Bases para realizar diseños eléctricos de centros de datos

Los sistemas de distribución eléctrica están diseñados para manejar la energía de una manera segura y fiable. Mientras que muchos sistemas de distribución de energía pueden, en la superficie, parecer muy similares, existen atributos específicos que los distinguen unos de otros.

Para los profesionales de TI (Tecnologías de la información), la terminología puede ser muy confusa (Alta tensión, media tensión, baja tensión; aparamenta, cuadros, paneles, tableros, celdas unidades de distribución de energía, UPS etc).

Este documento define estos términos claves, y proporciona una descripción general de las funciones, la colocación, y normas para equipos de distribución eléctrica en los centros de datos. sin embargo la selección detallada del equipo y el diseño no está cubierto en este articulo.

Podemos comenzar describiendo una distribución típica eléctrica de un data center, para ello en la Figura 1 se proporciona un diagrama de bloques de un sistema de distribución eléctrica que muestra el nombre y la ubicación típica de los equipos de distribución eléctrica en un centro de datos y la trayectoria de flujo de potencia.

Este diagrama es solamente un ejemplo de una arquitectura eléctrica y los intentos de incluir todos los posibles tipos principales de equipos utilizados y su ubicación típica en un centro de datos. En el mundo real, un diseño eléctrico del centro de datos típico tiene mucha más complejidad y diversidad que la de Figura 1. Algunas de las variantes comunes se resumen en el “Resumen de los equipos eléctricos” . Tenga en cuenta que los diseños eléctricos se expresan típicamente como diagramas de una sola línea (unifilar).

distribucion electrica para un datacenter o centro de datos unifilar
Figura 1

Por lo general el operador de red suministra un servicio eléctrico de media tensión (MT) a un centro de datos dedicado. A continuación, se pasa de media tensión a baja tensión (BT) por medio de un transformador MT / BT que puede estar cerca del centro de datos.

La potencia en BT (Baja tensión)se distribuye a las diferentes cargas eléctricas, tales como dispositivos dentro de los bastidores (Rack), sistema de refrigeración, iluminación, etc por medio de los tableros de distribución eléctrica que se muestran en los bloques en Figura 1.

A algunos centros de datos pequeños se le suministra potencia desde transformadores tipo pedestal en baja tensión, mientras que los grandes centros de datos con necesidades de varios megavatios puede requerir un nivel de tensión operativa e alta tensión AT (Alta tensión).

El tipo y la ubicación de la subestación AT / MT pueden ser contratados por el propietario del centro de datos y el operador de red. El acceso a los equipos de alta tensión que incluye aparamenta de AT y transformadores AT / MT está reservado para el personal de servicios públicos y no se discute más adelante en este documento.

Las normas para el voltaje suelen tener dos valores estándares tales como el estándar IEC 400 / 230V – 1 o el norteamericano tensión de 415 / 240V para centros de datos verdes de alta eficiencia – 2. Sin embargo, los profesionales de TI todavía tienen dificultades para entender lo que esto significa. ¿Cuál es la relación entre estos dos valores? ¿Cuál es la diferencia entre el voltaje estándar IEC y el de América del Norte? ¿Por qué la tensión de entrada que se muestra en nuestros servidores es de 100-240Vac? Para entender mejor los centros de datos y el voltajes de distribución eléctrica, es útil aprender sobre el propio tipo de distribución eléctrica.

Sistema trifásico vs sistema monofásico

La distribución eléctrica en los centros de datos es típicamente en corriente alterna (AC) sistema trifásico. El término “sistema de tres fases AC” significa que la tensión trifásica de AC es proporcionada por cada una de las tres bobinas separadas de un transformador. El término “sistema de fase única o monofasico” significa que la tensión de una sola fase es proporcionada por una sola bobina del transformador.

Los transformadores que se encuentran en centros de datos son típicamente de tres fases (tres bobinas separadas) y la voltaje de entrada comúnmente es más alto (también conocida como tensión primaria) y la tensión de salida comúnmente es inferior (también conocida como tensión secundaria).

Los términos “3-hilos” y “4-hilos” se utilizan a menudo para describir el diseño del sistema eléctrico. El término de 3 hilos significa que hay tres conductores “calientes”, la línea 1, 2, y 3 se muestran en Figura 2.

Mientras que el término de 4 hilos significa que, además de tres conductores “calientes” hay un cuarto conductor “neutral”. El neutro se requiere para suministrar una tensión línea-a-neutro. La mayoría de cargas en los TI son como se muestra en Figura 2.

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Además de los cables descritos anteriormente, hay un último tipo de cable que es obligatoria en todos los centros de datos llamado el cable de “tierra” o “tierra de protección” (PE). El propósito del cable de tierra es proporcionar seguridad a las personas contra la electrocución así como la protección de equipos eléctricos. Esto se logra mediante la conexión de un cable de tierra a todas las partes metálicas expuestas de todos los equipos (incluyendo equipos TI) en el centro de datos. En el caso de una falla de fase a tierra, el cable de tierra actúa como un camino de baja impedancia «resistencia» para que la corriente fluya y se abra el disyuntor o fusible.

En resumen, hay dos tipos de sistemas trifásicos: 3 hilos más tierra y 4 hilos más tierra. En algunas regiones, el sistema de 4 hilos más tierra se conoce como un sistema eléctrico de 5 hilos.

Figura 2.

Figura 2 ilustra las diferentes formas en que las cargas del centro de datos se puede conectar al sistema eléctrico. cargas monofásicas, tales como un servidor de TI, están conectados a un conductor “caliente” y al “neutro” conductor (CargaM).

Algunas cargas monofásicas como equipos a 208V de TI en América del Norte, están conectados a dos conductores “calientes” (carga N).

Cargas trifásicos, tales como un panel de alimentación (Tablero eléctrico) a conectado a tres fases, están conectados a tres conductores “calientes” (carga P).

Finalmente, cargas trifásicas, tales como refrigeradores y bombas, están conectados a tres conductores “calientes” (carga Q). En todos estos ejemplos, las cargas están conectadas al cable de “tierra” para la seguridad.

Algunas cargas monofásicas como equipos a 208V de TI en América del Norte, están conectados a dos conductores “calientes” (carga N). cargas trifásicos, tales como un panel de alimentación a distancia de tres fases, están conectados a tres conductores “calientes” (carga P). Finalmente, cargas trifásicas, tales como refrigeradores y bombas, están conectados a tres conductores “calientes” (carga Q). En todos estos ejemplos, las cargas están todos conectados al cable de “tierra” para la seguridad.

Tensión de alimentación eléctrica nominal

La tensión de alimentación es el voltaje que se aplica a los terminales del equipo eléctrico. Mientras que esta tensión se puede medir, la especificación de la tensión de alimentación eléctrica no se puede adaptar porque está definido por las normas nacionales y comerciales depende de donde se encuentra el centro de datos. La tabla 1 a continuacion muestra la lista de la tensión nominal de una red común (o tensión nominal) para América del Norte, América del Sur, Europa, China y Japón. La tensión de alimentación real medido en el centro de datos puede ser ligeramente superior o inferior a la tensión nominal debido a la tolerancia permitida del sistema (es decir, +/- 10%).

Tabla 1.

Hay varias especificaciones actuales para diseñar los equipos eléctricos en los centros de datos. Para simplificar, sólo unas pocas notas clave se discuten en este documento.

Corriente nominal:

Cada dispositivo tiene un límite de corriente de estado estable con la cual puede trabajar con seguridad, también conocido como su Corriente nominal. La corriente nominal del equipo eléctrico significa que el equipo puede soportar continuamente la corriente sin exceder su límite de temperatura (es decir, aumento de la temperatura) a una cierta condición. Exceder el límite de temperatura en el equipo eléctrico puede conducir a fallo del equipo o incluso un incendio.

La serie IEC60059 estándar R10 especifica capacidades de corriente estándar de equipos eléctricos y dispositivos como 1, 1,25, 1,6, 2, 2,5, 3,15, 4, 5, 6.3, 8, así como sus múltiplos de 10 n ( n es un número entero positivo). Mientras que en América del Norte, el ANSI (Instituto Nacional Americano estándar) estándar o IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) certifica estándar el amperaje como 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70 , 80, 90, 100, 110, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 1.000, 1.200, 1.600, 2.000, 2.500, 3.000, 4.000, 5000 y 6000 amperios.

Clasificación de sobrcorriente:

Todos los componentes eléctricos en el centro de datos deben estar protegidos contra las condiciones de sobre corriente, tales como sobrecargas y cortocircuitos. La clave es que todos los componentes de un circuito debe ser protegido de los efectos de la máxima corriente de falla disponible que pueden encontrar.

Algunas clasificaciones de sobreintensidad de corriente sólo se aplican a los dispositivos de protección de sobrecorriente (TPOC) (es decir, interruptores de circuito y fusibles) que son responsables de la apertura de un circuito sobre la sobreintensidad de corriente. Mientras que otras clasificaciones se aplican tanto a los dispositivos de protección y conjuntos (es decir, cuadros de distribución, tableros, barras colectoras, alambres, tableros, etc.), que debe ser capaz de soportar períodos cortos de condiciones mayores antes de que se active el OCPD (Protección eléctrica).

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Hay muchas cargas diferentes en el centro de datos, tales como equipos TI, acondicionadores de aire, ventiladores, bombas, iluminación, etc. El flujo y la transformación de la energía del operador de la red o generador a la carga está habilitado para diversos tipos de equipos. Los términos aguas arriba y aguas abajo se utilizan comúnmente para describir la localización de equipos o de un fallo (es decir, el transformador esta aguas arriba de la UPS). Cuando se indica el término aguas arriba se debe ubicar en dirección a el operador de red y el término que indica aguas abajo es en la dirección hacia las cargas del centro de datos. Trazando el flujo de energía a lo largo de su trayectoria (a partir del operador de red a las cargas de TI) en Figura 1 ilustra los siguientes tipos de equipos:

• Aparamenta o equipos de media tensión que incluye transformador MT / BT

• Aparamenta / central / interruptor de transferencia automática de bajo voltaje (ATS)

• Sistema UPS con entrada de cuadro (Tablero) de distribución / salida y cuadro de distribución UPS

• Unidades de distribución de energía (PDU) y paneles de energía remota (RPP)

• Electroducto

• Rack PDU (rPDUs) / regletas de tomas

Todo el equipo en la lista anterior, a excepción de las PDU de cremallera (rPDUs), se considera que son conjuntos que contienen disyuntores, interruptores, diversos tipos de relés, barras y conexiones, de control y los dispositivos auxiliares. Cada dispositivo está optimizado para una larga vida y facilidad de mantenimiento. Las siguientes subsecciones se introducen a cada tipo de equipo.

Equipos de media tensión que incluye transformador MT / BT

Los equipos de media tensión generalmente se encuentra en el espacio eléctrico de los centros de datos de gran capacidad (es decir, carga de TI mayor que 1 MW). Este equipo está típicamente alimentado directamente desde el operador de red y por lo general marca la entrada en servicio de utilidad para el edificio. Si un generador MT (Media tensión) está presente, también se alimenta el dispositivo de distribución de media tensión. Figura 3a muestra un ejemplo de equipos de MT . Aparte de simplemente la distribución de energía, el dispositivo de distribución MT es responsable de desconectar fallos y controlar el sistema de distribución de energía MT, por ejemplo, al aislar una sección redundante para el mantenimiento.

La Media Tensión típicamente incluye medidores, interruptores, contactores, fusibles, descargadores de sobretensiones, interruptores de puesta a tierra de equipos IEC, transformadores de corriente, relés de control y protección, y un sistema de control global.

Básicamente celdas de media tensión es el conjunto de los siguientes cuatro cubículos como se muestra en Figura 3b: unidad de entrada o sección principal, unidad de salida o de la sección de alimentación, unidad de medida de tensión, y una sección de barras / disyuntor. La unidad de salida distribuye la potencia de tres fases para el lado primario (aguas arriba) del transformador MT / BT. Debido a las distancias de seguridad en MT, por lo general cada cubículo se limita a un solo interruptor de circuito de media tensión.

Figura 3a y 3b (Respectivamente)

Los siguientes son algunos de los parámetros eléctricos típicos de Media Tensión. Los valores de estos parámetros variarán de acuerdo con la normativa local:

• Las tensiones nominales – dos datos principales de tensión para equipos de Media Tensión son: tensión nominal y la tensión de impulso tipo rayo nominal (equivalente al nivel impulso básico ANSI es decir BIL). Por ejemplo, una solución de conmutación ANSI MV puede tener una tensión nominal de 15 kV y 95kV BIL (es decir impulso de tensión).

• Nivel nominales de corriente – La corriente nominal de Media Tensión siempre es especificado por el fabricante. Otra valoración actual clave es el cortocircuito admisible que en el Código Nacional de Electricidad de América del Norte (NEC) es el cortocircuito nominal de corriente (SCCR). Por ejemplo, una solución de conmutación ANSI MV puede tener una corriente nominal de 1200 A y 40 kA SCCR.

Transformadores:

Transformadores de tipo seco, con y sin un recinto se muestra en Figura 4, están instalados en el espacio eléctrico aguas abajo de media tensión de la aparamenta de MT y despues mas abajo esta la baja tensión para el equipo de distribución de energía aguas abajo. Los parámetros eléctricos clave de MT / BT transformadores incluyen: potencia nominal (es decir, 2500 kVA), el voltaje primario y secundario (es decir, 10 kV / 400 V), y la impedancia (similar a la resistencia) que se indica como% Z (es decir, 5%).

Figura 4

Equipos/aparamenta / interruptor de transferencia automática de bajo voltaje (ATS)

Típicamente los conmutadores / cuadro de distribución se encuentra en la sala eléctrica y marca la entrada de servicio para centros de datos de menos de 1 MW. Un ejemplo de equipos de BT se muestra en la La Figura 5a. Si un generador BT se utiliza, el generador podría alimentar a la aparamenta de baja tensión. Además de la distribución de energía, la aparamenta de baja tensión es responsable de desconectar fallos y controlar el sistema de distribución de energía BT. Un dispositivo conocido como un conmutador de transferencia automático (ATS) se ha utilizado tradicionalmente para cambiar entre el operador de red y el generador. Sin embargo, la tendencia actual es tener interruptores de baja tensión que realizan esta función en lugar del dispositivo de ATS. Tenga en cuenta que en el caso de un generador de media tensión, esta función de transferencia se produce en el nivel de conmutación de media tensión.

Figura 5a y 5b

Los conmutadores / cuadro de distribución en BT instalado en un centro de datos es típicamente una combinación de algunas de las siguientes unidades funcionales: alimentador entrante del lado secundario del transformador MT / BT o generadores de BT, centro de control de potencia (PCC, es decir, para UPS de aguas abajo), motor centro de control (MCC, es decir, para las bombas), el factor de potencia de corrección / filtrado de armónicos y las conexiones de bus. Los siguientes dispositivos siempre se ensamblan en equipos de conmutación BT: juego de barras horizontal, la barra colectora vertical, interruptores de circuito, metros, interruptores, descargadores de sobretensión, relés, etc.

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Los siguientes son los parámetros eléctricos clave de la aparamenta o equipos de baja tensión. Los valores de estos parámetros varían de acuerdo con la normativa local:

• Las tensiones nominales: dos clasificaciones principales de tensión para equipos de baja tensión son clasificación de tensión y tensión de impulso tipo rayo. ANSI no especifica la tensión de impulso para los equipos de BT. Por ejemplo, una solución de subestacion IEC BT puede tener una tensión nominal de 690 V y 12 kV de Resistencia al impulso de tensión.

• Parametros nominales de corriente: La corriente nominal de los equipos de BT siempre es especificado por el fabricante. Otra valoración actual clave es el cortocircuito nominal admisible similar al del Código Nacional de Electricidad de América del Norte (NEC) de cortocircuito nominal de corriente (SCCR). Por ejemplo, una solución de conmutación IEC puede tener una corriente nominal de 5000A y 85kA nominal de corto circuito de corriente admisible.

UPS

Los sistemas UPS normalmente se instalan en el espacio o el espacio de TI eléctrico del centro de datos para proporcionar energía ininterrumpida a los equipos críticos que soporta. La configuración de diseño de UPS elegido impacta directamente en la disponibilidad de los equipos informáticos críticos.

Hay varios tipos de UPS disponibles, dependiendo de la aplicación, que se discuten en el Libro Blanco 1 . Algunos ejemplos de los UPS se muestra en la Figure 6. Las baterías de las UPS proporcionan típicamente unos 15 minutos de soporte, a plena carga, lo que permite a los generadores de respaldo iniciar en caso de un fallo de red, estos dispositivos se instalan típicamente en el interior de los UPS: interruptores de entrada / salida, interruptores de derivación, interruptores estáticos, módulos de potencia incluyendo los rectificadores e inversores, sus módulos de control y de comunicación.

Figura 6

Dependiendo del tamaño del centro de datos y los requisitos de disponibilidad de sistema, configuraciones de UPS incluyen algunos de los siguientes equipos eléctricos: UPS, cuadro de distribución de entrada, cuadro de distribución de salida del SAI, cuadro de distribución UPS, y el interruptor de transferencia estática (STS) para la derivación. Dependiendo de los requerimientos de arquitectura de diseño y de negocio, los tres siguientes tipos de materiales BT pueden estar situados al lado de los UPS en la sala eléctrica.

  • El tablero de distribución de entrada alimenta la UPS desde el centro de control de potencia.
  • EL tablero de distribución de salida del SAI, no sólo proporciona la potencia de salida del SAI a los circuitos de aguas abajo, sino que también consta de los interruptores de circuito de derivación estática e interruptores de circuito de derivación de mantenimiento para permitir la alimentación de la red para borrar fallos o aislar la UPS para el mantenimiento.
  • En algunos casos, transformadores de aislamiento están instalados en la entrada o salida también. El papel de los transformadores de aislamiento en el Centro de Datos con sistemas UPS.
  • En las aplicaciones de centros de datos, las capacidades de potencia de las UPS van desde alrededor de 20 kW a 1,600kW. Paralelamente múltiples UPS pueden proporcionar una capacidad mayor y/o un módulo de redundancia. El cuadro de distribución de la UPS, distribuye electricidad a la diferente PDUs. Estos tres cuadros se pueden montar en uno o varios armarios dependiendo de la complejidad de la arquitectura del sistema y las cantidades de los disyuntores e interruptores.
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