重要负荷在线配电改造的实践与探讨
摘 要
本文在阐述了昆明某公司业务机房供配电系统存在问题的前提下，根据机房未来的发展需求，对该配电系统进行全面的规划设计与升级改造，力求安全有序的解决存在问题，提高机房供电可靠性和规范性，并为今后机房的扩容升级提供充足的能源保障。
【关键词】供配电系统 供电负载现状 UPS负载不均衡
昆明某公司业务机房供配电系统建成年份较长，规划不足，并经历多次补充性建设，存在配电线路混乱、供电回路供应不足、单点故障风险高、负载均衡度差等问题，以上问题直接影响了业务系统的可靠性，并严重阻碍了机房内设备的扩容升级。本文阐述了该项目目前存在的问题，并根据机房未来的发展需求，对该配电系统进行全面的规划设计与升级改造，以求安全有序的解决以上问题，提高机房供电可靠性和规范性，并为今后机房的扩容升级提供充足的能源保障。
1 项目概况
昆明某公司业务机房供配电系统建成年份较长，规划不足，并经历多次补充性建设，存在配电线路混乱、供电回路供应不足、单点故障风险高、负载均衡度差等问题，以上问题直接影响了业务系统的可靠性，并严重阻碍了机房内设备的扩容升级，因此，本改造项目试图结合机房当前实际情况，对机房配电系统进行一次的规划，以解决以上存在的问题、提高机房供电可靠性和规范性，并为今后机房的扩容升级提供供电基础。
2 现状分析
现场勘察并分析存在问题是进行设计和实施的基础，经过深入的现场勘察和线路分析，得出当前机房供电状况如下：
2.1 机房供电系统概况
机房的供电系统采用TN-S制供电，由两个独立的二切（动力电和油机电ATS转换）配电柜组成，分别对应两套独立的UPS（APC 16K 和APC 10K，均带手动旁路）。
2.2 供电负载现状
目前由该机房供电的设备包括各系统主机设备、呼叫中心坐席PC设备、机房空调和应急照明设备，机房最大负载有效总功率为40KW，其中末端配电柜情况如下：1）1号配电柜：常用负载包括16K UPS和两台吊顶式空调（有效总功率为20KW）；备用负载为一台立式空调（有效总功率为4KW），最大负载有效总功率为24KW。2）2号配电柜：常用负载包括10K UPS和呼叫中心坐席的PC设备（有效总功率约为11KW）；备用负载包括客户服务部在业务高峰时期排班坐席的PC设备（有效总功率约为12KW），最大负载有效总功率约为23KW。3）业务系统16K UPS：额定容量为16KVA，输入为1号配电柜的380V AC，输出220V AC单相，目前负载包括A、B、C机架设备（有效总功率约为8KW），负载率为71%。 电池组由2×10只LC-X1265ST阀控式铅酸蓄电池组成，输出电压为120VDC，在目前的负载情况下（约为8KW），电池组的延时约为80分钟。4）10K UPS：额定容量为10KVA，输入为2号配电柜的380V AC，输出220VAC单相，目前负载包括呼叫中心6个坐席的PC设备和应急照明设备（有效总功率约为1KW），负载率为13%。电池组由2×16只LC-X1224ST阀控式铅酸蓄电池组成，输出电压为192VDC，在目前的负载情况下（约为1KW），电池组的延时约为360分钟。
2.3 开关设备和供电线路现状
机房供电系统由四级空气开关构成：一级断路器上接三相电源，额定电流分别为100A和125A；一、二级断路器间接自动转换开关（ATS），额定电流分别为100A和115A；二级断路器分别下接UPS、空调和呼叫中心坐席PC设备，额定电流从32A到63A不等；三级断路器上接UPS输出回路，下接四级断路器，额定电流分别为40A和100A；四级断路器下接A、B、C机架的各个供电回路，额定电流从10A到32A不等。 供电电缆基本采用单芯的聚氯乙烯绝缘电缆，电缆的额定电压为450/750V，标称截面积从2.5mm2到16mm2不等。
3 方案设计
3.1 解决供电回路和开关设备无备份的问题：
（1）在机房电源间内增加一个1500mm×700mm×400mm双电源切换开关柜，配置NSE160N/3P125一级断路器两只和WATSNA-160/125.3CBR自动转换开关一套，采用0.6/1KV YJV4×35+1×16 mm2交联聚乙烯绝缘铜缆（下同）分别从楼层配电室的动力配电柜和照明配电柜各接出一路三相五线电源，经自动转换后采用0.6/1KV YJV4×25+1×16mm2电缆分别接入1号和2号配电柜，另外采用0.6/1KV YJV4×25+1×16mm2电缆从楼层配电室的油机配电柜接出两路三相五线电源分别接入1号和2号配电柜，分别在这两个配电柜进行市电和油机的自动转换。（2）在1号配电柜中增加两只NSE100N/3P80三级断路器，分别作为16K UPS进线断路器和备份，增加3只C65N-C40A/3P三级断路器作为空调进线断路器，将原有10只四级断路器统一更换为C65N-C16A/1P并增加3只C65N-C16A/1P四级断路器。将16K UPS的进线电缆替换为0.6/1KV YJV4×16+1×10mm2电缆，将16K UPS的出线电缆替换为0.6/1KV YJV3×16mm2电缆，将空调进线电缆替换为0.6/1KV YJV3×6+2×4mm2电缆。（3）在2号配电柜中增加两只NSE100N/3P80三级断路器，分别作为10K UPS进线断路器和备份，增加4只C65N-C16A/1P四级断路器。将10K UPS的进线电缆替换为0.6/1KV YJV4×16+1×10mm2电缆，将10K UPS的出线电缆替换为0.6/1KV YJV3×16mm2电缆。
3.2 解决两台UPS负载不均衡的问题：
分别从两台UPS的四级断路器接两个回路到STS，单电源供电的负载设计在前端增加静态切换开关STS进行切换供电，保障单电源负载的供电正常，并将原来接入到10K UPS的呼叫中心第2、7和9排坐席改接到16K UPS上。
从备用UPS接出一个手动切换回路，作为STS检修或更换时的备用回路，备用回路利用原有PDU进行安装，在正常情况下由STS给设备供电，在STS出现故障的情况下由备用PDU进行供电。10KVA UPS 的负载仅仅是呼叫中心第2、7和9排坐席以及应急照明端，其余的均为空载，负荷量较小，这就照成了两台UPS负载不均衡，16KVA的UPS负载量过大而10KVA UPS负载量较小。此次改造的内容就是将10KVA UPS对原来仅由16KVA UPS供电的负载也由10KVA UPS进行供电，实现双电源供电的模式。改造完成后16K UPS作为A3、A4和A5机架的主用电源，10K UPS作为C3机架的主用电源。
4 改造部署
重要负载在线配电改造属于精细化施工，在制定出完善的设计方案后仍需仔细调查现场情况，分析实施风险和详细安排现场搭接顺序，以期安全、可靠地实现项目改造。本项目实施宜按照从前端到后端的顺序进行，主要分为楼层配电柜改造、UPS前端1、2号配电柜改造和UPS后段工配电改造三部分，下面我将分别就这三部份的部署进行深入阐述。
4.1 楼层配电柜改造
根据切换计划中规定的时间做油机柜断电通知，然后进行油机柜内改造，包括断电处理、断路器安装、线缆端接等一系列工作，确保施工安全。首先是楼层配电间内油机配电柜内断路器更换、线缆端接以及油机输出线缆在1、2号配电柜内的端接。其次是楼层配电间内照明柜线缆端接，本部分工作还包括拆除原动力输出线缆，连接新增双电源配电切换柜输出线缆。在此期间，由于需切断动力柜供电切断，因此在拆除原动力输出线缆前宜采用油机供电，将1、2号柜内ATS采用手动方式调至油机供电回路，以减少市电中断时间，降低宕机风险。在1、2号配电柜内总市电输入断路器上端接新双电源切换柜的输出线缆，检查合格后进行线缆的绝缘电阻测试，测试合格后即可合上照明配电柜输出开关，采用照明母线进行供电，供电正常后，关闭油机。最后再进行动力柜内断路器更换工作，由于此时照明母线已经实现对机房供电，因此我们可以在完全断电的情况下对动力柜内断路器进行更换。
4.2 UPS前端1、2号配电柜改造
UPS前端配电改造主要包括16K、10K UPS前端1号与2号柜内相应设施的改造，此部分改造需对1号与2号配电柜主断路器进行开路处理，因此需考虑UPS设备的备用时间。
4.2.1 1号配电柜UPS前端改造
因此，根据现场调查数据，16K UPS电池组的延时约为80分钟，我们应在80分钟内完成包括将1号配电柜原有的两只50A的微型断路器更换成80A 3P的塑壳断路器；柜内旧3*10mm2电缆线的拆除并采用YJV3*16mm2电缆进行更换；柜内断路器至UPS接线拆除并采用YJV4*16+1*10mm2线缆予以更换。
4.2.2 2号配电柜UPS前端改造
因此，根据现场调查数据，10K UPS电池组的延时约为360分钟，我们应在此期间，我们所要完成的工作包括将2号配电柜原有的两只63A的微型断路器更换成80A 3P的塑壳断路器；柜内旧3*10mm2电缆线的拆除并采用YJV3*16mm2电缆进行更换；柜内断路器至UPS接线拆除并采用YJV4*16+1*10mm2线缆予以更换。
4.3 UPS后端供配电改造
首先进行2号配电柜的改造，本改造需断开10K UPS的输出，在第四级开关中增加4只C65N-C16A/1P四级断路器，并与先前已经敷设好的线缆进行连接，形成输出链路。然后进行双电源机柜配电改造，针对双电源设备集中的A1、A2、B1、C1、C2、C4和C5七个机架采用两路UPS电源直接供电，为双电源设备增配电源模块，在C1和C2机柜内分别加装两条16座立式电源盒（250V/16A）以替换原来安装的水平电源插座，在C4和C5机柜内分别加装一条16座立式电源盒（250V/16A）。将新增PDU接入2号配电柜供电线路，然后进行检测测试，测试无误后合上10K UPS输出开关，由10K UPS通过2号配电柜进行供电。
接着对1号配电柜进行改造，本改造需断开16K UPS的输出，将UPS输出端原有的3只32A断路器全部更换成40A的微型断路器，并将第四级开关全部更换成16A/1P的开关，并增加3只16A的微型断路器用于末端负载STS的维修备用开关，并对线缆敷设的线缆进行端接，将原来接入到10K UPS的呼叫中心第2、7和9排坐席改接到16K UPS上。最后对单电源设备采用STS进行供配电改造，在单电源设备集中的A3、A4、A5、和C3四个机架上各加装一台16A静态转换开关（交流220V机架式），分别从两台UPS的四级断路器接两个回路到STS，16K UPS作为A3、A4和A5机架的主用电源，10K UPS作为C3机架的主用电源，并采用0.6/1KV YJV3×2.5mm2电缆从备用UPS接出一个手动切换回路，作为STS检修或更换时的备用回路（STS正常运行时严禁闭合该回路断路器），安装完成后将16K UPS输出进行合闸操作，此时两台UPS共同对双电源设备以及STS进行供电。
值得注意的是，对单电源设备进行STS供配电改造是本项目唯一涉及到对设备断电的工作，因此，此部分工作需在晚上进行，并做好充分的准备，确保断电安全。
4.4 线路测试及试运行
线路检测测试伴随在每一个步骤之中，检测内容包括原有断路器以及新增断路器的通断性测试以及连接线缆的绝缘电阻测试，并做好相应记录，形成文档；同时复核双电源设备的自动切换功能，确保在动力照明柜与新增配电柜之间进行可靠的切换。由于接地已经建成运行，考虑到已有设备的运行安全，不再做接地电阻测试。检测完成无误后，进行合闸处理，进入带电空载试运行阶段。此时，对柜内各回路的通断情况，相序、电压情况进行简单检测，测试各设施电气特性以确保柜体正常。特别是对改造前后的相序进行确认，做好相应记录。空载试运行经过一个评估的安全时间后即可进入带载运行，同时可以完成相应的标志牌挂牌工作和清洁工作。
5 结论
重要负荷在线供配电改造始终是供配电建设领域一个难点，文中的案例经过详细的调研、合理的设计和精心组织的施工，没有给建设单位带来意外断电事故也没有发生生产安全事故，总体上得到了各方面的肯定。本文详细描述了此项目的各个工作过程，希望能给其他同类项目建设起到一定的借鉴作用。
参考文献
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作者单位
云南禹科实业有限公司 云南省昆明市 650000
