

Попробуем слегка систематизировать уже сказанное относительно изменения нагрузки в сети.

Перегрузки (т.е. ситуации, когда ток в сети выше номинального или предельно допустимого для участка электрической сети) могут происходить на разных уровнях системы электроснабжения. Соответственно разные и последствия.

Локальная перегрузка - это перегрузка сети на участке от потребителей до ближайшего автоматического предохранителя. Перегрузки на участке сети могут вызывать срабатывание этого предохранителя и, следовательно, локальное отключение напряжения.

Местная перегрузка возникает, если перегружена вся линия от потребителей до понижающего трансформатора. Происходит снижение напряжения в сети. При сильных перегрузках и выходе из строя локальных систем защиты, возможно срабатывание системы защиты подстанции, также сопровождаемое временным полным отключением напряжения. Это отключение распространяется на всех потребителей, питаемых от этого трансформатора.

Общая перегрузка возникает, если перегружена вся энергосистема или существенная ее часть. В этом случае, помимо снижения напряжения может происходить и уменьшение частоты синусоидального напряжения. При глубоких общих перегрузках возможно срабатывание защиты на электростанции и отключение напряжения в системе в целом. В России перегрузки такого рода не встречаются или встречаются крайне редко. Основным препятствием для возникновения такой перегрузки является грамотное управление участком энергосистемы (временное, в том числе плановое, отключение части потребителей и другие способы уменьшения нагрузки).

Классическим случаем общей перегрузки является широко известный случай, произошедший в Нью-Йорке полтора десятилетия назад. В разгар рабочего дня из-за аварии на одной из подстанций города, все питаемые ею потребители были отключены. Автоматическая система управления энергосистемой немедленно восстановила питание потребителей, подключив их к другим подстанциям. Одна из подстанций была нагружена почти полностью, не выдержала дополнительной нагрузки и отключилась. Ее потребители опять были автоматически распределены между другими подстанциями. Началась цепная реакция отключения подстанций, охватившая весь Манхэттэн - деловой центр Нью-Йорка. Результатом мелкой аварии в сочетании с недоработанной системой управления и недостаточной выучкой диспетчеров было погружение во тьму офисов сотен крупнейших фирм мира.

Совершенно особенным случаем перегрузки является временная перегрузка, связанная со стартовыми токами, возникающими при запуске почти любого оборудования. Стартовый ток может превышать номинальный ток потребления электрического прибора в единицы, десятки и (к счастью очень редко) в сотни раз. В зависимости от величины стартового тока, временная перегрузка может распространиться на больший или меньший участок сети. Чаще всего включение оборудования вызывает местные перегрузки, но известны случаи, когда включение одного очень мощного агрегата вызывает перегрузку энергосистемы целой страны.

Например, в Монголии есть крупное горнообогатительное предприятие "Эрдэнэт", бывшая "стройка социализма", а сейчас совместное монгольско-российское предприятие. Это предприятие является крупнейшим в стране и потребляет примерно треть всей монгольсой электроэнергии (соответственно примерно 120 и 300 МВт ). Основой технологического процесса являются шаровые мельницы, перемалывающие руду в мелкую пыль. Барабан такой мельницы имеет диаметр 6 метров и длину около 18 метров. Электродвигатель, который крутит барабан - тоже не маленький - его мощность 5 МВт .

Мельницы работают круглосуточно, месяцы напролет. Каждая остановка для профилактического ремонта (или, наоборот, включение) - крупное событие, планирующееся за много месяцев. Дело в том, что двигатель мельницы запускается под нагрузкой (нужно преодолеть огромную инерцию барабана), и стартовые токи могут превышать номинальные в 10 раз. А 50 МВт - это почти 20 % от мощности энергосистемы Монголии. Управляемый запуск (например с помощью тиристорного привода) такого двигателя пока невозможен - слишком большая мощность.

Однажды мне довелось с осциллографом в руках следить за таким запуском. Он прошел очень удачно - напряжение (видимо по всей стране) просело всего на 12 вольт. Сказалось временное подключение энергосистемы Монголии к российской - часть пиковой нагрузки взяло на себя Иркутскэнерго.

В трехфазной сети, нагруженной в основном компьютерами, может возникать еще один вид перегрузки: перегрузка нейтрального провода из-за искаженной формы кривой тока нагрузки. Его особенная опасность обусловлена в основном тем, что не может быть обнаружена обычными щитовыми приборами и почти всегда остается незамеченной, а также отсутствием предохранителей на нейтральном проводе.

Нейтральный провод

Нейтральный провод в трехфазной системе переменного тока выполняет очень важную функцию. Он служит для выравнивания фазных напряжений во всех трех фазах при разных нагрузках фаз (или, как говорят электрики, - перекосе фаз).

В случае обрыва нейтрального провода при неодинаковых нагрузках в фазах фазные напряжения будут различными. В фазах с большой нагрузкой (меньшим сопротивлением) напряжение будет ниже нормального, даже если эта фаза очень далека от перегрузки. В фазах с меньшей нагрузкой (большим сопротивлением) напряжения станет выше нормального.

Особенно опасным является короткое замыкание после обрыва нейтрального провода. При этом напряжение на оставшихся незакороченными фазами возрастает в корень из трех раз (с нормальных 220 В до 380 В ). Для исключения обрыва на нейтральном проводе не устанавливают предохранителей и выключателей. Этот вид сбоя электропитания является одним из самых опасных, но при правильном проектировании и эксплуатации электрической сети или системы бесперебойного питания встречается очень редко.

В России применяется четырехпроводная трехфазная электрическая сеть. Она еще называется электрической сетью с глухо-заземленной нейтралью. За этими словами скрывается вполне простой факт: нейтральный провод на подстанции заземлен и практически не только выполняет свою функцию "симметрирования" трехфазной сети, но и используется как защитное заземление.

В Европе обычно применяется пяти-проводная электрическая сеть. В такой электрической сети имеется отдельный (пятый) провод заземления и нейтральный провод выполняет только одну функцию. Кстати сказать, все западные трехфазные ИБП предназначены для использования именно с такой электрической сетью.

Нейтральный провод рассчитан на эффективную компенсацию токов в разных фазах в случае синусоидальных токов в трехфазной электрической сети. Если в электрическую сеть включено много компьютеров, то форма кривой тока искажается и эффективность работы нейтрального провода резко снижается. При этом возможны опасные перегрузки нейтрального провода и искажения формы кривой напряжения. Подробнее об этом рассказано в главе 8.