Série Técnica, Edição 6

1. Base

Considerando as tremendas consequências de falhas em componentes de TIC (tecnologia de informação e comunicação) em um data center, a disponibilidade é um parâmetro extremamente crítico para projetistas elétricos e operadores. Quase todas as instalações de infraestrutura, como ar condicionado, detecção de fumaça, combate a incêndio, vigilância por vídeo e segurança, dependem de um fornecimento de energia confiável.

Segurança no fornecimento de energia de data centers

Os elementos centrais de uma fonte de alimentação confiável são os sistemas de gerador e UPS. No entanto, eles só podem cumprir suas tarefas se toda a cadeia de distribuição mantiver um nível de qualidade adequado e for adaptada às necessidades. Outro aspecto importante da disponibilidade do data center é um conceito de redundância e a prevenção do chamado "ponto único de falha" (SPOF). A distribuição de energia também deve ser analisada de maneira holística.

A Piller e a Siemens enfrentaram essa tarefa e desenvolveram em conjunto um conceito de proteção para fornecimento de energia confiável que pode ser adaptado a diferentes projetos de data center.

Sistema UPS para um data center de alta disponibilidade

O ponto de partida é a instalação do UPS rotativo da Piller. Devido à sua alta capacidade inerente de eliminação de falhas, ele permite aproveitar as vantagens do uso de UPS redundante no sistema paralelo isolado (sistema IP). Este conceito de redundância, originalmente desenvolvido pela Piller em conjunto com a CCG Facilities Integration Inc, fornece balanceamento de carga entre as instalações do UPS e minimiza o número de componentes eletrônicos propensos a falhas. Ele é descrito com mais detalhes em um White Paper da Piller (Nº 051: Configuração de UPS Paralela Isolada). A Figura 1 mostra o projeto principal de um sistema IP. Este conceito pode ser usado em instalações de baixa tensão e média tensão.

Figura 1: Conceito de sistema IP

Descrição da Figura 1: Um diagrama ilustrando o conceito de um sistema IP. Mostra a "Distribuição principal de baixa tensão" alimentando um "Sistema IP UPS". Este sistema consiste em três unidades UPS conectadas a um "Barramento IP", que por sua vez se conecta à "Distribuição principal da UPS".

2. Distribuição de energia elétrica para um data center de alta disponibilidade

Com base nos componentes e sistemas de distribuição de energia da Siemens em combinação com o UPS rotativo Piller, é possível criar uma solução holística para o fornecimento seguro de energia ao data center que é construído no sistema IP (ver Figura 2).

Figura 2: Visão esquemática dos principais componentes do fornecimento de energia elétrica em data centers sem sistema UPS paralelo

Descrição da Figura 2: Um diagrama esquemático mostrando os componentes do fornecimento de energia elétrica em data centers sem sistema UPS paralelo. Da esquerda para a direita: "8DJH Distribuição principal de média tensão", "GEAFOL Transformar", "SIVACON S8 Quadro de distribuição principal de baixa tensão", "UNIBLOCK UBT+ com geradores a diesel" e "SIVACON S8 Quadro de distribuição principal do UPS".

Para evitar falhas, é indispensável usar componentes de alta qualidade. Isso inclui sistemas de média e baixa tensão testados com peças de conexão adequadamente testadas e barramentos isolados. Com relação aos componentes mostrados na Figura 2, a Piller e a Siemens podem oferecer os seguintes produtos, por exemplo:

• Painel de distribuição de média tensão isolado a gás 8DJH
• Dispositivos de proteção numérica SIPROTEC
• Quadros de distribuição de baixa tensão SIVACON S8
• Sistemas UPS rotativos do tipo UBT+ com gerador a diesel (ou UPS a diesel UBTD+)
• Buffer cinético com volante Powerbridge
• Sistema UPS paralelo com barramento IP
• Sistemas de calhas de barramento SIVACON 8PS
• Disjuntores 3WL e 3VL

3. Resposta de curto-circuito da tensão de alimentação de carga

A criação de um sistema IP com reagentes adequadamente configurados pode reduzir os efeitos de um curto-circuito em todas as outras cargas conectadas. No caso de um curto-circuito a jusante do sistema IP, seus efeitos no sistema geral serão relativamente pequenos, uma vez que sempre há dois reatores entre o curto-circuito e as outras cargas ou instalações do UPS, que são classificados de forma a limitar os efeitos do curto-circuito a um nível tolerável. Além disso, graças à proteção seletiva do sistema de distribuição principal do UPS e seus circuitos de subdistribuição a jusante do sistema IP, o curto-circuito será isolado em milissegundos.

Figura 3: UPS rotativo a diesel Piller UNIBLOCK UBTD+

Descrição da Figura 3: Uma imagem da unidade UPS rotativa a diesel Piller UNIBLOCK UBTD+.

Figura 4: Prevenção de curto-circuito por barramentos totalmente isolados

Descrição da Figura 4: Um diagrama ilustrando a prevenção de curtos-circuitos usando barramentos totalmente isolados. Mostra três linhas (L1, L2, L3) conectadas a barramentos isolados, indicando um design para maior segurança e isolamento.

Disposições especiais terão que ser tomadas se um curto-circuito precisar ser gerenciado no sistema IP. Nesse caso, um curto-circuito no barramento IP é o evento mais crítico, uma vez que todas as instalações do UPS e todas as cargas conectadas são conectadas por meio desse barramento. Uma situação ideal seria se um curto-circuito no barramento IP pudesse ser descartado. Para isso, barramentos totalmente isolados são usados para o barramento IP (consulte a Figura 4).

Como complemento a este tipo de proteção passiva no sistema IP, será elaborada uma solução adequada para proteção seletiva. A combinação de ambos é única no campo da UPS. Normalmente, encontramos apenas uma proteção simples que não está sincronizada com a proteção seletiva das cargas conectadas. Um curto-circuito em um sistema UPS comum geralmente resulta no derramamento de todas as cargas conectadas.

O sistema de proteção seletiva deve limitar ativamente os efeitos de um curto-circuito (que é efetivamente excluído) em caso de falha. O ponto de partida é uma classificação adequada dos reagentes IP, de modo que, mesmo em caso de curto-circuito no barramento IP, a queda de tensão inicial seja limitada a 30%.

De acordo com a curva ITI (CBEMA) (consulte Information Technology Industry Council: ITI [CBEMA] Curve Application Note 2005), tal queda de tensão para unidades sensíveis de fornecimento de energia de computador é permitida por um período de 500 ms. Graças ao sistema de proteção seletiva, os efeitos de curto-circuito em todas as cargas conectadas são limitados a um período inferior a 50 a 70 milissegundos.

Para atingir esse objetivo, a classificação do reator, o sistema de proteção, os circuitos de controle e os dispositivos de comutação devem ser selecionados de forma otimizada e uma parametrização do dispositivo específica do projeto deve ser feita com base em cálculos de curto-circuito. A Figura 5 mostra um log de teste típico para essa operação de isolamento.

Figura 5: Curva de tensão ao isolar um curto-circuito no barramento IP

Descrição da Figura 5: Um gráfico de log de teste mostrando a curva de tensão durante o isolamento de um curto-circuito no barramento IP. O gráfico exibe flutuações de tensão ao longo do tempo, indicando uma resposta rápida e isolamento em "< 50 ms". O eixo do tempo varia de 00:02.737 a 00:02.937, com uma divisão de 20ms.

Conclusão

Os dispositivos de segurança descritos acima para proteção ativa e passiva, de acordo com os princípios de redundância e diversidade, tornam o sistema IP UPS a solução para proteção total da fonte de alimentação para componentes críticos do sistema de infraestrutura no data center.

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