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探讨配电改造各阶段的监理控制重难点及解决方案

2020-07-16 386 上传者：管理员

摘要：数据中心配电系统施工完毕后，发现电力系统不能满足A级数据中心供电要求，须根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》重新进行深化设计及施工改造。监理单位提出配电改造各阶段的监理控制重难点及解决方案，经改造后该数据中心已投入使用且运行稳定。

关键词：
数据中心
施工监理
系统调试
配电系统改造
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某数据中心在主配电系统已施工完毕即将启动系统调试时，发现其电力系统出现设计漏洞，导致供电系统不能满足A级机房标准及业主的要求，需要重新对配电系统进行设计深化及施工改造。

1、配电系统概况及问题

某数据中心建设等级为A级，总负荷为566 kW，电源引自物业自管变配电室，由3号及4号变压器每台分别提供两路电源为数据中心供电，单台变压器单路电源容量约320 kW。正常状态时2台变压器同时为数据中心供电，各承担50%负荷。当任何一台故障或维修停机时，另一台可作为备用电源承担全部负荷；而当两路电源失电时，后备柴油发电机（625 kW）立即启动以保证数据中心机房全年不断电持续运行。

在主配电系统施工完毕即将启动数据中心系统调试时，突然发现物业自管变配电室3号及4号变压器低压侧馈电母排未设置联络开关，2台变压器无法实现互为备用连锁投切。根据业主要求及GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定，A级数据中心应采用双电源2N(N为大于1的整数）冗余形式供电，且2个电源不应同时受到损坏。原设计配电系统未在用电设备末端设计双电源投切功能，而是默认在变压器低压侧2台变压器可互为备用，目前设置的双电源不能满足该项要求，一旦单台变压器故障将导致一半的机房电力瘫痪，需在原数据中心配电系统上进行深化设计并加以改造，以满足供电要求。

2、审核设计图纸

2.1 提出初步设计方案

根据以上问题，建设单位要求考虑工期及成本因素，组织设计、施工、监理三方召开配电改造技术专题会，要求共同商议提出改动最小，工期时间最短，最经济且简单有效的解决方案，并要求从根本上解决问题。经四方研究，决定在本数据中心独立配电室内增加1台电源联络柜，内含2组联络开关及相应控制系统，实现3号变压器供给的两路电源与4号变压器供给的两路电源1对1电源联络功能，以满足2台变压器双路双供，互为备用的功能，监理工程师最终审核通过的配电系统如图1、图2所示。

图1 配电系统1（计算机截图）

图2 配电系统2（计算机截图）

图1、图2中，AP1-4为原设计配电柜，其中市电-1和市电-3为3号变压器所供两路电源共640 kW，市电-2和市电-4为4号变压器所供两路电源共640 kW。应急电源-1、应急电源-3、应急电源-5、应急电源-7为柴油发电机供电电源，在市电停电情况下可通过ATS分别与市电切换作为备用电源。

为满足配电系统改造要求，新增设AP5配电柜作为电源联络柜，规格尺寸为600 mm×1 100 mm×2 200 mm，柜内设2组630A/3P断路器做联络开关通过电缆接于AP-1柜与AP-2柜，AP-3柜与AP-4柜市电开关进线下口母排处，以实现市电-1与市电-2，市电-3与市电-4互为备用的功能，此2组联络开关及相关控制系统为本次配电系统改造增加内容。

2.2 主回路系统设计

图3为1组联络开关主回路系统，由于2组工作原理基本一致，本文以其中1组为例进行说明。QF1与QF2分别为原AP-1与AP-2进线断路器，QF3为改造增加的联络断路器，实现两路市电互为备用的连锁控制。在本改造工程设计阶段监理工程师进行审核并提出监理审核意见如下。

图3 联络开关主回路系统（计算机截图）

(1)QF1,QF2为原采用的塑壳断路器，为实现全自动控制合、分闸功能，改造工程新增联络断路器QF3，与QF1,QF2断路器应为同品牌、同规格、同型号、同整定电流值，均在原塑壳断路器上增加原厂家的电动操作机构。3台断路器实现三合二连锁控制，严禁3台断路器同时合闸而导致3号及4号变压器并列运行出现故障。

(2）考虑到本机房UPS特性及某些IT服务器等设备，切断中性线可能会导致“零地”电压升高影响UPS及部分敏感设备不能正常工作，因此联络开关采用3P联络断路器，自3号及4号变压器引入的中性线不经过断路器，直接与共用中性线端子排连接，以保证中性线连续。

(3）二次控制回路电源KMa,KMn通过某品牌UPS(2 400 W，持续供电时间20～30 min）作为不间断电源持续供电，目的是确保在两路市电均失电的情况下本联络控制系统仍可正常工作。

(4)2台变压器的电源通过双电源互投WATS作为控制系统UPS双路市电电源输入，同时为UPS充电，以增加系统整体可靠性。

(5)QF1,QF2,QF3均采用电动操作机构，可同时实现手动、自动控制。

(6）电源输入端设置三相电压继电器及单相电压继电器，作为检测电源状态或电源故障的双重保险，一旦一侧电源失电能及时准确地将信号传递给控制系统，确保系统及时有效的进行应对调整。

2.3 控制回路系统设计

以联络断路器QF3控制电路图为例进行说明，QF3与PLC及控制元器件均位于AP-5柜内。本系统电气控制采用PLC编程及电气元件连锁共同实现，将各断路器状态（合闸、分闸、故障）信号及检测各路断路器上口电源状态（电源接通或故障）信号作为PLC的输入信号，PLC通过设定的逻辑程序对输入信号进行一系列处理，输出信号控制相应的中间继电器从而控制各断路器的开合，实现QF1,QF2,QF3三台断路器的“三合二”连锁功能。

在审核控制系统设计时，监理工程师提出改进意见如下。

(1）电操机构控制系统分为手动和自动2种控制模式，通过电信号控制合闸线圈（YC）和分闸线圈（ST）来实现电动操作机构的合闸与分闸2种动作。为保证安全，在合闸回路中串接QF1及QF2断路器电操上的常闭节点，以保证在QF1与QF2均合闸的状态下联络断路器QF3不会误合闸。

(2）柴油发电机的启停控制信号及运行状态反馈同样需编入PLC控制系统内。当控制系统AP1和AP2或AP3和AP4柜的电压继电器同时检测到失电信号时，PLC将输出柴油发电机启动信号到柴油发电机的控制盘上，柴油发电机启动开始给数据中心供电。同理，当检测到非以上情况时，PLC输出信号联动柴油发电机停止运行；与此同时，柴油发电机的运行状态信号反馈给PLC。各断路器的消防强切反馈信号需单独作为输入信号给PLC，使控制系统得以区分断路器正常切断状态和消防强切状态。

(3）整体电气联络系统的各元器件状态及电气参数通过PLC的COM输出端口经过RS232信号总线传输到AP5柜的操作面板上，显示界面简洁，还可显示主回路系统图并可直接在界面上完成控制操作。要求增加系统故障报警及断路器失电脱扣报警功能，提示维修人员查找问题原因尽快维修。

3、施工过程监理

3.1 审核施工计划

本改造工程工期紧，任务重，需同时协调多方单位共同完成。因此施工阶段监理控制的重点和难点是保证施工质量和施工进度。为此，监理工程师根据改造工程施工单位报送的施工方案及施工计划，结合改造工程特点编制了施工工序计划及验收表作为监理验收控制重点。

3.2 施工阶段监理质量控制重点

在施工阶段，监理工程师监督各施工单位严格按施工计划进行，每道工序结束后经施工总包单位自检合格，监理工程师验收合格签字后方可开始下一道工序施工。由于本工程为配电改造工程，施工场地有限，技术复杂，施工中的重点难点为电缆敷设压接、电气二次控制接线。

工程配电母联电缆采用ZRYJV 4×240+1×120电缆自AP1,AP2,AP3,AP4柜母排接线端子处分别连接至AP5联络柜断路器接线端子处。施工空间狭小，各配电柜采用下进线下出线的进线方式，致使电缆敷设有一定难度。敷设电缆时，要求施工单位配备足够劳动力，并使用多台牵引机及若干滑轮组，由于施工中电缆敷设路径多处连续拐弯，须严格控制电缆弯曲半径应大于15D(D为电缆半径），并注意电缆不应有被外力损伤的情况。

压接电缆端子时尤其需重点检查电缆端子与相应相、N及PE接线排的紧固情况，紧固件应齐全且螺栓尺寸须与电缆端子相匹配。电缆连接时母联两侧电缆相序须确保一致，并及时穿热缩套管保护。压接完成后应及时对线路进行绝缘检查，线路绝缘不低于0.5 MΩ。电气控制元器件安装及二次控制接线工序耗时较长且较复杂，由于电气联络柜中PLC须与原AP1,AP2,AP3,AP4柜完成控制及信号反馈，因此大部分电气元器件只能在现场安装、接线。

各继电器及相应元器件应严格对照经审核批准的二次接线控制原理图安装接线，断路器电动操作机构按厂家提供的说明书进行安装接线。须重点关注元器件线圈电压，接入相对应电压等级回路，注意区分各常开及常闭接点在接线时控制逻辑关系应与图纸一致。电流互感器二次侧应接地可靠。全部二次回路接线应采用接线端子相连接，确保牢固可靠。接线完成后复查各元器件控制线的接线编号应与图纸一致，同时使用万用表复核线路导通状态是否与图纸要求一致。

4、系统调试

4.1 系统送电

在完成全部施工内容并对配电室内整体卫生清理完毕后，监理工程师对系统送电前情况做最后检查。检查开关柜内母排及电缆连接情况，全部螺栓须紧固到位，元器件带电部位与柜体及相间须保持足够的安全距离，带电裸露的铜排、端子已做好绝缘防护。检查系统接地应完好并可靠。检查柜内二次接线应正确，与图纸一致，接线端子应紧固。检查可调开关的整定值应按设计要求调整正确。电缆及二次回路绝缘应可靠，电缆接线相序应正确，全部断路器应保持在断开状态。送电时检查AP1至AP5柜断路器上口电压是否正常。

4.2 系统调试

系统调试时，需确保系统达到设计及使用要求，每组配电联络系统均能有效地实现“三合二”合闸连锁。当任何一组连锁全部失电时，为确保安全，联络开关应断开，柴油发电机自动开启作为后备电源为系统投入供电。当系统检测到非以上状态时，柴油发电机自动停止。用户切换到手动模式时，每组联络断路器具备互锁功能，当2台断路器处于合闸状态时，第3台断路器无法手动合闸，以确保3号及4号变压器不会出现并列运行的情况。在系统调试开始前研究各断路器及柴油发电机可能出现的全部正常情况，编制配电联络逻辑表，以便于指导系统调试工作的顺利开展。

在系统调试时严格对照列出的逻辑关系检查各元器件、设备动作情况是否正确。考虑相应的安全因素，防止系统出现误动作情况。电操合闸、分闸脉冲时间设定为3 s，步序间隔时间设定为5 s。为防止柴油发电机误动作，设定柴油发电机启动延时为45 s，切换市电停机时间为45 s。在调试过程中，重点核对联络断路器与其余断路器动作顺序是否符合要求，避免造成2台变压器并列运行。以一组联络系统为例，AP1及AP2电源检测正常，PLC首先输出命令断开1-2母联断路器，同时确保柴油发电机反馈信号为停止后，AP1及AP2断路器自动合闸。

当检测到AP-1电源正常，AP-2电源失电时，在确保柴油发电机处于停止状态后，首先输出命令断开AP-2断路器，再合1-2母联断路器。当检测到AP-2电源正常，AP-1电源失电时，确保柴油发电机停止状态后先输出命令断开AP-1断路器，再合1-2母联断路器；当检测到AP-1与AP-2路均失电时先输出命令断开AP-1及AP-2断路器，并确保1-2母联断路器断开后，启动柴油发电机（启动延时45 s）。当任何一路检测到电源恢复时，系统输出命令柴油发电机经45 s冷却停机，同时相应断路器按逻辑关系完成动作。当任何一路电源失电时联络柜内声光报警器响起提醒维修人员注意。

5、结束语

某数据中心配电系统改造工程验收完成后已顺利投入使用且运行稳定。配电联络系统为数据中心的电力供应提供了可靠保障。但今后工程中应尽量避免发生此类情况，设计前应做好足够的前期调研，尤其应深入了解业主提供的现场条件，才能保证设计完善，避免重大设计变更，为工程节省工期及成本。

参考文献：

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