Case_Study-Zasilanie_gwarantowane-budowa_i_eksploatacja

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

B1,13 x IN

1,45 x IN

>1h

<1h

3 x IN

5 x IN

>0,1s

<0,1s

C1,13 x IN

1,45 x IN

>1h

<1h

5 x IN10 x IN

>0,1s

<0,1s

D1,13 x IN

1,45 x IN

>1h

<1h

10 x IN50 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

B1,13 x IN

1,45 x IN>1h <1h

3 x IN

5 x IN

>0,1s

<0,1s

C1,13 x IN

1,45 x IN

>1h

<1h

5 x IN10 x IN

>0,1s

<0,1s

D1,13 x IN

1,45 x IN

>1h

<1h

10 x IN50 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 z rozproszonym sposobem rozdziału zasilania.

17 •


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


Przykład przenośnego stanowiska testowego


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 dodatkowe 2m przewodów przyłączeniowych ograniczników przepięć.

Według teorii, pod wpływem nawet niezbyt silnego zmiennego pola magnetycznego wywołanego np. bliskim uderzeniem pioruna, na 1 metrze prostego odcinka 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 •


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%


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 ?



• 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



• 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%


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 ?



• 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 •



• 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 •

KonfiguracjaMoc

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.

Pytania

[email protected]

Dziękuję

[email protected]

Case_Study-Zasilanie_gwarantowane-budowa_i_eksploatacja

Documents

Transcript of Case_Study-Zasilanie_gwarantowane-budowa_i_eksploatacja