Case Study Zasilanie gwarantowane Budowa i eksploatacja. Opracował: Zenon Ruta, Nordea IT Polska Sp. z o.o., 2014

Transkrypt

1 Case Study Zasilanie gwarantowane Budowa i eksploatacja Opracował: Zenon Ruta, Nordea IT Polska Sp. z o.o., 2014

2 Data Centre Services Team Zespół 6 osób Działania na rzecz Grupy Nordea (Nordea IT Sp. z. o.o.): Wsparcie dla Nordea Operation Center w Polsce Service Management i nadzór nad jakością usługi Primary Data Centre Service Management i nadzór nad jakością usługi Disaster Recovery Centre Wsparcie projektów (przedsięwzięć) realizowanych w powyższych obszarach odnośnie definicji wymagań, definicji standardów i zgodności projektów oraz ich wykonania z wymaganiami Nordea AB Działania na rzecz Nordea Bank Polska S.A: Wsparcie w zakresie realizacji umów serwisowych dotyczących urządzeń i infrastruktury IT we wszystkich placówkach w Polsce Obsługa zleceń serwisowych dotyczących infrastruktury technicznej serwerowni w placówkach na terenie Polski, a także bieżące utrzymanie (planowe przeglądy) Wsparcie projektów (przedsięwzięć) realizowanych w powyższych obszarach odnośnie definicji wymagań, definicji standardów i zgodności projektów oraz ich wykonania z wymaganiami Nordea Bank Polska S.A. 2

3 Konspekt prelekcji Wstęp Regulacje prawne i normy dotyczące instalacji elektrycznych Selektywność zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych Selektywność przeciążeniowa Selektywność zwarciowa Dystrybucja zasilania Rozdział zasilania do szaf - szynoprzewody Rozdział zasilania do urządzeń listwy zasilające Układy systemów zasilania Jednotorowe czy dwutorowe? Porównanie obciążeń systemów jedno- i dwutorowych w warunkach normalnej eksploatacji oraz awarii 3

4 Wstęp Instalacja elektryczna w Ośrodku Przetwarzania Danych (OPD), tak jak wszystkie inne instalacje elektryczne, podlega przepisom prawa i powinna przede wszystkim zapewniać: Bezpieczeństwo eksploatacji (ochrona przeciwporażeniowa, ochrona przeciwpożarowa) Ciągłość zasilania Odpowiednią jakość (brak zakłóceń) Dodatkowo, instalacja elektryczna w OPD powinna posiadać kilka innych cech, takich jak np.: Możliwość wykonywania przeglądów i serwisowania w czasie normalnej eksploatacji Odporność na pojedynczą awarię Możliwość modyfikowania i rozbudowywania instalacji bez wyłączania OPD Możliwość wczesnego wykrywania i usuwania usterek (jeszcze przed wystąpieniem awarii) Uzyskanie takich cech jest możliwe, ale wymaga to ich dokładnego zdefiniowania na etapie projektu koncepcyjnego i uwzględnienia ich w projektach technicznych. 4

5 Wstęp Nawet najlepiej wykonana instalacja elektryczna nie będzie prawidłowo działać, jeśli w trakcie eksploatacji nie będą stosowane podstawowe zasady: Prace muszą być realizowane zgodnie z opracowanymi wcześniej procedurami Najważniejsze elementy instalacji elektrycznej muszą być monitorowane Wszystkie prace muszą być planowane i dokumentowane Wszystkie elementy instalacji powinny podlegać regularnym przeglądom i wymianom zgodnie z zaleceniami producenta W OPD musi być zatrudniona odpowiednia liczba operatorów, uwzględniając prace 3 zmianową, urlopy i zwolnienia 5

6 Regulacje prawne 1. Ustawa: Prawo Budowlane Dz. U. z dnia 7 lipca 1994 roku z późniejszymi zmianami Właściciel lub zarządca obiektu budowlanego jest obowiązany do: Art. 62. pkt. 1. Wykonywania co najmniej raz na 5 lat, badania instalacji elektrycznej Art. 63. pkt. 1. Obowiązek przechowywania przez okres istnienia obiektu dokumentacji 2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. z późniejszymi zmianami w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie 180 zawierają podstawowe wymagania stawiane instalacji elektrycznej (między innymi): Ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym Ochronę przed przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi 183 zawiera podstawowe wymogi stosowania w instalacjach elektrycznych (między innymi): wyłączników nad-prądowych w obwodach odbiorczych zasadę selektywności (wybiórczości) zabezpieczeń urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej 3. Normy techniczne - od 2003 roku stosowanie większości norm jest dobrowolne, ale są wyjątki, zwłaszcza w przypadku norm dotyczących bezpieczeństwa ludzi oraz ochrony środowiska. 6

7 Selektywność Zabezpieczenia w instalacji elektrycznej dobrane są selektywnie wtedy, gdy po wystąpieniu awarii w jednym z jej obwodów (np. B) odłączony zostanie przez zabezpieczenie tylko uszkodzony obwód, umożliwiając użytkowanie pozostałych nieuszkodzonych obwodów. Awarię w instalacji elektrycznej może spowodować przeciążenie albo zwarcie. Selektywność można zapewnić poprzez odpowiedni dobór parametrów aparatów zabezpieczających: Dobór wartości prądów znamionowych pozwala zapewnić selektywność przeciążeniową, Dobór czasów opóźnień zadziałania pozwala zapewnić selektywność zwarciową. 7

8 Selektywność Wyłączniki nad-prądowe są przeznaczone do ochrony kabli, przewodów, i odbiorników przed przeciążeniem i zwarciem W zależności od posiadanej charakterystyki można je stosować do: B do ochrony kabli i przewodów w instalacjach domowych (obwody oświetleniowe, obwody gniazd wtykowych) C do ochrony kabli i przewodów szczególnie urządzeń o większych prądach rozruchowych (zespoły lamp, silniki, itp.) D do ochrony kabli i przewodów szczególnie do urządzeń o bardzo dużych prądach rozruchowych (transformatory spawalnicze, silniki o rozruchu ciężkim, itp.) Wyłącznik 1-biegunowy i jego symbol graficzny (tzw. S-ka ) Budowa wewnętrzna wyłącznika nad-prądowego modułowego typu S300 produkowanego przez firmę Legrand* Posiadają dwa różne wyzwalacze: Wyzwalacz termiczny zwłoczny dla ochrony przed przeciążeniem Wyzwalacz elektromagnetyczny dla ochrony przed zwarciem * Rysunek zaczerpnięty z poradnika Warunki techniczne wykonania i odbioru INSTALACJI ELEKTRYCZNYCH w praktyce, Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o. 8

9 Selektywność Charakterystyka wyzwalania Wymagania stawiane wyzwalaczom wyłączników nad-prądowych przez normę EN Prąd zadziałania dolna granica I 1 Wyzwalacz termiczny Prąd zadziałania górna granica I 2 Czas wyzwalania Wyzwalacz elektromagnetyczny Prąd niezadziałania I rm1 Prąd zadziałania I rm2 Czas wyzwalania B 1,13 x I N 1,45 x I N >1h <1h 3 x I N 5 x I N >0,1s <0,1s C 1,13 x I N 1,45 x I N >1h <1h 5 x I N 10 x I N >0,1s <0,1s D 1,13 x I N 1,45 x I N >1h <1h 10 x I N 50 x I N >0,1s <0,1s UWAGA: obecnie produkowane wyłączniki nad-prądowe z wyzwalaczami o charakterystyce D posiadają węższą charakterystykę, tzn. prąd I rm2 = 20 x I N Przykład wyliczenia prądów zadziałania wyzwalaczy elektromagnetycznych: B10 - wyłącznik o charakterystyce B i I N =10A I rm2 = I N x 5 = 50A C16 - wyłącznik o charakterystyce C i I N =16A I rm2 = I N x 10 = 160A D25 - wyłącznik o charakterystyce D i I N =25A I rm2 = I N x 20 = 500A 9

10 Selektywność Charakterystyka wyzwalania Wymagania stawiane wyzwalaczom wyłączników nad-prądowych przez normę EN Prąd zadziałania dolna granica I 1 Wyzwalacz termiczny Prąd zadziałania górna granica I 2 Czas wyzwalania Wyzwalacz elektromagnetyczny Prąd niezadziałania I rm1 Prąd zadziałania I rm2 Czas wyzwalania B 1,13 x I N 1,45 x I N >1h <1h 3 x I N 5 x I N >0,1s <0,1s C 1,13 x I N 1,45 x I N >1h <1h 5 x I N 10 x I N >0,1s <0,1s D 1,13 x I N 1,45 x I N >1h <1h 10 x I N 50 x I N >0,1s <0,1s UWAGA: obecnie produkowane wyłączniki nad-prądowe z wyzwalaczami o charakterystyce D posiadają węższą charakterystykę, tzn. prąd I rm2 = 20 x I N Przykład wyliczenia prądów zadziałania wyzwalaczy elektromagnetycznych: B10 - wyłącznik o charakterystyce B i I N =10A I rm2 = I N x 5 = 50A C16 - wyłącznik o charakterystyce C i I N =16A I rm2 = I N x 10 = 160A D25 - wyłącznik o charakterystyce D i I N =25A I rm2 = I N x 20 = 500A Jeśli prąd zwarcia w takiej instalacji będzie I zw > 500A to prawdopodobnie wyłączą się wszystkie wyłączniki nad-prądowe. 10

11 Selektywność 3VT1716-2DA36 - wyłączniki do ochrony instalacji z wyzwalaczem termicznym przeciążeniowym ustawionym na stałe i z wyzwalaczem zwarciowym ustawionym na stałe. Tego typu aparaty połączone szeregowo zachowają się w czasie zwarcia identycznie jak zwykłe wyłączniki nad-prądowe, tzw. S-ki 11

12 Selektywność 12

13 Selektywność 13

14 Selektywność 14

15 Selektywność 15

16 Dystrybucja zasilania Dystrybucja z jednym centralnym miejscem rozdziału zasilania. 16

17 Dystrybucja zasilania Dystrybucja z rozproszonym sposobem rozdziału zasilania. 17

18 Dystrybucja zasilania Przykład szynoprzewodu Canalis KS firmy Schneider Electric 18

19 Dystrybucja zasilania Listwa zasilająca pozioma 1U (producent: nieznany) Wady: Duża ilość gniazd na jednym obwodzie, co powoduje problem z doborem zabezpieczenia listwy Zajmuje przestrzeń w szafie do montażu urządzeń rack Problem z doborem zabezpieczenia Listwa zasilająca do montażu pionowego (rys. wg: MAXBERT s.c.) Zalety: Mała ilość gniazd (4 x C13) na jednym zabezpieczeniu Zabezpieczenia blisko gniazd zasilających Prosty dobór zabezpieczenia całej listwy pod kątem selektywności Nie zajmuje w szafie rack przestrzeni do montażu urządzeń 19

20 Dystrybucja zasilania Przykład przenośnego stanowiska testowego

21 Dystrybucja zasilania Przykład nieprawidłowego podłączenia ograniczników przepięć Jest to zdjęcie ostatniej rozdzielni zasilającej szynoprzewód, do którego podłączone są PDU w szafach rack. Normy i producenci zalecają, aby łączna długość przewodów przyłączeniowych ograniczników przepięć była mniejsza niż 0,5m. Na tym przykładzie wykonawca zafundował co najmniej 2m dodatkowe przewodów przyłączeniowych ograniczników przepięć. Według teorii, pod wpływem nawet niezbyt silnego zmiennego pola magnetycznego wywołanego np. bliskim uderzeniem pioruna, na 1 metrze prostego odcinaka przewodu może się pojawić napięcie około 1kV. Tak podłączone ograniczniki przepięć nie zapewnią odpowiedniej ochrony serwerów w szafach rack, bo na zasilaniu może się pokazać dodatkowe 2kV podwyższonego napięcia. 21

22 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania Pojedynczy UPS Obciążenie systemów UPS w OPD w normalnych warunkach charakteryzuje się w miarę stałym poziomem obciążenia, co teoretycznie umożliwia obciążanie takich systemów do ich wartości znamionowych. Praktycznie jednak występują trudności z eksploatacją systemów UPS z obciążeniem równym ich mocy znamionowej. Jednym z podstawowych powodów jest stosowanie w większości systemów IT zasilaczy 1-fazowych. Bazując na moim doświadczeniu, mogę powiedzieć, że Maksymalną wartość obciążenia 1 fazy w systemach 3-fazowych UPS-ów, jaką udało mi się przez dłuższy czas utrzymywać w normalnej eksploatacji, nie przekraczała 90%. Niemożliwe jest idealnie równe obciążenia UPS-a na wszystkich 3 fazach, a osiągnięcie zrównoważenia UPS-a 3- fazowego na poziomie 10% jest dobrym wynikiem. Oszacowanie maksymalnego obciążenia UPS-a 600kVA 1 faza = 200,0kVA * 0,90 = 180kVA 2 faza = 180,0kVA * 0,95 = 171kVA 3 faza = 180,0kVA * 0,90 = 162kVA Razem = 513kVA 513kVA / 600kVA = 85% 22

23 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania System redundantny UPS-ów N+1 Pamiętając założenia z poprzednich wyliczeń, powtórzymy wyliczenie poziomu obciążenia równolegle pracujących UPS-ów. System składa się z 3 równolegle pracujących UPS-ów. System pracuje w trybie redundantnym, tzn., że w przypadku awarii 1 z UPS-ów, 2 pozostałe utrzymają zasilanie gwarantowane Pracujące równolegle UPS-y również nie są obciążane równomiernie. Przyjmijmy, że niezrównoważenie obciążenia dla równolegle pracujących UPS-ów może być na poziomie 10%. Jaka musi być moc każdego z tych UPS-ów, aby w bezpieczny sposób uzyskać łączną moc około 520kVA? 23

24 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania System redundantny UPS-ów N+1 Powinien się składać z 3 równolegle pracujących UPS-ów o mocy około 320kVA każdy. System będzie pracował w trybie redundantnym, tzn., że w przypadku awarii 1 UPS-a, 2 pozostałe UPS-y utrzymają zasilanie gwarantowane na poziomie 520kVA Oszacowanie maksymalnego obciążenia UPS-ów pracujących w normalnych warunkach 2 UPS = 620kVA; 1 faza = 640kVA / 3 = 213kVA UPS1 faza 1 = (213kVA / 3) * 0,90 = 64kVA UPS1 faza 2 = 64kVA * 0,95 = 61kVA UPS1 faza 3 = 64kVA * 0,90 = 58kVA UPS2 faza 1 = 64kVA * 0,95 = 61kVA UPS2 faza 2 = 61kVA * 0,95 = 58kVA UPS2 faza 3 = 61kVA * 0,90 = 55kVA UPS3 faza 1 = 61kVA * 0,90 = 58kVA UPS3 faza 2 = 58kVA * 0,95 = 55kVA UPS3 faza 3 = 58kVA * 0,90 = 51kVA Razem = 521kVA 520kVA / 960kVA = 54% 24

25 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania System redundantny UPS-ów N+1 Powinien się składać z 3 równolegle pracujących UPS-ów o mocy około 320kVA każdy. System będzie pracował w trybie redundantnym, tzn., że w przypadku awarii 1 UPS-a, 2 pozostałe UPS-y utrzymają zasilanie gwarantowane na poziomie 520kVA. a, tak może wyglądać obciążenia UPS-ów po wyłączeniu jednego z nich UPS1 faza 1 = 97kVA UPS1 faza 2 = 92kVA UPS1 faza 3 = 87kVA UPS2 faza 1 = 86kVA UPS2 faza 2 = 81kVA UPS2 faza 3 = 77kVA UPS3 faza 1 = 0kVA UPS3 faza 2 = 0kVA UPS3 faza 3 = 0kVA Razem = 520kVA 520kVA / 640kVA = 81% 25

26 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania System dwóch niezależnych torów zasilania gwarantowanego każdy składający się z redundantnych UPS-ów system 2N+1 Pamiętając założenia z poprzednich wyliczeń, powtórzymy wyliczenie poziomu obciążenia równolegle pracujących UPS-ów. System składa się z 2 torów zasilania, w każdym po 3 równolegle pracujące UPS-y. System pracuje w trybie z redundancją torów zasilania, tzn., że jeżeli wyłączony zostanie jeden z torów zasilania, to drugi podtrzyma zasilanie gwarantowane. Nie wszystkie urządzenia IT posiadają możliwość zasilania z 2 źródeł i głównie z tego powodu praktycznie niemożliwe jest uzyskanie równego obciążenia obydwu torów. Przyjmijmy, że jeden z równolegle pracujących torów zasilania jest o 5% mocniej obciążony. Jaka musi być moc każdego z tych UPS-ów, aby w bezpieczny sposób uzyskać łączną moc około 520kVA? 26

27 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania System dwóch niezależnych torów zasilania gwarantowanego każdy składający się z redundantnych UPS-ów system 2N+1 Powinien się składać z 2 torów zasilania, w każdym po 3 równolegle pracujące UPS-y o mocy około 220kVA. System będzie pracował w trybie z redundancją torów zasilania, tzn., że jeżeli wyłączony zostanie jeden z torów zasilania, to drugi podtrzyma zasilanie gwarantowane na poziomie około 520kVA. Oszacowanie maksymalnego obciążenia UPS-ów pracujących w normalnych warunkach 27

28 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania System dwóch niezależnych torów zasilania gwarantowanego każdy składający się z redundantnych UPS-ów system 2N+1 Powinien się składać z 2 torów zasilania, w każdym po 3 równolegle pracujące UPS-y o mocy około 220kVA. System będzie pracował w trybie z redundancją torów zasilania, tzn., że jeżeli wyłączony zostanie jeden z torów zasilania, to drugi podtrzyma zasilanie gwarantowane na poziomie około 520kVA.. a, tak może wyglądać obciążenia UPS-ów po wyłączeniu jednego z torów zasilania gwarantowanego 28

29 Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania - podsumowanie Zestawienie wyników dla różnych systemów zasilania dla mocy gwarantowanej 520kVA Konfiguracja Moc UPS-a [kva] Całkowita moc zainstalowane go systemu [kva] Obciążenie średnie Praca normalna Praca awaryjna Odporność na pojedynczą awarię Możliwość przeglądów UPS-ów Możliwość przeglądów instalacji elektrycznej Jeden UPS % Nie Nie Nie N % 81% Tak Tak Nie 2N % 79% Tak Tak Tak Wnioski: Sprawność UPS-ów, należy porównywać dla obciążeń najlepiej poniżej 50% (dostawcy podają przy 100% obciążenia). Odporność na pojedynczą awarię oraz możliwość wykonywania przeglądów okresowych UPS-ów bez wyłączania OPD, posiadają jedynie systemy redundantne. Możliwość wykonywania przeglądów instalacji elektrycznych bez wyłączania OPD, umożliwiają jedynie systemy zasilania 2 torowego. System z jednym UPS-em jest najtańszy i daje możliwość najbardziej efektywnego wykorzystania UPS-a. 29

30 Dziękuję