Schneider Electric zbadał bezpieczeństwo systemów 800 VDC

Schneider Electric opublikował badanie dotyczące ryzyka łuku elektrycznego w systemach zasilania 800 VDC. Analiza dotyczy zastosowania takich rozwiązań w centrach danych wykorzystujących sztuczną inteligencję.

Badanie objęło dwie architektury 800 VDC, oparte na rozwiązaniach stosowanych przez operatorów hiperskalowych centrów danych. Analiza wykazała, że poziom ryzyka zależy przede wszystkim od konstrukcji systemu. Znaczenie mają także rozmieszczenie kondensatorów oraz sposób i czas wyłączenia zwarcia.

Źródło: Schneider Electric

Ryzyko może być zbliżone do systemów AC

Według badania ryzyko łuku elektrycznego w systemach 800 VDC można ograniczyć. Dotyczy to również scenariuszy, w których istotną rolę odgrywają kondensatory. W wielu przypadkach poziom ryzyka jest porównywalny z systemami zasilania prądem przemiennym. Jednocześnie dokładność oceny można zwiększyć dzięki modelowaniu komputerowemu. Schneider Electric wykorzystał między innymi oprogramowanie ETAP oraz cyfrowe bliźniaki.

Centra danych potrzebują coraz większej mocy

Architektury 800 VDC mają umożliwiać zasilanie szaf typu rack o dużej gęstości mocy. Rozwiązania te są rozwijane między innymi z myślą o centrach danych AI. NVIDIA wraz z partnerami technologicznymi pracuje nad wykorzystaniem infrastruktury 800 VDC. Jednym z partnerów w obszarze zasilania jest Schneider Electric. Architektura ma umożliwić obsługę szaf IT o mocy 400 kW i większej.

Jednocześnie rozwój infrastruktury zwiększa zapotrzebowanie na rozwiązania pozwalające przesyłać większą moc. Dlatego dystrybucja energii przy napięciu 800 VDC zyskuje znaczenie w projektowaniu centrów danych. Wyższe napięcie wiąże się jednak z dodatkowymi wymaganiami. Dotyczą one zachowania systemu podczas zwarcia, koordynacji zabezpieczeń oraz zasad pracy personelu.

Potrzebne są metody oceny dla systemów 800 VDC

– Dystrybucja energii przy napięciu 800 VDC zmienia sposób projektowania centrów danych – powiedział Manish Kumar z Schneider Electric. Jak zaznaczył, rozwiązanie wymaga również analizy kwestii związanych z bezpieczeństwem.

Według Kumara współpraca z operatorami centrów danych pozwoliła opracować praktyczny model oceny ryzyka. Model uwzględnia zachowanie instalacji podczas zwarcia oraz sposób projektowania zabezpieczeń. Może także wspierać tworzenie zasad pracy z systemami 800 VDC. Analiza łuku elektrycznego jest już stosowana w centrach danych zasilanych prądem przemiennym. Natomiast dla systemów 800 VDC nie powstały jeszcze ogólnobranżowe wytyczne dotyczące takich zagrożeń. Obowiązujące metody mogą przy tym zawyżać ocenę ryzyka w niektórych konfiguracjach. Według Schneider Electric dokładniejsze wyniki można uzyskać dzięki symulacjom i cyfrowym bliźniakom.

Dwie architektury poddane analizie

Badanie objęło systemy 800 VDC na poziomie szafy rack oraz całego obiektu. W obu przypadkach wykorzystano metody wynikające z obowiązujących norm. Ponadto zastosowano symulacje stanów przejściowych oraz modelowanie całego systemu. Pierwszy scenariusz dotyczył architektury sidecar, określanej również jako power rack. W analizie zastosowano konserwatywne metody oraz założenia.Uzyskane wartości energii padającej były poniżej przyjętego progu dla środków ochrony indywidualnej. Taki wynik otrzymano nawet bez zastosowania dodatkowych urządzeń zabezpieczających.

Drugi scenariusz obejmował scentralizowaną architekturę 800 VDC na poziomie całego obiektu. W tym przypadku energia padająca mogła osiągać wyższe wartości. Analiza zakładała jednak konfigurację bez zabezpieczeń nadprądowych. Ponadto sprawdzono wpływ lokalizacji zwarcia na działanie całego systemu.

Miejsce zwarcia wpływa na przebieg zdarzenia

Badacze analizowali zwarcia występujące przed i za diodami blokującymi przepływ prądu wstecznego. Ich lokalizacja wpływała między innymi na wartość prądu szczytowego.Po zastosowaniu standardowych zabezpieczeń możliwe było ograniczenie czasu trwania zwarcia. W rezultacie zmniejszała się również energia związana z łukiem elektrycznym. Według analizy osiągane wartości były wtedy zbliżone do poziomów występujących w typowych systemach AC.

Kondensatory mają znaczenie w pierwszych milisekundach

Badanie wskazuje również na znaczenie zjawisk przejściowych. W systemach 800 VDC prąd zwarciowy zmienia się w czasie. W pierwszych milisekundach zdarzenia istotną rolę odgrywa rozładowanie kondensatorów. Dlatego uproszczone metody obliczeniowe nie zawsze odzwierciedlają rzeczywisty przebieg zwarcia. Symulacje mogą dokładniej odwzorować zachowanie instalacji. Dotyczy to szczególnie systemów, w których duży udział w zjawisku mają kondensatory.

Projekt instalacji wpływa na poziom ryzyka

Charakterystyka łuku elektrycznego zależy również od konfiguracji całego systemu. Nie wynika więc wyłącznie z zastosowania dystrybucji prądu stałego. Znaczenie ma między innymi rozmieszczenie kondensatorów. Ważne są również urządzenia blokujące przepływ prądu wstecznego oraz czas działania zabezpieczeń.Z badania wynika, że odpowiednie rozwiązania projektowe mogą ograniczać energię powstającą podczas zwarcia. Dotyczy to zarówno systemów na poziomie szafy rack, jak i całego obiektu.

Cyfrowe modele pomagają ocenić zagrożenie

– Normy branżowe pozostają podstawą bezpieczeństwa elektrycznego – powiedział Tanuj Khandelwal, CEO ETAP. Zwrócił jednak uwagę na ograniczenia tradycyjnych metod obliczeniowych.

Według niego mogą one nie odzwierciedlać sposobu działania złożonych systemów prądu stałego. Dlatego analiza powinna uwzględniać między innymi topologię systemu i zachowanie instalacji podczas zwarcia. Znaczenie mają również koordynacja zabezpieczeń, reakcja przekształtnika oraz logika przełączania. ETAP pozwala modelować systemy 800 VDC z uwzględnieniem tych parametrów.

Badania nad bezpieczeństwem 800 VDC

Schneider Electric prowadzi także testy związane z wymianą komponentów pod napięciem w systemach 800 VDC. Badania mają pomóc w określeniu zasad prowadzenia prac konserwacyjnych. Opublikowana analiza jest częścią prac nad systemami zasilania dla centrów danych AI. Dotyczy przede wszystkim infrastruktury przeznaczonej dla szaf o dużej gęstości mocy. Wyniki badania przedstawiono w opracowaniu „DC Arc Flash Analysis: A Practical Study on 800 VDC in Data Centers”.

Źródło: Schneider Electric