Практический пример: Как один музей модернизировал свою электрическую систему

Цели обучения

• Узнайте, как Детройтский институт искусств модернизировал свою электрическую инфраструктуру с устаревшей сети напряжением 4,8 кВ до современной коммунальной системы с напряжением 13,2 кВ.
• Узнайте о проблемах проектирования, связанных с заменой устаревшего оборудования трансформаторного хранилища, прокладкой новых кабелей среднего напряжения и выбором трансформаторных решений, соответствующих нормам, для исторического здания.
• Узнайте, как проект улучшил электрическую надежность, обслуживание пожарных насосов, мощность аварийного электроснабжения и общую безопасность, одновременно сведя к минимуму нарушения работы музея.

Информация об электросистеме

• Детройтский институт искусств модернизировал свою электрическую систему, заменив устаревшую коммунальную инфраструктуру 4,8 кВ новой линией 13,2 кВ, новым распределительным устройством, модернизированными трансформаторными хранилищами и более устойчивой системой пожарных насосов и генераторов.
• Проект улучшил электрическую систему музея за счет более безопасного оборудования, лучшего качества электроэнергии, противопожарной защиты, соответствующей нормам, и тщательно поэтапного строительства, которое свело к минимуму сбои в работе, одновременно защищая персонал, посетителей и коллекцию произведений искусства.

Детройтский институт искусств (DIA) — историческое учреждение, расположенное в культурном районе Детройта. Этот музей имеет богатую историю, начиная с его основания в 1885 году. Созданный для популяризации искусства и культуры Детройта, музей превратился в одну из крупнейших и наиболее значительных коллекций произведений искусства в Соединенных Штатах. Его первоначальная коллекция началась с пожертвования картин и скульптур, и с годами DIA расширилась и теперь включает более 65 000 произведений, охватывающих самые разные культуры и периоды времени. В музее более 140 галерей, аудитория, справочная библиотека по искусству, отдел консервации произведений искусства и лекционный зал общей площадью около 658 000 квадратных футов.

АСВ привлекло компанию SmithGroup для оказания инженерных услуг по обновлению и модернизации электроснабжения музея. На момент запуска проекта культурный район все еще работал на инфраструктуре ныне несуществующего Департамента общественного освещения (PLD) Детройта.

PLD, когда-то жизненно важное муниципальное образование, столкнулся с упадком из-за сочетания финансовых проблем, старения инфраструктуры и более широких экономических проблем, стоящих перед городом. Основанная в начале 20 века, компания PLD отвечала за обеспечение уличного освещения и электроснабжения жителей и предприятий.

Однако к концу 20 века департамент боролся с бюджетным дефицитом и операционной неэффективностью. В конечном итоге в 2013 году департамент был распущен в рамках более масштабной реструктуризации во время процедуры банкротства Детройта, а его обязанности были переданы крупной региональной коммунальной компании. Этот сдвиг ознаменовал конец эпохи государственных энергетических служб Детройта, отражая более широкие проблемы города и необходимость модернизации управления коммунальными услугами.

Электросистема служебный вход

Модернизация электрических систем АСВ представляла собой комплексный проект, который включал модернизацию оборудования как внутри музея, так и снаружи у входа в электрооборудование кампуса. Существующие электросети поступали на территорию через подземные люки, в которых находились цепи энергоснабжения 4,8 кВ. В инженерных сетях напряжением 4,8 кВ использовались трехжильные кабели среднего напряжения, проложенные в здание через подземные короба.

Наиболее распространенной системой распределения, используемой местной коммунальной компанией для обслуживания своих потребителей, является 13,2 Y/7,6 кВ. Для подключения к системе 13,2 кВ были подведены новые кабели 15 кВ из подземной системы колодцев, которая была полностью независима от существующей системы 4,8 кВ. Для приема новых услуг 13,2 кВ, предоставляемых коммунальным предприятием, требовалось новое внешнее распределительное устройство среднего напряжения класса 15 кВ. Вводные секции распределительного устройства состояли из вакуумных выключателей с электронной блокировкой (см. Рисунок 1), которые обычно работали на одной из двух цепей 13,2 кВ, но могли автоматически переключаться на альтернативную работу при потере питания.

От новой очереди распределительных устройств до каждого из существующих трансформаторных хранилищ, расположенных в подвале музея, была проложена новая кабельная линия 15 кВ. Первоначально намерением инженерной группы было использовать существующие трассы для прокладки нового кабеля среднего напряжения 15 кВ в существующие хранилища, однако в ходе дальнейшего расследования было обнаружено, что подземные каналы были полностью разрушены. Существующие кабели напряжением 4,8 кВ работали в обрушившихся каналах, однако стало ясно, что эти трассы не находятся в состоянии, пригодном для повторного использования для новой прокладки кабелей.

Экранная стена для скрытия электрических систем

Хотя инженеры, возможно, и не против взглянуть на линейки распределительных устройств, оказывается, что публика не находит серые коробки столь привлекательными. Новая линейка распределительных устройств предоставила возможность спроектировать перегородку, которая незаметно скрывает оборудование распределительного устройства, сочетая при этом функциональность с эстетической привлекательностью (см. Рисунок 2).

Окончательный дизайн был выбран в результате совместных усилий основной команды руководства DIA. Первоначальные концепции дизайна изучались на различных семинарах с основной командой. Выбранный дизайн чтит историю кампуса, предлагая современную интерпретацию оригинальной архитектуры и включая брендинг DIA.

Экран-стена, изготовленная из прочных, устойчивых к атмосферным воздействиям материалов, способна противостоять непогоде. Он имеет две вертикальные плоскости: наружная плоскость изготовлена ​​из перфорированного алюминия, а внутренняя плоскость состоит из оцинкованной B-образной платформы, поддерживаемой оцинкованными стальными трубами.

Рис. 2. Архитектурная экранирующая стена, закрывающая новое распределительное устройство от взглядов со стороны прилегающих дорог общего пользования. С разрешения: SmithGroup

Дизайн экранной стены включает в себя перфорированный рисунок логотипа DIA с глянцевым белым порошковым покрытием, превращающий его из функционального элемента в привлекательный фокус. Вторая плоскость, окрашенная в фирменный синий цвет DIA, повышает визуальную привлекательность, создавая фон, который добавляет глубины и взаимодействует с естественным дневным светом.

Существующие условия электрооборудования

Существующие условия в электротехнических помещениях поставили перед командой проектировщиков как ряд проблем, так и возможности. Помещения были построены как «трансформаторные хранилища» в истинном смысле этого слова, как это определено NFPA 70: Статья 450 Национального электротехнического кодекса (NEC), которая требует, чтобы эти помещения имели трехчасовую огнестойкость, а также подоконники для удержания масла среди других требований. Трансформаторные хранилища, подобные этим, были типичными для зданий середины 20-го века в Детройте, поскольку местная коммунальная компания обычно устанавливала в хранилищах свои трансформаторы на минеральном масле, чтобы понизить входное напряжение 4800 В до рабочего напряжения здания. Доступ в эти помещения имелся только для персонала коммунальных предприятий.

Существующие трансформаторы представляли собой однофазные трансформаторы типа «банка», которые в современных приложениях мы обычно ожидаем увидеть установленными высоко на опорах. Чтобы обеспечить трехфазное питание здания, три из этих однофазных трансформаторов были соединены друг с другом по схеме треугольника или звезды с использованием открытых кабелей и концевых заделок.

Другими основными частями оборудования, обнаруженными в существующих хранилищах, были автоматические выключатели среднего напряжения с масляной изоляцией. Эти автоматические выключатели позволяли коммунальным предприятиям отключать трансформаторы и обеспечивать защиту от перегрузки по току с помощью аналоговых реле. Трансформаторы тока были установлены на стороне линии каждого выключателя для измерения энергопотребления каждой входящей сети напряжением 4800 В.

При оценке оборудования, которому 50 лет или больше, важно учитывать возможность присутствия в нем опасных материалов, поскольку некоторые системы могли быть установлены в то время, когда еще не было известно о воздействии определенных материалов и химикатов.

В рамках этого проекта основные вопросы, которые оценивались, заключались в том, содержат ли изоляционные масла полихлорированные дифенилы (ПХД) и содержит ли внешний слой кабеля среднего напряжения асбест. ПХБ в масле обнаружено не было; однако кабели среднего напряжения действительно содержали асбест, что требовало соблюдения определенных процессов восстановления для надлежащего вывода кабелей из эксплуатации.

Решения для проектирования электрических хранилищ

В связи с существующими условиями перед командой инженеров стояло несколько задач, которые необходимо было решить.

На первом месте в списке проектных ограничений было физическое пространство, доступное для нового электрооборудования в хранилищах. Ранее ограничения по весу и размеру не были проблемой, поскольку предприятие использовало отдельные однофазные трансформаторы; однако для нового оборудования это было невозможно из-за угрозы безопасности, связанной с открытыми выводами.

Традиционно при подведении фидеров среднего напряжения внутри здания инженеры используют модульные подстанции для понижения напряжения до рабочего напряжения оборудования здания. Единичные подстанции обычно состоят из секции распределительного устройства среднего напряжения в металлическом корпусе с выключателем нагрузки, тесно соединенным с трансформатором среднего напряжения. Трансформаторы сухого типа часто используются внутри помещений, однако сейчас чаще используются трансформаторы жидкостного типа из-за доступности менее горючих изолирующих жидкостей.

Проекты стандартных модульных подстанций представляли множество проблем при рассмотрении этого приложения. Во-первых, требуемая площадь была намного больше, чем была в наличии, особенно если учесть, что в идеале это оборудование должно было устанавливаться поэтапно. Стандартный выключатель нагрузки в металлическом корпусе на 15 кВ имеет ширину 3 фута и высоту 7 футов, а трансформатор среднего напряжения подстанции имеет ширину 8 футов и высоту 9 футов. Эти размеры были неожиданными из-за ограниченной площади и высоты корпуса трансформатора.

Еще одной проблемой, которая стала очевидной, был вес трансформатора подстанции сухого типа; Самый большой размер, необходимый для проекта, весит примерно 15 000 фунтов, что превышает грузоподъемность лифта здания на 5 000 фунтов.

Ограничения конструкции трансформаторов подстанции сухого типа побудили команду инженеров изучить решения для трансформаторов с жидкостным наполнением. Трансформаторы с жидкостным наполнением доступны в конфигурациях, похожих на внутренние подстанции, однако их размеры не намного лучше, чем у сухих типов. Трансформаторы, заполненные жидкостью, также позволяют временно облегчить трансформаторы путем слива жидкости и повторной установки после установки устройства на место; эта стратегия позволила транспортировать трансформаторы весом 10 000 фунтов. Лифт без превышения вместимости.

Трансформаторы с монтажом на площадке занимают наиболее компактную площадь по сравнению с их аналогами той же номинальной мощности, поэтому было принято решение использовать в проекте трансформаторы с монтажом на площадке. Трансформаторы с монтажом на подставке могут обеспечить еще большую гибкость при установке в узкие отверстия, поскольку некоторые из них могут быть оснащены съемным оконечным шкафом и съемными ребрами радиатора.

В качестве дополнительного преимущества трансформаторы с жидкостным наполнением имеют небольшой прирост эффективности по сравнению с их аналогами сухого типа, а в будущем жидкость можно будет брать в качестве инструмента диагностики для профилактического обслуживания.

Трансформаторы с монтажом на подставке доступны со стандартным минеральным маслом или менее огнеопасными изоляционными жидкостями. Переустановка трансформаторов на минеральном масле внутри существующих помещений соответствовала бы нормам, поскольку они были построены как трансформаторные хранилища с трехчасовой огнестойкостью, однако было установлено, что менее огнеопасная изолирующая жидкость была оптимальным решением. Команда инженеров была уверена, что небольшие дополнительные расходы, связанные с меньшим количеством легковоспламеняющейся жидкости, того стоят, поскольку дают сотрудникам музея, посетителям и произведениям искусства наилучшую возможную защиту от пожаров.

В дополнение к ранее упомянутым преимуществам жидкостные трансформаторы с площадкой для монтажа также имеют то преимущество, что можно использовать изоляционное масло для обеспечения средств отключения и защиты от сверхтоков без какого-либо дополнительного внешнего оборудования. Эта функция стала большим преимуществом для проекта, поскольку позволила каждому трансформатору иметь собственный встроенный выключатель нагрузки и предохранитель.

Встроенные средства отключения и защита от сверхтоков были важной конструктивной особенностью, поскольку они позволяли использовать один фидер среднего напряжения для последовательного подключения нескольких трансформаторов без необходимости использования дополнительного распределительного устройства среднего напряжения.

Рекомендации по электрической системе пожарного насоса

Проект модернизации электрооборудования предоставил DIA возможность также модернизировать конструкцию существующего источника питания пожарного насоса. Существующий пожарный насос обслуживался от ответвления вторичной обмотки одного из сервисных трансформаторов на 480 В, который будет выведен из эксплуатации в рамках объема работ. На момент установки установка считалась соответствующей нормам, поскольку трансформаторы принадлежали коммунальной компании, а отвод был сделан до средств отключения нижестоящих сетей.

Однако после завершения модернизации существующая конфигурация источника питания пожарного насоса не будет соответствовать стандарту NEC 695.3(A), который требует, чтобы питание пожарного насоса осуществлялось от соединения, расположенного перед средством отключения обслуживания. В конструкцию новой системы был включен специальный кран пожарного насоса от главного распределительного устройства, который затем питал специальное средство отключения пожарного насоса и трансформатор пожарного насоса. Трансформатор пожарного насоса понизил новое рабочее напряжение 13,2 кВ до 480 В, чтобы оно соответствовало напряжению существующего насоса.

Обновления системы генератора

В ходе обычного проекта модернизации электроснабжения АСВ также решило, что его система аварийного электроснабжения нуждается в модернизации. Существующий генератор представлял собой небольшой генератор 208 Y/120 В, который поддерживал несколько избранных нагрузок, таких как некоторые нагрузки, связанные с безопасностью, и холодильное оборудование. Как это обычно бывает с большинством объектов с критическими нагрузками, их потребность в генераторной мощности со временем возросла, и стало очевидно, что требуются дополнительные генераторные мощности.

Помимо увеличения нагрузки на данные и безопасность, DIA хотело обеспечить дополнительную устойчивость системы пожарных насосов. Несмотря на то, что теперь была модернизирована служба пожарных насосов, пожарный насос по-прежнему будет обслуживаться от одного источника питания, что разрешено, если источник считается надежным.

Однако, даже имея надежный источник коммунальных услуг, DIA признало, что пожарный насос является важной частью защиты музейной коллекции от потерь в результате пожара, и повышение надежности системы пожарного насоса было разумной инвестицией.

Поскольку существующий генератор имел напряжение 208 Y/120 В, а пожарный насос – 480 В, стало ясно, что лучшим решением для модернизации генератора было бы поставить генератор на 480 Y/277 В, рассчитанный на нагрузку пожарного насоса, и установить понижающий трансформатор для обслуживания всех нагрузок 208 Y/120 В. В проект также были интегрированы новый автоматический переключатель, трансформаторы и щиты управления, чтобы обеспечить полностью модернизированную систему аварийного электроснабжения.

Типичным методом обеспечения пожарного насоса двумя источниками питания является использование контроллера пожарного насоса со встроенным автоматическим переключателем. К счастью, DIA предусмотрительно установило этот тип контроллера за несколько лет до того, как был установлен пожарный насос. Это значительно упростило процесс модернизации мощности пожарных насосов; подрядчику-установщику просто пришлось подключить провода питания и управления нового генератора к контроллеру.

Процесс строительства и временные услуги

Процесс перехода с существующего оборудования на новое представлял собой очень детальный и четко спланированный процесс, который требовал тесной координации между АСВ, подрядчиком по установке, инженерной командой и коммунальным предприятием. Большая часть работ по переключению проводилась в те дни, когда музей был закрыт для публики, чтобы свести к минимуму помехи для работы музея и его посетителей.

Коммунальной компанией были установлены временные выключатели и трансформаторы для наружного монтажа (см. рисунок 3); Трансформаторы обеспечивали питание 480 Y/277 В и 208 Y/120 В непосредственно к существующим распределительным щитам, что затем позволило вывести из эксплуатации и демонтировать существующее оборудование на 4,8 кВ. Это временное оборудование сыграло ключевую роль в минимизации времени простоя, необходимого для переключения при отключении старого оборудования.

Рис. 3. Установленное на площадке распределительное устройство и трансформаторы, используемые для временного энергоснабжения музея во время строительства. С разрешения: SmithGroup

Дополнительная область электрической системы

В АСВ признали, что электрооборудование — не единственное, что необходимо модернизировать в электрохранилищах. Механические системы, спринклерные системы, двери, освещение и окраска были модернизированы, что позволило создать безопасное и комфортное пространство для персонала объекта и технических специалистов по техническому обслуживанию.

Одна из неожиданных проблем, возникших при установке современных энергоэффективных трансформаторов, заключалась в том, что отработанного тепла, образующегося в результате потерь в трансформаторах, уже не хватало для адекватного обогрева электрических хранилищ в зимние месяцы. Электрические нагреватели были установлены для компенсации теплопотерь трансформатора и поддержания соответствующей минимальной температуры в хранилищах.

Завершение модернизации электросистемы

После завершения установки нового электрооборудования улучшения сразу же были видны бригаде объектов АСВ. В новых коммунальных службах не наблюдалось ни одного из прежних симптомов плохого качества электроэнергии, что позволило АСВ работать более эффективно и снизить нагрузку на свой персонал. Еще одним заметным преимуществом после завершения строительства стало повышение безопасности электрических систем в хранилищах, поскольку все кабели были проложены в кабелепроводах, не оставляя открытых частей, находящихся под напряжением.

АСВ продолжает оставаться свидетельством богатого культурного и художественного наследия города. Трансформация электрических систем отражает не только стремление музея сохранить искусство, но и адаптацию к современным технологическим требованиям. Возникшие инженерные проблемы были решены с помощью решений, подчеркивающих безопасность, эффективность и защиту коллекции музея. Используя достижения в области электрической инфраструктуры, DIA гарантирует, что оно сможет продолжать служить обществу и защищать свои бесценные коллекции для будущих поколений.

Сообщение Пример из практики: Как один музей модернизировал свою электрическую систему,