高等教育向けの電気システムの設計

大学や大学のキャンパスは、学術研究の使命を果たすために、信頼性が高く、変更や保守が容易な電気システム ネットワークに依存しています。 原因を問わず、電力障害は科学的調査を危うくし、無効にする可能性があるだけでなく、教育機関の日常的な教室機能を混乱させて不便にする可能性もあります。

このようなシステムを設計するには、電気の専門家は、安全規定や規格に加えて、一連の多様な当面および長期の機能要件を比較検討し、キャンパス全体とその個別の優れた高性能の建物向けに信頼性と耐久性のある電気システムを設計する必要があります。 。 実際、インフラストラクチャ、信頼性、バックアップ システム、計測、変更可能性、保守可能性を徹底的に考慮すると、高等教育施設の複雑な設計要件がコードの最小ガイドラインをどの程度超えているかがわかります。

インフラストラクチャと信頼性

高等教育キャンパスに電力を供給する電気ネットワーク インフラストラクチャは、その個々のコンポーネントに信頼性が高く安全な電力を供給する必要があります。 そのためには、停電時に安全かつ迅速に電力を復旧できるような方法で、電力供給サービスを分散する必要があります。 公共サービスをリクエストする場合、施設の所有者はさまざまな要素を考慮して、キャンパスに導入するのに最適な電気サービスを選択する必要があります。 解決策は地理的に異なります。 大都市の中心部にあるキャンパスでは、利用可能なユーティリティ ネットワークを利用して建物に直接電力を供給できますが、より離れたキャンパスでは、電力インフラを管理し、内部で独自のサービスを配布する必要がある場合があります。 後者の場合、適切なユーティリティ サービスを選択し、それらを最も効果的に配布する方法を決定することが課題となります。

IEEE によれば、480 V の使用点での故障率と年間強制ダウンタイムの両方に最も大きく寄与している電力事業サービスの信頼性を分析するには、エンジニアは IEEE 標準 493-2007 を参照する必要があります。 : 信頼性の高い産業用および商用電源システムの設計のための推奨プラクティス。 この規格は、単一および二重ユーティリティの電源の信頼性を判断したり、さまざまなキャンパス配信技術を比較したりする際に役立つことが証明される貴重な例を提供します。 与えられた例は、一次選択構成に配置された二重ユーティリティ電源によって信頼性が向上すると結論付けています。

IEEE 493-2007 では、単純なラジアル システム (ソースが 1 つ)、手動スローオーバー (9 分のスイッチオーバー) を備えたプライマリ選択システム、および自動セレクティブ スローオーバー (5 秒のスイッチオーバー) を備えたプライマリ選択システムの信頼性を比較しています (表 1 を参照) ）。 プライマリ スイッチに自動転送装置を設置すると、年間の障害数が 6 分の 1 に減少します。IEEE 493-2007 のセクション 3.3.5.3 には、「1 台のスイッチの障害を感知できる自動転送装置の使用」と記載されています。 13.8 kV 商用電源を使用し、5 秒以内に 2 番目の電源に切り替えると、480 V の使用点での故障率が 6 対 1 改善されます。」

これらのデータに基づいて、大学キャンパスは 2 つの電力供給源を要求し、480 V の建物の使用点での信頼性を高めるために、自動スローオーバー装置を備えた一次選択システムを確立する必要があります (図 2 を参照)。

二次配電システムの変圧器は非常に信頼性の高いコンポーネント（故障率 λ が 0.0062 と低い）ですが、電力会社に次いで停止時間が 2 番目に長い（132 時間で、年間の強制停止時間 λr が長くなります）。 これは、変圧器は非常に信頼性が高いものの、システム全体の高い可用性が必要な場合には、変圧器を交換するために経験した長時間の停止に対処する手段を考慮する必要があることを意味します。 両端変電所を使用した二次選択システムにより、変圧器の故障やメンテナンスに対する追加の保護が可能になります (図 3 を参照)。

ただし、キャンパス内のすべての建物で、両端変電所の概念に関連するこの追加レベルの信頼性やコストが必要になるわけではありません。 その後、キャンパス内のどの建物が運用性において「重要」と分類されるかをプログラム的に決定することになり、コンピュータ化されたデータセンターや研究棟などの追加の冗長コンポーネントに関連するコストを使用して、その利点を比較検討できます。

最近完成したウィスコンシン大学のウィスコンシン発見研究所の建物に実装された両端変電所の概念に代わるものは、予備変圧器システムです (図 4 を参照)。 変圧器の信頼性が高く、故障がめったにないことが確立されているため、ダブルエンド変電所によって短縮される停止時間は、予備の変圧器を設置することによって再現できます。予備の変圧器は、基本的に最初は主回路ブレーカーといくつかの連動型回路ブレーカーと相互接続されています。 真のダブルエンド冗長システムとは、変圧器のサイズが定格の 50% であることを意味します。 この予備方式の利点は、各変圧器が独自の負荷 (シングルエンド) のみを伝送し、変圧器の kVA 定格が建物の負荷と効果的に一致し、転送イベントのファン定格に依存する必要がないことです。 この予備システムには、両端変電所と比較して設置面積が削減されるという利点もあります。

中西部の大学では、主幹線と二次予備線で構成される一次選択システムがキャンパス全体の建物に分散され、ループ システムが構築されています (図 5 を参照)。 セクション化スイッチは、キャ​​ンパス内の 1 か所で開いているメインの外側ループを作成するために使用され、ユーティリティ サービスが 2 方向から来ることを可能にします。 区分化スイッチは、このレベルでフィーダの障害を分離するために使用されます。 これらのスイッチは、2 番目の内部ループを作成するために使用されます。このループは、一体型の油浸式区分化ループ スイッチと引き出し電流制限ヒューズを備えたパッド取り付け変圧器を介して、地理的にキャンパスのセクションを相互接続します。 このシステムにより、ループ システムの任意のセクションを分離することができ、また、他の建物に影響を与えることなく、ループからローカル変圧器を削除することもできます。 図 5 は、各建物の放射状二次システム (シングルエンド) を示していますが、キャンパス内の「重要な」施設にダブルエンド機器を導入することで信頼性を高めることができます。 このシステムは非常に一般的であり、大規模な大学キャンパスには十分です。

バックアップシステム

大学の建物にバックアップ電源システムを提供する理由は、緊急システムおよび待機システムのさまざまなコード要件と、オプションのユーザー指定の機密機器のプログラム要件から生じます。 発電機システム、蓄電池システム、UPS システムは、大学がこれらの特別な電力要件を満たすための一般的な選択肢です。 発電機システムの必要性は、非常用負荷、待機負荷、およびオプションの待機負荷の合計割り当て容量によって生じる場合があります。 建物のタイプに応じて、通常、緊急負荷は小さい負荷であり、待機負荷がより大きなバランスを構成し、発電機の選択に影響を与える可能性があります。 また、スタンバイ負荷にはモーター負荷の大部分が含まれており、蓄電池システムよりも発電機システムの方が適切に処理されます。 発電機が選択されると、その容量の選択は、他のオプションのスタンバイ負荷に対応する必要があるかどうかを決定するという点で物議を醸すトピックになります。 発電機は主に、高層ビルやデータセンターなどのハイテク要件を備えた建物など、待機負荷とオプション負荷が加算される大規模な建物に適しています。 緊急要件が最小限の小規模な建物では、バックアップ電源としてバッテリー システム (集中型またはユニット型) を利用できます。

UPS システムはデータセンターや情報技術 (IT) 機器で頻繁に使用されており、大学はどの UPS システム構成が設置に最適かを判断する必要がある場合があります。 たとえば、施設の一般的なフロアに配置されている分散テクノロジー機器の場合、個別のラックマウント型 UPS システムと各 IT クローゼットに分散された集中型 UPS システムのどちらかを選択できます。 ラップアラウンド メンテナンス バイパス コンポーネントを備えた集中型 UPS システムは、メンテナンスの呼び出しを減らし、大規模な施設ではコスト効率が高いことが証明される可能性があります。 また、一部の研究者は機密性の高い実験のために無停電電源を要求する場合がありますが、これも同様にポイントオブユース UPS または中央システムで処理できます。

もう 1 つの典型的なアプローチは、オプションのスタンバイ負荷を別個のシステムとして処理することです。これは、キャンパスのインフラストラクチャによっては、ほとんどの停止時間は短期間ですが、壊滅的なイベントとして計画する必要があるため、ほとんど必要とされません。 災害計画では、ポータブル発電システムの接続ポイントを作成することが賢明であることが判明し、機密性の高い研究サンプルを保管する冷蔵庫などのオプションのシステムにサービスを提供できる初期インフラストラクチャにのみ投資します。 これらのポータブル ユニットについては、大学は通常、発電機の供給業者とレンタル契約を結んでおり、たとえば嵐の接近を警告した場合には、安全対策としてポータブル ユニットを設置することができます。 また、このタイプのポータブル システムを大学の中心部の建物 (つまり学生会館) に提供することも一般的です。この建物は、災害対策用のキャンパス シェルターとなり、イベント中の通常の業務運営 (食事の準備、学生サービス) に電力を供給できます。 。 この最初の事前投資により、この場所に将来の常設発電機を設置するための準備も整えることができます。

測光

電気メーターのリクエストは、請求目的、LEED 要件、およびエネルギー研究やサブ請求のための各大学の学部からの追加のサブメーターリクエストのために、個々の建物でのエネルギー使用量を監視する必要性から生じて、大学のキャンパスで至る所で行われるようになってきています。 LEED 認証を取得する建物の場合、このプロセスでは、測定と検証の下で、エネルギーと大気のカテゴリ内の 3 つのクレジット ポイントが関連付けられます。 電気メーターは、建物の総エネルギー消費量を監視するだけでなく、照明負荷、機器、プラグ負荷などのさまざまなプロセス カテゴリのサブメーターを監視するために必要です。

LEED を追求していない場合でも、測定と検証の計画は、施設のエネルギー節約を管理する上で貴重なツールです。 これらのメーターは、施設のエネルギー使用を継続的に監視し、建物の耐用年数にわたるパフォーマンスを向上させるための情報を提供します。 さらに、これらはキャンパスの将来の成長を計画する上で重要なツールになります。 メーター戦略を導入している大学は、建物タイプごとに分析できる平均需要負荷データを持っています。 これらの実際のデータは、将来の設備のエネルギー使用量を予測し、将来の拡張計画を支援するために使用でき、機器のサイズを適切に設定するための貴重なツールとなります。 これらのデータから得られるベンチマーク値 (ワット/平方フィート) は、将来の建物の設計者に大いに役立ちます。

変化しやすさ

高等教育キャンパスの研究棟は、多くの個々の建物コンポーネントに比べて設計耐用年数が大幅に長いため、建物の耐用期間中に一連の物理的な改修工事が行われます。 ほとんどの配電設備の平均寿命は 35 ～ 40 年の範囲であり、建物が 50 年または 100 年存続するまでに数回の改修が必要になることを示しており、それに応じて設備の交換やアップグレードを容易にするように建物を設計する必要があります。 (図 6 を参照)。

施設の計画中にこの設計の基礎を組み込むことが最も重要です。 このような目標を達成するには、他の稼働機器への影響を最小限に抑えながら個々のコンポーネントを交換するための十分な手段を備えた電気スペースが作成される必要があります。 機器の取り外し経路を設計文書の一部として提供することで、この目的を達成できます。 たとえば、ユニット変電所に変圧器を取り外すのに十分なスペースを確保し、アクセス可能な外部ドアまでの明確な経路を介して輸送することは論理的だと思われます。 しかし、ユニット変電所が施設の最下層、つまり地上にある場合はどうなるでしょうか? エレベーターには、20,000 ポンドの重量がある 2,500 kVA の変圧器コアの重量を扱うのに十分な吊り上げ能力がありますか? このような懸念は、電気要素だけでなく、建物の耐用期間中に再構成が必要となるすべての動的システム (ケースワーク、研究室、HVAC、配管) の交換計画を決定する際に大きな役割を果たします。 他の業界間で機器の取り外しアクセスを共有することで多くの機会が生まれるため、このソリューションは他のシステムから独立することはできません。

変更可能性は、施設が慎重な事前投資によってプログラムの変更を処理できることも意味します。 大学はどのようにして、高出力を要求する研究者を、当初そのような高出力の研究を行う予定ではなかった建物に引き付けることができるでしょうか? 変更可能機能は直観的かつ透明である必要があります。つまり、施設の所有者はこれらの要素を認識している必要があります。 慎重な事前投資により、初期建設段階で機器を調達する代わりに、将来の機器の設置にスペースを割り当てることができます。 たとえば、将来的に大きな電力負荷が予想される場合、おそらく金銭的 (補助金) 資金を活用して、メインの電気サービス入口室に将来の変電所用の物理的な床面積を含めることができます。 予備の中電圧スイッチは、将来の改修中の施設のダウンタイムを削減する手段として、この将来の機器に使用するために最初に調達される可能性があります。

マディソンのウィスコンシン大学キャンパスにある 300,000 平方フィートのウィスコンシン発見研究所の学際的研究棟は、機能的に厳しいものでありながら、柔軟で持続可能な (100 年使用できる建物) という研究施設設計の新しい方向性として構想されました (図 7 を参照)。 。 Discovery で実装されたさまざまな変更可能機能の中には、将来のスペース変更に対応できるよう、配電盤に十分な予備の回路ブレーカーを最初に提供することが含まれていました。 電気回路の追加は、スペースを改造する際のサービス要求の最上位にランクされており、少なくとも年に一度のイベントです。 一般的な設計手法では、初期設計予算に 25% の予備ブレーカー、建設中に発生する可能性のある変更に 5%、将来の修正に 20% を含めます。 実施されたもう 1 つの事前投資は、分電盤からアクセス可能な最も近い天井スペースまで、切り取られた空の導管を設けることでした。 予備の電線管の数量は、設置されている予備のブレーカーの数に一致するのに必要な導線を処理できる容量を提供する必要があります。

特定の研究室や公開教室内でのその他の変更可能な機能には、天井に取り付けられた電気機器の使用が含まれていました。 天井に設置されたユーティリティを備えたオープンスペースのコンセプトは、スペース自体の将来の変更可能性を促進します。 適切な計画には、可動ケースワークと互換性のあるレセプタクル タイプの標準化と、このスペース レベルでの代替電圧 (つまり、120 V、208 V 単相または 3 相) の提供が含まれます。 もう 1 つの実行可能な代替案は、内蔵ドロップ コードを介して標準プラグイン ユニットで 120 V と 208 V、単相および三相電力を取り出すことができるプラグイン トラック バスウェイを提供することです。

保守性

IEEE の定義によると、保守性とは、「障害を修正したり、パフォーマンスやその他の属性を改善したり、変化した環境に適応したりするために、ソフトウェア システムまたはコンポーネントを変更する容易さ」です。 高等教育キャンパスを継続的かつ安全に運営するには、メンテナンスが不可欠です。 綿密に計画された電気システムは、進化する規格や規格と併せて既存の施設ガイドラインを考慮することにより、保守性に対する事前のアプローチを提供します。 電気作業のクリアランス (国家電気法第 110 条による) は、最小限のコード推奨事項であり、機器の交換手段を考慮していないことを考慮して、適切に設計および維持する必要があります。 コンポーネントと在庫のスペアパーツを標準化することで、業務のダウンタイムを大幅に削減できます。 たとえば、大学のキャンパス全体にわたる引出開閉装置の設計では、回路ブレーカーのフレーム サイズを標準化し、さまざまな施設間で交換できる予備品を在庫に保持することが一般的です。

設備へのアクセスは、施設を維持する上で依然として重要な要素です。 設計段階では、コンサルタントは、洗練されたプロジェクトの標準となっている BIM を使用してこのプロセスを促進できます。 BIM では、3D ソフトウェアで電気システムを視覚的に表現でき、機器のコード クリアランスやアクセス スペースをイラストの一部として含めることができます。 このツールは、システムの保守性を確保する手段を提供する上で非常に貴重であることがわかります。 たとえば、ケーブル トレイへのアクセスは、トレイ自体の物理的寸法だけでなく、少なくとも片側に 12 インチおよび 24 インチ以上の推奨される連続アクセス スペースを使用してモデル化できます。

建物の設備とサービス担当者がもたらす経験を忘れてはなりません。 サイトの標準、優先ベンダー (親しみやすさと標準化の提供)、安全プロトコル (優先アーク フラッシュ カテゴリと赤外線スキャン)、学んだ教訓、および運用要件は、これらの個人グループが最終的に実行する必要がある保守性目標の一部です。 初期資本投資と将来のメンテナンス費用の事前投資のバランスをとらなければならないため、これらの要件の管理は非常に困難な場合があります。

結論

今日の高等教育機関のクライアントに、賢明な初期コスト投資に基づいて、エネルギー監視と最適化されたメンテナンス性で管理され、100 年の建物をサポートできる信頼性の高い柔軟な電力インフラストラクチャを提供することは、電気システムを提供する設計専門家にとって固有の課題です。 クライアントの期待がどの程度満たされ、キャンパスのこれらすべての要素が実現されるかが、大学の将来の成功の基礎となります。

Cordero は、ウィスコンシン州マディソンにある Affiliated Engineers Inc. の上級電気エンジニアであり、複雑な高等教育、医療、研究施設を専門としています。 彼の最近の学校プロジェクトは、ウィスコンシン大学のウィスコンシン発見研究所 (2012 Lab of the Year) とシカゴ大学のエックハルト研究センターです。

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