Применение распределительных устройств среднего напряжения в центрах обработки данных и проектах возобновляемой энергетики

Две отрасли, одна общая зависимость

Центры обработки данных и проекты возобновляемых источников энергии, похоже, имеют мало общего. Одно из них представляет собой здание с климат-контролем, заполненное серверными стойками, где основным выходом является цифровая информация. Другой представляет собой обширную наружную установку, подверженную воздействию погодных условий, где основным выходом является электроэнергия, подаваемая в сеть электропередачи.

Однако на самом деле у них есть одна важная зависимость: распределительное устройство среднего напряжения, которое безупречно работает в условиях эксплуатации, которые еще десять лет назад считались необычными. Обе отрасли росли с необычайной скоростью. Оба сталкиваются с сильным давлением в отношении сроков реализации проекта и капитальных затрат. И оба все чаще выбирают оборудование, не содержащее SF₆: центры обработки данных, основанные на корпоративных обязательствах в области устойчивого развития, проекты возобновляемых источников энергии, основанные на логике, согласно которой экологически чистое производство не должно зависеть от инфраструктуры с высоким ПГП.

В этой статье подробно рассматриваются требования к распределительным устройствам среднего напряжения в этих двух секторах. Основное внимание уделяется техническим требованиям, которые определяют выбор оборудования, конфигурациям, которые доказали свою эффективность, а также требованиям к документации и соответствию, которые команды по закупкам в обеих отраслях теперь считают обязательными.

Часть первая: Центры обработки данных

Электрическая архитектура современного центра обработки данных

Гипермасштабный центр обработки данных, по сути, представляет собой объект преобразования электроэнергии. Электроэнергия поступает при высоком или среднем напряжении из электросети, проходит несколько этапов преобразования и в конечном итоге достигает серверных стоек при низком напряжении с исключительными требованиями к надежности. Отраслевой стандарт времени безотказной работы — пять девяток, или доступность на уровне 99,999 %, — допускает чуть более пяти минут простоя в год, включая все плановое обслуживание.

Распределительное устройство среднего напряжениянаходится на важнейшем стыке между энергоснабжением и внутренней распределительной сетью центра обработки данных. В типичной архитектуре фидеры сети напряжением от 10 до 36 кВ входят в подстанцию ​​объекта, где распределительное устройство среднего напряжения обеспечивает защиту входного фидера, первичную защиту трансформатора и переключение секций шины. Дополнительные распределительные устройства среднего напряжения, расположенные ниже по цепи, могут обслуживать крупные холодильные установки, входные распределительные щиты ИБП и распределительные устройства параллельного генератора для систем резервного электропитания.

Распределительное устройство в этой архитектуре должно одновременно удовлетворять нескольким строгим критериям. Он должен быть достаточно компактным, чтобы вписаться в площадь здания, которое является дорогой недвижимостью. Оно должно быть достаточно надежным, чтобы объем работ по техническому обслуживанию измерялся в часах за десятилетие, а не в часах в год. И он должен иметь возможность интегрироваться с системой управления зданием центра обработки данных и платформой мониторинга электропитания, предоставляя в режиме реального времени данные о положении переключателя, событиях защиты и состоянии оборудования.

Почему вакуумные выключатели являются стандартными

Вакуумный автоматический выключатель стал выбором по умолчанию для коммутации среднего напряжения в центрах обработки данных по причинам как технического, так и эксплуатационного характера.

Технически вакуумный прерыватель гасит дугу внутри герметичной керамической оболочки, где нет ничего, что могло бы гореть, разлагаться и нечего было бы утечь. Отсутствие газа означает отсутствие технического обслуживания, связанного с газом. Для оператора центра обработки данных, объект которого может работать пятнадцать лет без серьезных остановок, любое оборудование, требующее периодического обслуживания, является обузой. Вакуумный выключатель с приводным механизмом класса М2, рассчитанным на 10 000 механических операций, может прослужить весь срок эксплуатации объекта без единого ремонта самого выключателя.

С эксплуатационной точки зрения вакуумные выключатели хорошо подходят для профиля нагрузки центра обработки данных. Нагрузка центра обработки данных является относительно стабильной — серверы не останавливаются и не запускаются, как промышленные двигатели, — а это означает, что электрическая выносливость выключателя редко проверяется частыми аварийными отключениями. Основным эксплуатационным требованием является надежное переключение во время планового переключения между энергоснабжающим источником и генератором, что требует механических усилий, но является простым с электрической точки зрения. Хорошо спроектированный пружинный механизм с накоплением энергии может стабильно выполнять эту функцию в течение десятилетий.

Выкатная конфигурация, используемая в распределительных устройствах с металлическим покрытием, таких как серии KYN28 или KYN61, предлагает еще одно преимущество для центров обработки данных: выключатель можно выкатить в тестовое или изолированное положение для проверки без обесточивания всей шины. На предприятии, где стоимость простоя может превышать 100 000 долларов в минуту, одна только эта особенность ремонтопригодности может оправдать спецификацию распределительного устройства.

Переход к использованию SF₆ в секторе центров обработки данных

Операторы центров обработки данных стали одними из самых влиятельных сторонников распределительных устройств, не содержащих SF₆, и их мотивацией является не только соблюдение нормативных требований. Многие крупнейшие операторы, в том числе провайдеры гипермасштабных облачных технологий, публично пообещали достичь углеродной нейтральности или нулевых выбросов в течение этого десятилетия. SF₆, потенциал глобального потепления которого в 24 300 раз превышает потенциал CO₂, является прямым противоречием этим обязательствам, если он присутствует в электрической инфраструктуре каждого нового объекта.

Один RMU или панель КРУЭ среднего напряжения, содержащая несколько килограммов SF₆, сама по себе не представляет собой значительную часть углеродного следа центра обработки данных. Но крупные операторы ежегодно строят десятки объектов, каждый из которых содержит несколько распределительных устройств. Совокупные запасы SF₆ в глобальном портфеле могут измеряться в тоннах. Скорость утечки низка, но не равна нулю, а срок жизни SF₆ в атмосфере означает, что каждый выброшенный грамм остается в атмосфере более трех тысяч лет.

Вот почему спецификации тендеров на центры обработки данных теперь обычно включают «отсутствие SF₆» в качестве обязательного требования дляраспределительное устройство среднего напряжения. Это требование появляется не только на европейских рынках, где Регламент ЕС по фторсодержащим газам обеспечивает правовую основу, но также в Северной Америке и Азиатско-Тихоокеанском регионе. Для производителей распределительных устройств рынок центров обработки данных стал мощным коммерческим стимулом разработки продуктов, не содержащих SF₆, — возможно, самым мощным за пределами коммунального сектора.

COTENELE поставляет кольцевые силовые агрегаты 24 кВ без SF₆ и панели вакуумных выключателей для проектов центров обработки данных с сухой воздушной изоляцией и сертификатом типовых испытаний в соответствии с IEC 62271-200. Резервуар из нержавеющей стали, герметичный на весь срок службы, исключает мониторинг газа, дозаправку и восстановление по окончании срока службы из эксплуатационных процедур предприятия. Для оператора центра обработки данных это означает на одну систему меньше, которую нужно отслеживать, на один контракт на обслуживание меньше, а также на один элемент меньше, который нужно объяснять в ходе аудита ESG.

Часть вторая: Проекты возобновляемой энергетики

Коллекторные сети ветряных электростанций

Ветряная электростанция представляет собой электрическую среду, принципиально отличающуюся от центра обработки данных или промышленного предприятия. Отдельные ветряные генераторы, обычно мощностью от 2 МВт до 8 МВт каждый, разбросаны по географической территории, которая может охватывать десятки квадратных километров. Каждая турбина вырабатывает низкое напряжение — обычно 690 В или 1000 В — и повышает его до среднего напряжения через трансформатор, установленный на площадке в основании башни. Кабели среднего напряжения, обычно 33 кВ или 36 кВ, идут от каждой турбины к центральной коллекторной подстанции, где мощность аккумулируется и снова повышается для передачи.

Распределительное устройство на коллекторной подстанции должно выполнять ряд функций, которые не может в полной мере повторить ни одно другое приложение. Автоматические выключатели, защищающие каждый фидер коллектора, часто переключаются, когда турбины запускаются и останавливаются в зависимости от ветровых условий. Вклад тока повреждения ветряных турбин на базе инвертора принципиально отличается от тока повреждения синхронной машины: он меньше по величине, быстрее затухает, и иногда обычным реле защиты его трудно отличить от нормального тока нагрузки. А сама подстанция часто находится в отдаленном месте, где посещение технического обслуживания обходится дорого, зависит от погоды, а иногда в зимние месяцы невозможно в течение нескольких недель.

Вакуумные выключатели хорошо подходят для этой среды. Высокая механическая износостойкость современных автоматических выключателей позволяет осуществлять частое переключение без ухудшения состояния контактов. Вакуумный прерыватель безразличен к источнику тока повреждения, который он должен отключить — независимо от того, исходит ли он от синхронного генератора или от инверторного источника, физика гашения дуги одинакова. Герметичная конструкция современного автоматического выключателя означает, что специалисту по техническому обслуживанию нечего проверять внутри прерывателя, даже если он сможет добраться до места установки.

Солнечные фотоэлектрические системы и системы хранения энергии

Солнечные фотоэлектрические установки коммунального масштаба имеют некоторые общие характеристики с ветряными электростанциями (инверторная генерация, географическая разбросанность, частое переключение при изменении освещенности), но добавляют к ним свои сложности. Солнечные электростанции обычно работают при более низком напряжении, чем ветряные электростанции: система сбора среднего напряжения может иметь напряжение 12 или 24 кВ, а не 33 или 36 кВ. Сторона постоянного тока установки, от модулей через объединительные коробки до входа инвертора, работает при напряжении до 1500 В постоянного тока и требует совершенно отдельного комплекта защитного и изоляционного оборудования.

Растущее совместное размещение аккумуляторных систем хранения энергии с солнечными электростанциями добавляет еще один уровень требований к распределительным устройствам. Аккумуляторная система хранения энергии может заряжаться от сети или от солнечной батареи и разряжаться обратно в сеть по мере необходимости. Это означает, что распределительное устройство среднего напряжения в точке соединения должно обрабатывать двунаправленный поток энергии. Настройки защиты должны учитывать вклад тока повреждения от аккумуляторных инверторов, который может быть существенным и быстро возрастающим. А коммутационная нагрузка на выключатели еще больше увеличивается: несколько циклов зарядки-разрядки в день увеличивают количество механических операций.

Уровень соответствия и документации

Проекты возобновляемых источников энергии, особенно те, которые разрабатываются международными независимыми производителями электроэнергии или финансируются многосторонними банками развития, теперь предъявляют требования к документации, которые конкурируют с требованиями к тендерам коммунальных предприятий. Для комплекта распределительного устройства среднего напряжения для ветряной или солнечной электростанции обычно требуются сертификаты типовых испытаний IEC для каждого автоматического выключателя и RMU, отчеты о плановых испытаниях с завода, декларация соответствия применимым экологическим нормам и справочный список, демонстрирующий предыдущую поставку аналогичного оборудования.

Причина проста: проектное финансирование. Кредиторы и инвесторы, предоставляющие капитал для проектов возобновляемой энергетики, проводят техническую экспертизу каждого крупного пакета оборудования. Если поставщик распределительного устройства не может предоставить полную документацию, проект может столкнуться с задержками в финансовом закрытии. Это риск, к которому разработчики относятся очень серьезно.

COTENELE поставляет распределительные устройства среднего напряжения для проектов возобновляемой энергетики с полным пакетом документации, включенным в стандартную комплектацию. Сертификаты типовых испытаний, протоколы регламентных испытаний и декларации соответствия предоставляются на этапе тендера, а не после заказа. Для проектов в Европе это включает документацию, подтверждающую соответствие Регламенту ЕС по фторсодержащим газам. Для проектов в других регионах пакет адаптирован к местным требованиям.

Перекрытие технологий: что нужно обоим секторам

Несмотря на различия, центры обработки данных и проекты возобновляемых источников энергии сходятся в едином наборе требований к распределительным устройствам. Выявление этого совпадения помогает объяснить, почему определенные технологии и конфигурации стали доминировать на обоих рынках.

Компактный размер. Центры обработки данных ценят каждый квадратный метр свободного пространства. Коллекторные подстанции возобновляемой энергии часто располагаются на суше с ограниченной доступной площадью. В обоих секторах используются распределительные устройства, которые минимизируют занимаемую площадь без ущерба для доступа для обслуживания. Это одна из причин, почему выдвижные распределительные устройства в металлическом корпусе и RMU без SF₆ получили широкое распространение — они сочетают в себе значительную функциональность в компактном корпусе.

Надежность без частого обслуживания. Центры обработки данных не могут позволить себе простои. Ветряные электростанции не могут себе позволить ежемесячно отправлять технического специалиста на удаленную подстанцию. Вакуумные выключатели с герметичными прерывателями на весь срок службы и RMU с герметичными бензобаками напрямую отвечают этому требованию.

Базовый уровень не содержит SF₆. Для центров обработки данных движущей силой являются корпоративные обязательства в области устойчивого развития. Для проектов возобновляемой энергетики движущей силой является несоответствие использования газа с высоким ПГП в инфраструктуре, которая существует для производства чистой энергии. Оба соответствуют одним и тем же требованиям спецификации.

Цифровая интеграция. Центры обработки данных первыми внедрили интеллектуальные распределительные устройства со связью IEC 61850, что было вызвано необходимостью интеграции электрического мониторинга в систему управления зданием. Проекты в области возобновляемых источников энергии быстро развиваются, вызванные необходимостью удаленного мониторинга беспилотных объектов. В обоих случаях распределительное устройство, которое может сообщать о своем состоянии, регистрировать операции переключения и обеспечивать раннее предупреждение о развивающихся проблемах, снижает эксплуатационные расходы и риски.

Полная документация. В обоих секторах доминируют опытные покупатели – операторы гипермасштабных центров обработки данных, международные разработчики возобновляемых источников энергии, инфраструктурные фонды – которые рассматривают документацию как обязательное требование. В случае неполного оформления документов оборудование не рассматривается. Это благоприятствует производителям, которые инвестировали в сторонние типовые испытания и поддерживают организованные системы документации.

Выбор распределительного устройства для этих приложений: практические соображения

Для инженеров-проектировщиков и групп по закупкам, работающих в любом секторе, при выборе распределительного устройства следует учитывать несколько практических соображений.

Начните с напряжения и уровня неисправности, но не останавливайтесь на достигнутом. Номинальное напряжение и отключающая способность при коротком замыкании являются минимальными критериями входа. Помимо этого, оцените механическую выносливость, требования к техническому обслуживанию в течение всего срока проекта и доступность местной сервисной поддержки.

Проверьте типовое тестирование для конкретной конфигурации. Производитель может провести типовые испытания стандартного модуля, но не конкретной комбинации модулей, необходимой для вашей однолинейной схемы. Убедитесь, что точная конфигурация была протестирована или что производитель может предоставить техническое обоснование для расширения охвата типовых испытаний.

Спросите о документации до размещения заказа. Если поставщик не может предоставить сертификаты типовых испытаний, шаблоны отчетов о плановых испытаниях и декларацию о соответствии на этапе тендера, он вряд ли предоставит их сразу после заказа. Задержки с документацией могут задержать финансирование и ввод в эксплуатацию проекта, и их можно обнаружить до заключения контракта.

Учитывайте общую стоимость жизненного цикла, а не только цену покупки. Для центра обработки данных с расчетным сроком службы 15 лет стоимость одного незапланированного отключения затмевает любую разницу в цене покупки распределительного устройства. Для ветряной электростанции с 50 турбинами, разбросанными по горному хребту, стоимость отправки технического специалиста для проверки выключателя затмевает экономию от выбора продукта с более низкими характеристиками. Распределительное устройство составляет небольшую часть общих капитальных затрат проекта, но значительную часть оборудования, которое может привести к катастрофическому отказу. Это не место для оптимизации по самой низкой начальной цене.

Заключение

Центры обработки данных и проекты возобновляемых источников энергии представляют собой два наиболее быстрорастущих сегмента мирового рынка распределительных устройств среднего напряжения. Это также сегменты, в которых переход к экологически безопасному, цифровому оборудованию, не содержащему SF₆, продвигается быстрее всего.

Технологии распределительных устройств, которые хорошо служат этим рынкам — прерывание вакуума, сухой воздух и твердая изоляция, выдвижные конфигурации с высокой механической прочностью, встроенный мониторинг состояния с помощью связи IEC 61850 — это те же самые технологии, которые будут определять более широкую отрасль распределительных устройств в течение следующего десятилетия. Уроки, извлеченные из центров обработки данных и применения возобновляемых источников энергии, определяют разработку продуктов во всех сегментах рынка.

Для COTENELE обслуживание этих секторов означает поставку модулей RMU 24 кВ без SF₆ и панелей вакуумных выключателей, которые прошли типовые испытания, имеют полную документацию и находятся в серийном производстве. Это означает понимание того, что команда по закупкам центров обработки данных и разработчик ветряных электростанций говорят на разных технических языках, но имеют одно и то же основное требование: оборудование, которое надежно работает десятилетиями, с минимальным вмешательством и без какой-либо экологической ответственности. Наш ассортимент продукции и системы документации построены соответствующим образом.

Ищете распределительное устройство среднего напряжения для своего следующего проекта?

COTENELE поставляет вакуумные выключатели на напряжение от 12 до 40,5 кВ, кольцевые силовые блоки без SF₆ и комплектные распределительные устройства в металлическом корпусе для центров обработки данных, возобновляемых источников энергии, коммунальных и промышленных предприятий. Вся продукция проходит типовые испытания на соответствие применимым стандартам МЭК, а полная документация предоставляется на этапе тендера.

О КОТЕНЕЛЕ

COTENELE является специализированным производителем распределительных устройств среднего напряжения, в том числе экологически чистых распределительных устройств с элегазовой изоляцией, не содержащих SF₆, вакуумных выключателей, кольцевых главных блоков и металлизированных панелей для применений от 12 кВ до 40,5 кВ. Наши продукты предназначены для операторов центров обработки данных, разработчиков возобновляемых источников энергии, коммунальных предприятий и промышленных покупателей в Европе, Азии и на Ближнем Востоке. Каждый продукт проходит типовые испытания на соответствие применимым стандартам IEC, при этом предоставляется полная документация для подачи заявки на участие в тендере и реализации проекта.