Case Study Zasilanie gwarantowane Budowa i...
Transcript of Case Study Zasilanie gwarantowane Budowa i...
Case Study
Zasilanie gwarantowane
Budowa i eksploatacja
Opracował: Zenon Ruta, Nordea IT Polska Sp. z o.o., 2014
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 •
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 •
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 •
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 •
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 •
• 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.
Selektywność
7 •
• 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.)
• Posiadają dwa różne wyzwalacze:
• Wyzwalacz termiczny zwłoczny dla ochrony przed
przeciążeniem
• Wyzwalacz elektromagnetyczny dla ochrony przed
zwarciem
Selektywność
8 •
Wyłącznik 1-biegunowy i jego
symbol graficzny (tzw. „S-ka”)
Budowa wewnętrzna wyłącznika nad-prądowego
modułowego typu S300 produkowanego przez
firmę Legrand*
* Rysunek zaczerpnięty z poradnika „Warunki techniczne wykonania i odbioru INSTALACJI ELEKTRYCZNYCH w praktyce”, Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o.
Przykład wyliczenia prądów zadziałania wyzwalaczy
elektromagnetycznych:
• B10 - wyłącznik o charakterystyce B i IN=10A
Irm2 = IN x 5 = 50A
• C16 - wyłącznik o charakterystyce C i IN=16A
Irm2 = IN x 10 = 160A
• D25 - wyłącznik o charakterystyce D i IN=25A
Irm2 = IN x 20 = 500A
Charakterystyka
wyzwalania
Wyzwalacz termiczny Wyzwalacz elektromagnetyczny
Prąd zadziałania
dolna granica I1
Prąd zadziałania
górna granica I2
Czas
wyzwalania
Prąd niezadziałania
Irm1
Prąd zadziałania
Irm2
Czas
wyzwalania
B 1,13 x IN
1,45 x IN >1h <1h
3 x IN
5 x IN
>0,1s
<0,1s
C 1,13 x IN
1,45 x IN
>1h
<1h
5 x IN
10 x IN
>0,1s
<0,1s
D 1,13 x IN
1,45 x IN
>1h
<1h
10 x IN
50 x IN
>0,1s
<0,1s
Selektywność
9 •
UWAGA: obecnie produkowane wyłączniki nad-prądowe z wyzwalaczami o charakterystyce D posiadają węższą charakterystykę, tzn. prąd Irm2 = 20 x IN
Wymagania stawiane wyzwalaczom wyłączników nad-prądowych przez normę EN 60896
Przykład wyliczenia prądów zadziałania wyzwalaczy
elektromagnetycznych:
• B10 - wyłącznik o charakterystyce B i IN=10A
Irm2 = IN x 5 = 50A
• C16 - wyłącznik o charakterystyce C i IN=16A
Irm2 = IN x 10 = 160A
• D25 - wyłącznik o charakterystyce D i IN=25A
Irm2 = IN x 20 = 500A
Charakterystyka
wyzwalania
Wyzwalacz termiczny Wyzwalacz elektromagnetyczny
Prąd zadziałania
dolna granica I1
Prąd zadziałania
górna granica I2
Czas
wyzwalania
Prąd niezadziałania
Irm1
Prąd zadziałania
Irm2
Czas
wyzwalania
B 1,13 x IN
1,45 x IN >1h <1h
3 x IN
5 x IN
>0,1s
<0,1s
C 1,13 x IN
1,45 x IN
>1h
<1h
5 x IN
10 x IN
>0,1s
<0,1s
D 1,13 x IN
1,45 x IN
>1h
<1h
10 x IN
50 x IN
>0,1s
<0,1s
Selektywność
10 •
UWAGA: obecnie produkowane wyłączniki nad-prądowe z wyzwalaczami o charakterystyce D posiadają węższą charakterystykę, tzn. prąd Irm2 = 20 x IN
Wymagania stawiane wyzwalaczom wyłączników nad-prądowych przez normę EN 60896
Jeśli prąd zwarcia w takiej instalacji będzie
Izw > 500A
to prawdopodobnie wyłączą się wszystkie
wyłączniki nad-prądowe.
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 •
Selektywność
12 •
Selektywność
13 •
Selektywność
14 •
Selektywność
15 •
Dystrybucja zasilania
Dystrybucja z jednym centralnym miejscem rozdziału zasilania.
16 •
Dystrybucja zasilania
Dystrybucja z rozproszonym sposobem rozdziału zasilania.
17 •
Dystrybucja zasilania
18 •
Przykład szynoprzewodu Canalis KS firmy Schneider Electric
Listwa zasilająca pozioma 1U (producent: nieznany)
19 •
Listwa zasilająca do montażu pionowego (rys. wg: MAXBERT s.c.)
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
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
Dystrybucja zasilania
Przykład przenośnego stanowiska testowego
Dystrybucja zasilania
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.
Przykład nieprawidłowego podłączenia
ograniczników przepięć
21 •
Dystrybucja zasilania
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.
22 •
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%
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%.
23 •
Jaka musi być moc każdego z tych UPS-ów, aby w bezpieczny sposób uzyskać łączną moc około 520kVA ?
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
24 •
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%
2 UPS = 620kVA; 1 faza = 640kVA / 3 = 213kVA
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
25 •
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%
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.
26 •
Jaka musi być moc każdego z tych UPS-ów, aby w bezpieczny sposób uzyskać łączną moc około 520kVA ?
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 •
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 •
Systemy UPS, a ich efektywność wykorzystania - podsumowanie
Zestawienie wyników dla różnych systemów zasilania dla mocy gwarantowanej 520kVA
29 •
Konfiguracja
Moc
UPS-a
[kVA]
Całkowita moc
zainstalowane
go systemu
[kVA]
Obciążenie średnie Odporność
na
pojedynczą
awarię
Możliwość
przeglądów
UPS-ów
Możliwość
przeglądów
instalacji
elektrycznej
Praca
normalna
Praca
awaryjna
Jeden UPS 600 600 85% ---------- Nie Nie Nie
N+1 320 960 54% 81% Tak Tak Nie
2N+1 220 1320 39% 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.
Dziękuję