Croton & Catskill/Delaware Watersheds
2015年，当纽约市环境保护局（DEP）宣布将城市供水从Catskill/Delaware流域转换为Catskill/Delaware和Croton流域混合取水时，大多数纽约人只是耸耸肩，然后继续做咖啡、洗碗或仍然冲个很长的澡。
这就是大多数纽约人的生活，但纽约联合爱迪生公司（Con Edison）却无法苟同。在繁忙的一天，联合爱迪生公司的任务是在不到800平方英里（2072平方公里）的区域配送13 GW的电力。给纽约市的供电系统还包括供热和制冷负荷，曼哈顿南部三分之二中的很大一部分中依赖电力产生的蒸汽运转。联合爱迪生的蒸汽系统是北美最大的蒸汽系统，比接下来的九个城市系统总和还大。
事实证明，当纽约市环境保护局改变了城市的水源时，它改变了水的配方及化学成分。新供水系统中的水矿物质含量对于一般用途而言，几乎没有任何影响，但联合爱迪生这样的百万吨级沸水和蒸汽却无法适用。该公用事业公司必须设计针对其每个蒸汽设备所处位置，定制的电气和机械水处理解决方案，尤其是60街蒸汽厂，还存在很多许多问题。
蒸汽系统
纽约市的蒸汽系统包含超过105英里（169公里）的干线，可为曼哈顿的大约1800位客户提供服务，从第96街一直到岛南端的炮台公园。商业和住宅客户使用蒸汽进行取暖、热水、空调、商业洗衣，甚至医院中的消毒。通过联合爱迪生系统传输的蒸汽用于加热和冷却纽约一些最著名的建筑，例如联合国大楼、帝国大厦和大都会艺术博物馆，等等。
大多数公用事业单位以英亩为单位； 联合爱迪生用平方英寸来度量。
在冬季高峰时，蒸汽产量将近每小时一千万磅（450万公斤/小时）。每年大约有240亿磅（110亿公斤）的蒸汽通过该系统，为大约300万纽约人提供服务。
“你看过家庭茶壶的内部吗？” 联合爱迪生的电厂电气工程部工程经理Al Dazio问，“那里可能结满了水垢，而且您只不过是用来每天烧几杯水。如果我们的蒸汽设备在前端未正确处理这种新的水配方，去除矿物质，那么锅炉管将因结垢而堵塞，热效率将下降至零，维护周期将变短得难以忍受且昂贵，最终导致蒸汽厂将被迫关闭。”
为了防止这些情况发生，联合爱迪生迅速从GE Power and Water租用了水处理拖车。然后，公用事业公司在每个蒸汽设备旁边的街道上停了相当数量的这种拖车。这些临时的前端水处理措施为联合爱迪生提供了一定喘息之机，同时它针对每个位置设计了特定的、定制的电气和机械水处理解决方案。
“把船装进瓶子”——不可能的任务
蒸汽厂的挑战
当然，如果蒸汽设备相同，那就太好了，因此可以在所有位置使用通用解决方案。事实上，每个蒸汽厂都建造于不同年代，有着不同的规模，由不同的运营公司建造，这些运营公司多年来合并为联合爱迪生。尽管这些水处理设计和建造项目中的每一个都像众所周知谚语“把船装进瓶子”一样，充满了挑战，但位于第60街的蒸汽厂却是最难的。
第60街蒸汽厂位于第59街桥下方，紧邻桥墩。第60街蒸汽厂的整个西墙就是第59街大桥的石墩。粗糙的石墙使人感觉就像在矿山中行走，而不是人造结构。60街蒸汽厂内部几乎塞满了各种设备，冗余的房间为零，新的水处理设备所需的数百平方英尺根本无处添置。60街蒸汽厂的中压馈电和主变压器仅能满足工程设计的一部分电能，新的2250 加仑每分钟（8517 升每分钟）超滤反渗透处理系统需要更多的电力。
在纽约，当不可能内部扩建时，替代方案是向外扩展。工程师们决定将整个处理厂设在屋顶上，并夹在第59街桥下。新的水处理综合体将以预制方式建造。集装箱将由索具大师吊运到新近支撑的屋顶上，索具大师将重达两吨的“矮胖子”从平板拖车提起并滑入——在第59街桥的梁箱下——精确地放到预制的垫子上，误差小于一个硬币的直径。
如果水处理发生故障，则工厂发生故障。 单元变电站具有100％镜像冗余。
变电站需要100％的冗余。如果水处理故障，蒸汽厂将关闭。这意味着需要通过两个一样的双绕组中压变压器供电，从而为水处理厂及其辅助设备提供多个480 VAC供电输入，它们全部封装在一个共用同一个通道环境受控的预制舱种。每组设备都需要完全冗余、保护、计量、控制和安全裕度，通常这些设计只是针对资产密集型的高压变电站。
户外型步入式开关设备房房仅需要分两部分进行预制，因此可以将其悬挂在屋顶上并快速配对安装。开关柜房必须塞入屋顶的西北角，位于电池室和外部护墙之间，其尺寸略小于18英尺（5.5 m）宽，同时要符合《国家电气规范》和纽约市的批准要求，并且符合屋顶的重量限制。
在内部，安装了馈线开关和主变压器，这是决定为新的水处理过程可以提供多少电力的关键因素。工程技术需要跨学科的团队共同努力，通过反复调整尺寸、重量和功耗约束，以及成本，以确保最终结果，建造一个坚固而可靠的蒸汽站，不会降低蒸汽输出能力。
联合爱迪生工厂工程部电气高级工程师（左至右）： Danielle Roberts，Alexander Herescu，Ryan Liao，经理 阿方索·达齐奥，Andrewomahe Zografos。
TPPU的好处
询价（RFQ）结束，选择了定制的开关设备供应商：National Breaker Services LLC。幸运的是，National Breaker Services之前曾与联合爱迪生合作过其他水处理厂，这些项目需要原型开发并缩小变压器主保护单元（TPPU）的新设计。联合爱迪生发现TPPU通过增加中压前端的保护，提升了可靠性和寿命。
过去，联合爱迪生直接用电缆连接到其用户变的中压侧，偶尔会增加一个主隔离开关。中压通常从工厂其他地方的抽出式断路器供电。这种断路器将为便电闸周围的几个降压变供电，并且需要提高保护设置以覆盖所有下游负载。
操作这种断路器将导致多个降压变瘫痪。这意味着保护动作或计划停电将带来多方面的停电抱怨。在每个变压器的前端放置一个完整的开关设备不仅会带来成本问题，而且更大的问题是，没有足够的空间安装开关设备部分，甚至没有更多的空间抽出断路器。
功率密度是一切。 TPPU使单元变压器的占地面积不到传统设计的一半， 同时具备完整的保护，SCADA功能，满足维护安全要求。
TPPU使联合爱迪生能够精确匹配并保护电力变压器的中压侧，而占用空间仅为具有类似额定值的历史设备的一小部分。另外，不需要与抽出式断路器及其随之产生的符合职业安全与健康管理局（OSHA）人员安全约束相关的额外操作空间。
TPPU现在已经是成熟方案，需要列出额定容量和所需功能的菜单。联合爱迪生可以根据特定应用的需要，使用5 kV至38 kV的TPPU，持续电流4000 A，冲击63 kA。
60街的TPPU每个都占地4平方英尺（1.5平方米）。它采用计量、监视、数据记录、录波器、完全冗余的过流50/51保护，加上变压器差动以及从信号干触点到DNP和IEC 61850的通讯。每个TPPU接入中压电源到变压器，该公用事业公司现在拥有一个为新的水处理设施提供100％冗余的低压电源。
在变压器的低压侧，每个480V馈线断路器都具备微机保护，同时对面的降压变还有一个完全冗余的镜像。此外，每个低压电源组都包括一个专用于室内电源的专用断路器。然后，这两个房屋的断路器一起进入自投开关方案，该方案为房屋及其辅助设备的照明和电源变压器供电。
关键条件
联合爱迪生必须在第60街蒸汽厂处理两个关键条件。
首先要考虑的是，没有什么是完美的。例如，在第59街桥下的屋顶上的一个变压器，装在一个金属屋中可能会发生故障。修复它可能会花费整个变电站项目的费用。通过与变压器制造商Olsun Electrics Corp.合作来解决此问题，以确保可将铁芯和线圈组件从其外壳拆卸下来并装入两个产品系列之间的小岛中。
屋顶安装的变电站内的变压器故障将无法提供具有成本效益的合理解决方案。 提前策划，工程设计了卷帘门，提供了足够的通道，可以更换变压器现场可拆卸的铁芯和线圈。
该小组还与National Breaker Services LLC合作，在开关柜变电站房屋的东南角设计并安装了卷帘门。这样可以确保子孙后代在出现问题时可以相对轻松地拆卸和重新安装任一变压器的有源部件。
第二个关注点是细微差别。在任何情况下，开关柜上的总负载均不得超过规定的最大值。
最简单的事情就是忽略这种可能性，但是，与National Breaker Services LLC仪表和控制专家合作，该团队利用了为每个低压断路器指定的Electro Industries的Shark电表。这些仪表提供了等比例缩放的模拟输出。
通过将两台变压器的模拟输出输入到一个简单的控制器设备，联合爱迪生可以将两台变压器所消耗的总电流相加，并设置可编程的告警阈值，发送给控制室。如果在编程的时间范围结束时最终未采取任何措施，则可以建立并实施自动减载功能。National Breaker Services LLC将该设备称为Herescu累加器。
现在，这座千载难逢的变电站安全地栖息在第59街桥下。凭借其独特的需求和定制化设计，该项目已成为专业亮点，并将在未来几年为许多纽约人带来重大影响和收益。
致谢
作者要感谢National Breaker Services的Bruce Hack对本文的贡献。
了解更多信息：
Electro Industries | www.electroind.com
National Breaker Services | www.nationalbreakerservices.com
Olsun | www.olsun.com
A Once-in-a-Lifetime Substation in New York
Con Edison installs transformer primary protection units to make room for a new water treatment plant and add 100% redundancy to a substation.
https://www.tdworld.com/substations/article/21118865/a-onceinalifetime-substation-in-new-york
Danielle Roberts
DEC 19, 2019
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