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评估改造配电系统

配电系统改造日渐成为一门经济学与风险学之间的综合议题。 这门议题包括配电系统使用年限、安全稳定性、可靠性以及能耗成本在内的诸多因素,结合改造成本和责任风险来制定优先改造计划。全面对配电系统进行成本效益的分析,客观、合理制定出长短期改造计划,审慎投资, 谨慎执行改造、升级计划。

  · 阐述配电工程师应对配电和电力系统深入研究的必要性

  · 说明改造、升级的配电设备类型

  · 分析设备设计规范与标准

  通常,配电系统、设备的改造、升级都是随着时间的变化而变化,过去的配电系统沿用到现在,已经跟不上今天的发展需求,需做出适当改造或者更换。过去的配电系统与今天新技术的运用给运维人员维护带来不小的挑战。对配电系统进行调试、评估、并做出整体规划分析都是在了解整个配电系统的安全稳定性,可靠性以及能否正常运行,是否能够满足未来扩容需求。

  通过研究显示设备是否有无故障,通过监视设备运行,了解设备状态,调整优先改造评级。 通过了解配电系统的方方面面,制定出切实可行的改造、升级预算,以及运营计划。

  配电系统设备性能,运行性能以及用户使用倾向性无一不在推动商业利益向前发展。同样,改造目标驱动绩效指标,相应地,绩效指标也在影响着计划、行动以及相关的运营成本。

分析什么?何时分析?

  绩效测量需提供预期结果数据与现行监测数据进行比对分析。电力系统分析目标包括:使用年限、运行环境的条件、可靠性、安全性,设备操作是否符合操作流程,可扩容性、冗余性,节能指标,设备通道,可操作性、可维护性等。

  配电系统应每隔10年进行评估、调整,以满足自身业务发展需要。制定维护升级内容:重新能够利用的空间,技术更新、随使用年限增长而变得效率低下的系统。由于大多数配配电设备具有20年的使用年限,10年做一次评估,足以对配电设备做出全面评估,包括对配电设备更新改造计划,中期改造以及设备报废评估等。

  或者当发现数据中心配电设备由于业务需要需扩容或改造时,这时就可以开始着手分析配电系统,以及与配电系统相关的系统,从而确定是否需要进行改造,或者发现某类配电设备的故障会定期发生,从而导致数据中心运行成本、电力能耗意外上升,或者有第三方资金投入等(例如能源补贴, 效用激励),以上情况都意味着配电系统亟待升级。

分析什么?

  应选择专业级的评估公司为数据中心配电系统进行评估,专业公司能够为配电系统评测提供专业的服务、检测设备,以评估方法。

  例如,红外检测设备可快速找到由于线缆连接不牢靠或部件损坏引发的热点。评估配电系统的现场测试人员需具备有专业经验、具有广博、全面的专业知识、以及多年的实战经验,熟悉专业内各种相关规范、标准,具备15-20年的从业经验。

  只有具备多年从业经验的评估人员才能在评估配电系统期间洞察觉察出老系统与新系统之间的不同,从而为数据中心制定合理的升级、改造方案,制定方案要以数据中心生命周期为前提来制定,评估人员需要与数据中心管理人员沟通,明确改造最终要实现的目标,对配电系统中各个子系统进行全面评估。

  数据中心运维人员通常将注意力放在他们日常维护的配电设备上,缺少对配电系统升级、改造长远的、有建设性的规划,能提供的 改造建议缺少全局性。

  在对配电系统进行分析与优先级别制定时,需考虑到很多因素。比如:应优先考虑对人身安全,最大限度地保障人身安全,并尽量减少或避免潜在的违规操作。

  配电设备老化是因为设备常年运行,温度过热,设备盖板上有积尘,冷凝水,断路器触点和接触器的磨损,弹簧、绝缘材料的老化等。

  如维护保养得当,建筑中商业级配电系统的使用年限通常在20至30年,配电组件使用年限如下表:

  配电设备老化取主要与设备自身品质、维护情况、以及当时的环境条件有关。需提高日常维护设备要求、增加维护工作量,降低室温,这样会延长设备的使用寿命。 设备部件老化是对于数据中心有一定的危险性,因为配电设备的故障有时是根本无法预测的,(要在它们使用年限到期前,对其提前进行更换),一旦出现故障,设备极有可能出现电弧,火灾,电力故障以及人身安全。

规范和安全问题:

  故障电流额定值:配电设备故障电流额定值基于设备在发生短路的情况下可承受的最高电流。计算故障电流值需要识别:是公共用电?柴油发动机还是电动机供电?

  如果故障电流超过设备额定值发生故障,极有可能会发生灾难性的故障。由于系统改造和扩容带来的额外故障电流,导致整个系统会变得不安全。

  系统有序性:NFPA 70国家配电规范,第517,700、701条,以及NFPA 99规定:保健设施规范要求保障电力系统有序性。 它确保每个过电流装置按顺序跳闸,具备隔离故障的功能,并不会导致对上游的不必要的中断。 很多时候,解释在正常的电力系统上谨慎操作,被认为是明智的做法。

  (备注: NFPA:NationalFireProtectionAssociation, 美国国家电工标准美国消防协会)

  接地系统是使电工设备的金属外壳接地的措施,可防止在绝缘损坏或意外情况下金属外壳带电时强电流通过人体,以保证人身安全。接地系统出现故障一般有两级保护,确保馈电断路器在故障状态之前跳闸主断路器。应急系统还需具有接地故障报警指示,而不是跳闸,因为系统是设备在紧急情况下维持电力的最后机会。

  电弧闪光危险:电弧闪光额定值取决于设备在故障条件下的能力,以引起爆炸或电弧故障。该等级定义了设备释放能量的等级,并且与个人防护设备(PPE)装置相关,电工在带电施工时,需佩戴相应设备确保自身安全。

  安全参数参见NFPA 70E:工作场所配电安全标准中定义。

  对应急事件响应上可用的故障电流水平与清除故障所需时间成正比。旧设备可能需要更多的时间来清除,这会运维人员工作带来压力。

  除OSHA对电弧没有特别规定外,它通常是决定更换现有配电设备的决定性因素。许多建筑物的配电设备在维护期间中需保持通电,只有保持通电状态,设备的电弧闪光危险性才越低,对在该设备上工作的运维人员就越安全。

  (备注:OSHA:<美>职业安全与卫生条例[管理局])

  地震规定:对于放置在地震区域的配电设备需做好防震措施;另外,建筑物本身也需要考虑抗震措施。

  闪电保护:应根据NFPA 780:安装闪电保护系统的标准来做防雷风险分析,评估建筑物体防雷保护等级。检查现有防雷系统的状况与连接是否符合本标准。

  保护建筑物内电子设备、电子设备是否购买保险;保险费率也应成为评估的组成部分。

  接地和连接:接地系统对于数据中心是很重要的一个系统,它将保障人身安全与设备安全。

  评估内容:设备独立接地系统的方式,安装在室外的变压器、发电机的接地系统等,要对接地电极的腐蚀程度以及整个接地系统的状态做出评估。

  谐波等级:配电设备过热可能是由于非线性负载引起。(主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等)应检查的谐波设备额定值或谐波抑制技术是否。

  测试报告:依据国际配电测试协会提供的验收测试报告填写设备运行概况,工作循环周期以及负载是有意义的。经常定期的进行测试,会对数据中心有更深刻的了解。

评估系统缺陷

  可持续性发展以及故障的影响:在评估中应考虑设备长期发展出现电路中断对安全运行造成的影响。如果有备用系统,需定期进行检查,评估等级,维持配电设备安全以及关键业务运行能力等。依据中断故障报告去检查设备出现故障的频率。

  配电系统中薄弱环节:需分析系统中关键设备、老化设备运行时的可靠性。检查旁路(或备份)。需要考虑设备可以选择N + 1配置。核定老化设备的额定功率;从而确定设备在多年运行中、遇到更新、改造的情况下,系统能否满足现在的需求。

  物理位置:重要配电设备不应放在有水及潮湿的地方或其它可以导致配电系统无法正常运行的地方。备份系统设备不应与运行设备放在于同一位置,如果出现事故,设备故障会同时发生。

  供电质量:应记录数据中心总供电负载、分配电系统、设备负载产生的压降、电压,浪涌,尖峰,掉电和谐波;定期检查有效电压与设备断路开关或配电系统。检查敏感电子设备的电源质量,包括UPS或提供适当的功率调节。

  来自非线性负载的谐波影响可能需要谐波抑制或更稳健的分布系统以适应其固有的系统过热效应。 电梯的电力改造也可能导致电源质量问题。

评估扩容

  设备负载:应检查电力系统中现有负载、潜在负载,以审核用于建筑物可扩容的空间有多少。应检查额定功率,备用发电机和UPS设备。应评估发电机系统在全负荷以及负载低的条件下会引起积炭,一旦此情况若发生,会出现降低发电机的使用性能和寿命。

  (备注:积炭,在发动机正常工作中,汽油和正常进入燃烧室的发动机机油,在供氧不足的条件下,不能在气缸内完全燃烧,产生油烟和润滑油烧焦的微粒。当发动机继续运转时.进一步受到氧化变成胶质。牢固地粘在活塞顶上,活塞环上,气门背面,进气管内面,节气门体和燃烧室内等等。在高温的反复作用下,又将胶质变成沥青质、树脂质及碳质,从而形成积炭。)

  设备额定值:对现有配电设备进行改造, 安装高容量配电设备,需在设备上安装限流保护装置、高阻抗变压器或高电阻的接地,从而最大限度地减少由老化设备故障率。

  设备扩容能力:虽然现有设备的额定功率能够处理额外的负载,但物理限制可能会妨碍系统维护新负载的能力。

  物理分配:压降限制可能会阻碍系统扩容,并需要额外的高压配电设备。

  符合规范:过去的配电系统是依据过去的相关规范进行安装。现在的配电系统一方面需要满足扩容,一方面又要满足更新的需求,以满足拥有管辖权(AHJ)的执行人员所要求的权限,例如发电机的开、断,保护装置系统更新,配电设备的断开连接等。

  (AHJ:拥有管辖区的机构)

应急情况评估

  系统节能:对LED照明系统、发电机、变压器做出成本效益分析,在此基础上做出评估,以备更换。类似的的分析应该对在旧系统上安装功率因数校正系统功率因(电容器组)进行评估,从而减少运行与安装成本。

  (功率因数校正:功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高。)

  功率校正系统(电容器组):

  • 可极大地减少许多小型电容器的安装成本。

  • 改变电容器步骤与不同电力要求和负载分散紧密对应,这通常使得要安装的电容器数量减少,因为各个负载差异很大。

  • 未来向系统增加任何设备都能得到简化。

  控制系统:节省能源的最佳方法是关闭配电设备。评估照明系统,发电机和制冷系统,合理降低能耗。新能源指南与规范也开始关注于之前无关紧要的负载(例如,计算机,复印机,水冷却器等)。

  燃料源:应评估发电机系统燃料使用情况,以最大限度地降低能耗。 发电机的成本降低只能通过减少长期油耗来实现;电力管理(数字监测与控制)系统可以用于自动切换开关,从而降低成本。

易于操作与维护

  评估配电设备以及随后对基础设施的维护,应确保运行的可靠性,维护成本更低,更易于操作,并为人员提供更高的安全性。电源监控系统能够提供实时监测数值,预测值,诊断报告和报警提示。

  随着配电系统不断老化,系统内的配电设备逐渐被淘汰,运维人员会陆续为淘汰的设备购买其它厂商的新设备以替换旧设备。由于新旧设备更换交替,过去设备的维护数据、铭牌已经不全,图纸也已经由于时间久远没有及时更新,故而,无法在图纸上看出设备新增、改造后的设计意图。

  基于以上原因,测试系统设备的可靠性,可扩容的能力,设备分阶段更新计划、以及安全性变得更加难以分析。遇到这种情况,建议与运维人员进行详细沟通,了解各种设备运行参数、测试报告等,并做好记录,全面了解设备运行情况后,再做出评估。

如何分析、制定优先改造计划


  运维人员经常纠结于对哪些配电设备是先改造,还是先替换?运维人员为此不断面临各种高难度的挑战,一方面要尽量减少各种运营支出,尽可能缩短设备宕机时间,一方面还要提高系统安全稳定性以及自身操作设备人身安全。一旦电力分配系统的情况被记录下来,就需对系统中需改造的设备进行分类、排序;制定设备改造的优先级,并对设备改造制定分阶段改造计划,并根据改造最终目标标估算总成本。 电力分配系统应根据每个设施建筑或区域分类如下:

  · 服务器设备

  · 中压设备

  · 低压配电设备

  · 诊断,计量和照明监控与照明控制

  · 供电回路接线与接线装置

  · 接地、焊接、防雷。

  · 需对每个系统运行情况进行评级,运行良好,令人满意或边际效率(或数值衡量)打分,以得出设备总体评级:

  · 符合规范/安全性

  · 保证设备安全操作空间

  · 可靠性/冗余

  · 灵活性

  · 物理分配

  · 能耗

  · 易于操作

  · 可维护性

  · 可扩容性

  这种方法将为每个指定建筑区域的系统提供重点关注领域,而且能提供潜在风险的证据。 风险会因为每个项目情况不同而有所差异, 可以通过以下方式确定优先级:

  人身安全/符合规范:评估改造配电系统必须先了解是否满足人身安全的要求以及是否符合规范的问题,并将影响风险的因素以及设备正常运行是会出现的潜在故障点作为首要任务。改造需符合当地规范。

  诉讼风险:配电系统改造必须考虑到合规以及改造后带来的业务后果,这可能远远超过升级所花费用。任何成本效益优先级排序必须从这里开始。

  设备运行不足/发生可能性:由于日常运维内容不定期发生变化是与设备系统改造有关,因此,可能在不知不觉中系统就失去了原有的可靠性与灵活性。对于承受高强度运行的重要设备,需要对其可靠性定期进行评估,并评估设备在处理不可预见事件时的应急能力。

  预期使用年限需求:定义配电设备的使用年限将表明设备受到良好维护,可扩容以及总体规划将如何影响配电系统的寿命延长或改造、升级需求。

  将预期更新设备计划归到某个等级,通过权衡每个等级升级改造的成本以及优先性,再计算所需要支出的费用,从而对改造进行成本估算。

  内部资源与数据中心施工承包商也应在评估范围内。评估配电系统没有固定的方法,因为每个数据中心的条件、资源以及优先级都是不同的; 因此,需对设备管理,改造工程、运维人员应进行等级排名与评估。设施系统设计,安装,调试,运行和维护方面的投入允许通过合理的评估、投资方法对设计、安装、调试、运行、维护进行评估,并做好记录。

  为能够有效管理配电系统,需制定全面的、周详的、具有预见性的改造、升级计划、利用评级进行管理上、运用操作流程进行维护,为管理创建一份战略性的计划表,如此才能保障配电系统安全运行的可靠性。

  配电系统改造已成为一门经济与风险多因素的议题,诸如使用年限,安全性,可靠性,效率和能源成本等因素必须结合在一起考虑,权衡,从而制定升级计划并确定优先级。对于每项配电子系统的综合分析用于制定设备维护的短期计划与长期支出,同时用于维护和升级,用审慎的态度对待设施改造、升级。 这对于所有公司机构的财务和长期业务发展、规划至关重要。