Entwerfen elektrischer Systeme für die Hochschulbildung

Hochschul- und Universitätsgelände sind zur Erfüllung ihrer akademischen und Forschungsaufgaben auf zuverlässige, leicht veränderbare und leicht zu wartende elektrische Systemnetzwerke angewiesen. Unabhängig von der Ursache können Störungen der Stromversorgung wissenschaftliche Untersuchungen gefährden und sogar ungültig machen sowie den routinemäßigen Unterrichtsbetrieb einer Einrichtung stören und stören.

Um solche Systeme zu entwerfen, muss der Elektrofachmann neben Sicherheitsvorschriften und -normen eine Reihe unterschiedlicher unmittelbarer und langfristiger Funktionsanforderungen abwägen, um ein zuverlässiges und langlebiges elektrisches System für den gesamten Campus und seine einzelnen außergewöhnlich leistungsstarken Gebäude zu entwerfen . Tatsächlich zeigt eine gründliche Betrachtung von Infrastruktur, Zuverlässigkeit, Backup-Systemen, Messung, Veränderbarkeit und Wartbarkeit, inwieweit die komplexen Designanforderungen von Hochschuleinrichtungen über die Mindestrichtlinien des Codes hinausgehen.

Infrastruktur und Zuverlässigkeit

Die elektrische Netzinfrastruktur, die den Hochschulcampus versorgt, muss die einzelnen Komponenten zuverlässig und sicher mit Strom versorgen. Dazu muss die eingehende Stromversorgung so verteilt werden, dass die Wiederherstellung der Stromversorgung während eines Ausfalls auf sichere und schnelle Weise möglich ist. Bei der Beantragung von Versorgungsleistungen müssen Anlageneigentümer verschiedene Faktoren abwägen, um die am besten geeignete Stromversorgung für den Campus auszuwählen. Die Lösungen variieren je nach Geographie. Campusse im Herzen von Großstädten können sich auf das verfügbare Versorgungsnetz verlassen, um ihre Gebäude direkt zu versorgen, während ein abgelegenerer Campus möglicherweise seine elektrische Infrastruktur verwalten und seine eigenen Dienste intern verteilen muss. Für letztere besteht die Herausforderung darin, die richtigen Versorgungsleistungen auszuwählen und zu bestimmen, wie diese am effektivsten verteilt werden können.

Um die Zuverlässigkeit des Stromversorgungsdienstes zu analysieren, der laut IEEE den größten Beitrag sowohl zur Ausfallrate als auch zur stundenlangen Ausfallzeit pro Jahr am 480-V-Verbrauchspunkt leistet, sollten sich Ingenieure auf den IEEE-Standard 493-2007 beziehen : Empfohlene Praxis für den Entwurf zuverlässiger industrieller und kommerzieller Stromversorgungssysteme. Dieser Standard liefert wertvolle Beispiele, die sich bei der Bestimmung der Zuverlässigkeit von Single- und Dual-Utility-Quellen und beim Vergleich verschiedener Campus-Verteilungstechniken als nützlich erweisen. Die angegebenen Beispiele kommen zu dem Schluss, dass eine erhöhte Zuverlässigkeit mit einer dualen Versorgungsquelle erreicht wird, die in einer primärselektiven Konfiguration angeordnet ist.

IEEE 493-2007 vergleicht die Zuverlässigkeit eines einfachen Radialsystems (eine Quelle), eines primären selektiven Systems mit manueller Umschaltung (9-minütige Umschaltung) und eines primären selektiven Systems mit automatischer selektiver Umschaltung (5-sekündige Umschaltung) (siehe Tabelle 1). ). Mit automatischen Umschaltgeräten an den Primärschaltern wird die Anzahl der Ausfälle pro Jahr um den Faktor 6 reduziert. In IEEE 493-2007, Abschnitt 3.3.5.3 heißt es: „Die Verwendung automatischer Umschaltgeräte, die einen Ausfall eines Schalters erkennen könnten.“ Bei einer 13,8-kV-Versorgungsversorgung und einem Wechsel auf die zweite Versorgung in weniger als 5 Sekunden würde sich die Ausfallrate am 480-V-Verbrauchspunkt um 6:1 verbessern.“

Basierend auf diesen Daten sollten Universitätsgelände zwei Versorgungsquellen anfordern und ein primäres selektives System mit automatischer Überwurfausrüstung einrichten, um die Zuverlässigkeit am 480-V-Gebäudeverbrauchspunkt zu erhöhen (siehe Abbildung 2).

Der Transformator in sekundären Verteilungssystemen ist eine sehr zuverlässige Komponente (mit einer niedrigen Ausfallrate λ von 0,0062), weist jedoch die zweithöchste Ausfallzeit nach dem Versorgungsunternehmen auf (mit 132 Stunden, was zu einer größeren erzwungenen Ausfallzeit pro Jahr, λr, führt). Dies bedeutet, dass der Transformator zwar recht zuverlässig ist, dass aber Möglichkeiten zur Bewältigung des langen Ausfalls berücksichtigt werden müssen, um ihn zu ersetzen, wenn eine hohe Gesamtsystemverfügbarkeit erforderlich ist. Ein sekundärselektives System mit doppelseitigen Umspannwerken ermöglicht zusätzlichen Schutz bei Transformatorausfällen oder Wartungsarbeiten (siehe Abbildung 3).

Allerdings erfordern möglicherweise nicht alle Gebäude auf dem Campus dieses zusätzliche Maß an Zuverlässigkeit oder Kosten, die mit dem Konzept der doppelseitigen Umspannstation verbunden sind. Dann wird es zu einer programmatischen Entscheidung, auszuwählen, welche Gebäude auf dem Campus hinsichtlich der Betriebsfähigkeit als „lebenswichtig“ eingestuft werden, und die mit den zusätzlichen redundanten Komponenten verbundenen Kosten können zur Abwägung der Vorteile herangezogen werden, beispielsweise für computergestützte Rechenzentren und Forschungsgebäude.

Eine Alternative zum doppelseitigen Umspannwerkskonzept, das im kürzlich fertiggestellten Gebäude des Wisconsin Institutes for Discovery an der University of Wisconsin implementiert wurde, ist das Spartransformatorsystem (siehe Abbildung 4). Nachdem festgestellt wurde, dass Transformatoren sehr zuverlässig sind und nur selten ausfallen, kann die durch die doppelseitige Umspannstation verkürzte Ausfallzeit durch die Installation eines Ersatztransformators wiederholt werden, der zunächst im Wesentlichen mit einem Hauptleistungsschalter und mehreren verriegelten Verbindungsleistungsschaltern verbunden ist. Ein echtes doppelseitig redundantes System bedeutet, dass die Transformatoren auf 50 % ihrer Nennleistung ausgelegt sind. Ein Vorteil besteht darin, dass bei diesem Sparschema jeder Transformator nur seine eigene Last trägt (single-ended) und die kVA-Nennwerte des Transformators effektiv an die Gebäudelast angepasst werden können und für die Übertragungsvorgänge nicht auf die Lüfternennwerte angewiesen sind. Dieses schonende System bietet außerdem den Vorteil einer geringeren Stellfläche im Vergleich zu Umspannwerken mit zwei Enden.

An einer Universität im Mittleren Westen wird ein primäres selektives System, bestehend aus einer Hauptversorgungsleitung und einer sekundären Reserveleitung, auf Gebäude auf dem gesamten Campus verteilt, wodurch ein Ringsystem entsteht (siehe Abbildung 5). Die Trennschalter werden verwendet, um die äußere Hauptschleife zu erstellen, die an einer Stelle auf dem Campus offen ist, damit die Versorgungsdienste aus zwei Richtungen kommen können. Die Trennschalter werden verwendet, um etwaige Abzweigfehler auf dieser Ebene zu isolieren. Diese Schalter werden dann verwendet, um eine zweite innere Schleife zu erzeugen, die Abschnitte des Campus geografisch über auf Pads montierte Transformatoren mit integrierten, in Öl getauchten Teilungsschleifenschaltern und herausziehbaren strombegrenzenden Sicherungen miteinander verbindet. Dieses System ermöglicht die Isolierung jedes Abschnitts des Ringsystems sowie die Entfernung lokaler Transformatoren aus dem Ring, ohne dass andere Gebäude beeinträchtigt werden. Abbildung 5 zeigt radiale Sekundärsysteme an jedem Gebäude (einseitig), aber die Zuverlässigkeit kann durch die Einführung doppelseitiger Geräte in den „lebenswichtigen“ Einrichtungen auf dem Campus erhöht werden. Dieses System ist sehr verbreitet und für einen großen Universitätscampus ausreichend.

Backup-Systeme

Gründe für die Bereitstellung von Notstromsystemen in Universitätsgebäuden ergeben sich aus verschiedenen Code-Anforderungen für Not- und Standby-Systeme sowie programmatischen Anforderungen für optionale, vom Benutzer angegebene empfindliche Geräte. Generatorsysteme, Batteriespeichersysteme und USV-Systeme sind typische Optionen für Universitäten, um diese besonderen Energieanforderungen zu erfüllen. Der Bedarf an einem Generatorsystem kann sich aus der gesamten zugewiesenen Kapazität der Not-, Standby- und optionalen Standby-Lasten ergeben. Abhängig vom Gebäudetyp sind die Notlasten typischerweise die kleineren Lasten, während die Standby-Lasten den größeren Rest ausmachen und den Ausschlag für die Auswahl des Generators geben können. Außerdem umfassen Standby-Lasten einen großen Teil der Motorlasten, die besser von einem Generatorsystem als von Batteriespeichersystemen bewältigt werden können. Wenn dann ein Generator ausgewählt wird, wird die Auswahl seiner Kapazität zu einem kontroversen Thema, wenn es darum geht, zu bestimmen, welche anderen optionalen Standby-Lasten versorgt werden müssen. Generatoren eignen sich vor allem für größere Gebäude, bei denen sich die Standby- und optionalen Lasten addieren, beispielsweise Hochhäuser und Gebäude mit High-Tech-Anforderungen, beispielsweise Rechenzentren. Kleinere Gebäude mit minimalen Notfallanforderungen können auf Batteriesysteme (zentral oder modular) als Backup-Quelle zurückgreifen.

USV-Systeme werden häufig in Rechenzentren und Geräten der Informationstechnologie (IT) eingesetzt, und Universitäten müssen möglicherweise ermitteln, welche USV-Systemkonfiguration für die Installation am besten geeignet ist. Beispielsweise kann für die verteilten Technologiegeräte, die sich in einer typischen Etage einer Einrichtung befinden, die Wahl zwischen einzelnen, im Rack montierten USV-Systemen und einem zentralisierten USV-System, das an jeden IT-Schrank verteilt ist, getroffen werden. Ein zentralisiertes USV-System mit einer umlaufenden Wartungs-Bypass-Komponente kann die Anzahl der Wartungsanrufe reduzieren und sich in einer größeren Anlage als kosteneffizient erweisen. Einige Forscher fordern möglicherweise auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für sensible Experimente, die ebenfalls durch eine USV am Einsatzort oder ein zentrales System erledigt werden kann.

Ein weiterer typischer Ansatz besteht darin, die optionalen Standby-Lasten als separates System zu verwalten, das selten benötigt wird, da die meisten Ausfallzeiten je nach Campus-Infrastruktur nur von kurzer Dauer sind, aber möglicherweise als katastrophale Ereignisse eingeplant werden müssen. Bei der Katastrophenplanung kann sich die Schaffung eines Anschlusspunkts für ein tragbares Stromerzeugungssystem als sinnvoll erweisen und nur in die anfängliche Infrastruktur investieren, um optionale Systeme wie Kühlschränke mit sensiblen Forschungsproben bedienen zu können. Für diese tragbaren Einheiten hätten Universitäten in der Regel einen Mietvertrag mit einem Generatorlieferanten abgeschlossen und könnten beispielsweise bei der Warnung vor einem herannahenden Sturm die tragbare Einheit als Sicherheitsvorkehrung installieren. Es ist auch üblich, diese Art von tragbaren Systemen in einem zentralen Universitätsgebäude (z. B. Studentenwerk) bereitzustellen, das als Campus-Unterkunft für die Katastrophenplanung dienen kann und über Strom für den normalen Geschäftsbetrieb während der Veranstaltung verfügt (Essenszubereitung, Studentenservice). . Mit dieser anfänglichen Vorinvestition können auch Vorkehrungen getroffen werden, um an diesem Standort künftig einen dauerhaften Generator zu installieren.

Dosierung

Anforderungen an die Strommessung werden auf Universitätsgeländen immer häufiger gestellt. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, den Energieverbrauch einzelner Gebäude zu Abrechnungszwecken zu überwachen, auf LEED-Anforderungen und auf zusätzliche Untermessungsanforderungen einzelner Universitätsabteilungen für Energiestudien oder Unterabrechnungen. Für Gebäude, die eine LEED-Zertifizierung anstreben, ordnet der Prozess drei Kreditpunkte innerhalb der Kategorie „Energie und Atmosphäre“ unter „Messung und Verifizierung“ zu. Stromzähler sind erforderlich, um den gesamten Energieverbrauch des Gebäudes zu überwachen und verschiedene Prozesskategorien wie Beleuchtungslasten, Geräte und Steckerlasten zu messen.

Ein Mess- und Verifizierungsplan ist – auch wenn er nicht LEED verfolgt – ein wertvolles Instrument für das Management von Energieeinsparungen in einer Anlage. Diese Messgeräte können Informationen liefern, um den Energieverbrauch der Anlage kontinuierlich zu überwachen und die Leistung über die gesamte Lebensdauer des Gebäudes zu verbessern. Darüber hinaus werden sie zu einem wichtigen Instrument bei der Planung des zukünftigen Wachstums auf dem Campus. Eine Universität, die eine Messstrategie umsetzt, verfügt über durchschnittliche Bedarfslastdaten, die pro Gebäudetyp analysiert werden können. Diese realen Daten können verwendet werden, um den Energieverbrauch zukünftiger Installationen vorherzusagen und bei der Planung zukünftiger Erweiterungen zu helfen. Sie können ein unschätzbares Werkzeug für die richtige Dimensionierung von Geräten sein. Aus diesen Daten abgeleitete Benchmark-Werte (Watt/Quadratfuß) sind für die Planer zukünftiger Gebäude eine große Hilfe.

Veränderlichkeit

Ein Forschungsgebäude auf einem Hochschulcampus wird während der Lebensdauer des Bauwerks einer Reihe von baulichen Renovierungen unterzogen, da das Gebäude eine wesentlich längere voraussichtliche Lebensdauer hat als viele seiner einzelnen Gebäudekomponenten. Die Lebenserwartung der meisten Elektroverteilungsgeräte liegt zwischen 35 und 40 Jahren, was darauf hindeutet, dass im Laufe der 50- oder 100-jährigen Existenz des Gebäudes mehrere Renovierungen erforderlich sein werden – und dass das Gebäude so konzipiert sein sollte, dass der Austausch und die Modernisierung der Geräte entsprechend erleichtert werden (siehe Abbildung 6).

Die Einbeziehung dieser Gestaltungsgrundlage in die Planung der Anlage ist von größter Bedeutung. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen elektrische Räume mit ausreichenden Mitteln für den Austausch einzelner Komponenten geschaffen werden, ohne dass die Beeinträchtigung anderer Betriebsgeräte beeinträchtigt wird. Die Bereitstellung von Pfaden zum Entfernen von Geräten als Teil der Konstruktionsdokumente erfüllt diesen Zweck. Es klingt beispielsweise logisch, sicherzustellen, dass in einer Umspannstation genügend Platz für den Ausbau des Transformators vorhanden ist und der Transport über einen freien Weg zu einer zugänglichen Außentür erfolgt. Was aber, wenn sich die Umspannstation auf der untersten Ebene der Anlage befindet, die zufällig unter dem Gefälle liegt? Verfügt der Aufzug über genügend Tragfähigkeit, um das Gewicht eines 2.500-kVA-Transformatorkerns mit einem Gewicht von 20.000 Pfund zu tragen? Solche Bedenken spielen eine wichtige Rolle bei der Festlegung des Austauschplans, nicht nur für elektrische Elemente, sondern für alle dynamischen Systeme, die während der Lebensdauer des Gebäudes neu konfiguriert werden müssen (Gehäuse, Labore, HVAC und Rohrleitungen). Die Lösung kann nicht unabhängig von anderen Systemen sein, da sich durch die gemeinsame Nutzung des Geräteentfernungszugriffs mit anderen Gewerken viele Möglichkeiten ergeben.

Veränderbarkeit bedeutet auch, dass die Einrichtung in der Lage ist, programmatische Änderungen mit umsichtigen Vorinvestitionen zu bewältigen. Wie kann eine Universität einen Forscher, der eine hohe Leistung anstrebt, in ein Gebäude locken, das ursprünglich nicht für eine solche Hochleistungsforschung vorgesehen war? Veränderbarkeitsfunktionen sollten intuitiv und transparent sein, was bedeutet, dass die Anlageneigentümer sich dieser Elemente bewusst sein müssen. Eine umsichtige Vorinvestition kann darin bestehen, Platz für die Installation zukünftiger Geräte bereitzustellen, anstatt die Geräte bereits in der ersten Bauphase zu beschaffen. Beispielsweise kann der Haupteingangsraum für die Stromversorgung physische Nutzfläche für künftige Umspannwerke umfassen, wenn in der Zukunft mit einer großen Stromlast zu rechnen ist, möglicherweise mit finanzieller (Zuschuss-)Finanzierung. Für diese zukünftige Ausrüstung können zunächst Ersatz-Mittelspannungsschalter beschafft werden, um die Ausfallzeiten der Anlage während der zukünftigen Renovierung zu reduzieren.

Das 300.000 Quadratmeter große interdisziplinäre Forschungsgebäude der Wisconsin Institutes for Discovery auf dem Campus der University of Wisconsin in Madison sollte eine neue Richtung in der Gestaltung von Forschungseinrichtungen einschlagen: flexibel und nachhaltig (ein 100 Jahre altes Gebäude) und gleichzeitig anspruchsvoll in der Funktionalität (siehe Abbildung 7). . Zu den verschiedenen bei Discovery implementierten Veränderbarkeitsfunktionen gehörte zunächst die Bereitstellung ausreichender Ersatzleistungsschalter an den Schalttafeln, um künftigen Raumänderungen gerecht zu werden. Das Hinzufügen eines Stromkreises steht bei der Umgestaltung eines Raums ganz oben auf der Serviceanfrage – mindestens ein jährliches Ereignis. Eine gängige Planungspraxis besteht darin, 25 % Ersatzschalter in das anfängliche Entwurfsbudget einzubeziehen, 5 % für Änderungen, die während des Baus auftreten können, und 20 % für zukünftige Modifikationen. Eine weitere durchgeführte Vorinvestition bestand darin, gekürzte Leerrohre von der Schalttafel zum nächstgelegenen zugänglichen Deckenraum bereitzustellen. Die Anzahl der Ersatzleitungen sollte ausreichend Kapazität für die Leitungen bieten, die zur Anzahl der installierten Ersatzschalter erforderlich sind.

Zu den weiteren Veränderbarkeitsmerkmalen innerhalb eines bestimmten Forschungslabors oder offenen Klassenzimmers gehörte die Verwendung von an der Decke montierten elektrischen Geräten. Das Konzept der offenen Räume mit deckenmontierten Versorgungseinrichtungen ermöglicht die zukünftige Veränderbarkeit des Raumes selbst. Zu einer ordnungsgemäßen Planung gehört die Standardisierung der Steckdosentypen, um sie mit beweglichen Gehäusen kompatibel zu machen, sowie die Bereitstellung alternativer Spannungen (z. B. 120 V, 208 V einphasig oder dreiphasig) auf dieser Raumebene. Eine weitere praktikable Alternative ist die Bereitstellung von steckbaren Schienenverteilern, bei denen beispielsweise ein- und dreiphasige 120-V- und 208-V-Stromversorgung mit Standard-Steckeinheiten über eingebaute Anschlusskabel abgeleitet werden kann.

Wartbarkeit

Wie von IEEE definiert, ist Wartbarkeit „die Leichtigkeit, mit der ein Softwaresystem oder eine Softwarekomponente geändert werden kann, um Fehler zu beheben, die Leistung oder andere Eigenschaften zu verbessern oder sich an eine veränderte Umgebung anzupassen.“ Die Wartung ist für den kontinuierlichen und sicheren Betrieb von Hochschulgeländen von entscheidender Bedeutung. Ein gut geplantes elektrisches System bietet einen Vorabansatz für die Wartbarkeit, indem bestehende Anlagenrichtlinien in Verbindung mit sich entwickelnden Vorschriften und Standards berücksichtigt werden. Elektrische Arbeitsabstände (gemäß National Electrical Code, Artikel 110) müssen ordnungsgemäß ausgelegt und eingehalten werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass es sich um Mindestempfehlungen der Vorschriften handelt und dass sie die Austauschmöglichkeiten der Geräte nicht berücksichtigen. Durch die Standardisierung von Komponenten und vorrätigen Ersatzteilen können Betriebsunterbrechungen erheblich reduziert werden. Beispielsweise ist es bei einer ausziehbaren Schaltanlage auf dem Campus einer Universität üblich, die Rahmengrößen von Leistungsschaltern zu standardisieren und Ersatzteile auf Lager zu haben, die in verschiedenen Einrichtungen ausgetauscht werden können.

Der Zugang zur Ausrüstung bleibt ein entscheidender Faktor bei der Wartung einer Anlage. Während der Entwurfsphase können Berater diesen Prozess mit BIM erleichtern, das zum Standard für anspruchsvolle Projekte geworden ist. BIM kann elektrische Systeme in 3D-Software visuell darstellen und die Gerätecode-Abstände und Zugangsräume in die Abbildungen einbeziehen. Dieses Tool erweist sich als unschätzbar wertvoll, da es eine Möglichkeit bietet, sicherzustellen, dass die Wartbarkeit der Systeme erreicht werden kann. Beispielsweise kann der Zugang zur Kabelrinne modelliert werden – nicht nur anhand der physischen Abmessungen der Rinne selbst, sondern auch mit dem empfohlenen durchgehenden Zugangsraum von 12 Zoll und 24 Zoll auf mindestens einer Seite.

Nicht zu vergessen ist die Erfahrung, die die Anlagen und das Servicepersonal des Gebäudes mit einbringen. Standortstandards, bevorzugte Anbieter (die Vertrautheit und Standardisierung bieten), Sicherheitsprotokolle (bevorzugte Lichtbogenkategorien und Infrarot-Scanning), gewonnene Erkenntnisse und betriebliche Anforderungen sind Teile eines erfolgreichen Wartbarkeitsziels, das diese Personengruppen letztendlich umsetzen müssen. Die Bewältigung dieser Anforderungen kann eine große Herausforderung darstellen, da die anfängliche Kapitalinvestition die Vorinvestition zukünftiger Wartungskosten ausgleichen muss.

Abschluss

Den Kunden im Hochschulbereich von heute eine zuverlässige, flexible Energieinfrastruktur bereitzustellen, die auf umsichtigen Erstkosteninvestitionen basiert, mit Energieüberwachung und optimierter Wartbarkeit verwaltet wird und 100 Jahre alte Gebäude unterstützen kann, ist die einzigartige Herausforderung für den Designprofi, der ein elektrisches System liefert. Das Ausmaß, in dem die Erwartungen des Kunden erfüllt werden und alle diese Elemente des Campus verwirklicht werden, wird für den zukünftigen Erfolg der Institution von grundlegender Bedeutung sein.

Cordero ist leitender Elektroingenieur bei Affiliated Engineers Inc. in Madison, Wisconsin. Er ist auf komplexe Hochschul-, Gesundheits- und Forschungseinrichtungen spezialisiert. Seine jüngsten Schulprojekte sind die Wisconsin Institutes for Discovery an der University of Wisconsin (Labor des Jahres 2012) und das Eckhardt Research Center an der University of Chicago.

Verfügen Sie über Erfahrung und Fachwissen zu den in diesem Inhalt genannten Themen? Sie sollten darüber nachdenken, in unserem CFE Media-Redaktionsteam mitzuarbeiten und die Anerkennung zu erhalten, die Sie und Ihr Unternehmen verdienen. Klicken Sie hier, um diesen Vorgang zu starten.