Zastosowanie zasilaczy UPS i zespołów prądotwórczych w centrach przetwarzania danych

Tego typu obiekty wyposażone w urządzenia elektryczne, w tym IT o mocy rzędu kilkudziesięciu-kilkuset kVA, wymagają zastosowania specjalizowanych układów zapewniających zasilane odbiornikom, np. zasilaczy UPS, tandemów zasilacz UPS i zespół prądotwórczy lub dynamicznych układów zasilania wyposażonych w kinematyczny zasobnik energii. Rosnące zapotrzebowanie rynku w zakresie bezprzerwowych zasilaczy UPS dużych mocy i zespołów prądotwórczych pracujących w systemach o zwiększonej niezawodności powoduje, że producenci oferują urządzenia w zakresie mocy od 10 do 2000 kVA. [1, 2, 3].

Niezawodność zasilania

Wszystkie urządzenia charakteryzują się współczynnikiem pewności pracy na poziomie zbliżonym do jedności. Istnieje wiele różnych miar niezawodności pracy urządzeń. Jedną z nich jest współczynnik MTBF (Mean Time Between Failures), który definiowany jest jako średni okres między awariami, czyli wartość oczekiwana czasu między uszkodzeniami elementów powodujących utratę zdolności do realizacji funkcji, do których został zbudowany.

Jest on wyrażany w jednostkach czasu, np. godzinach [1, 4]. Natomiast średni czas naprawy urządzenia rozumiany jako wartość oczekiwana czasu między wystąpieniem awarii a chwilą ponownej zdolności do realizacji funkcji określa współczynnik MTTR (Mean Time To Repair). Najczęściej jest również wyrażany w jednostkach czasu, np. godzinach.

Zasilacze UPS i zespoły prądotwórcze charakteryzują się najczęściej bardzo wysokim współczynnikiem MTBF. Jednak aby określić współczynnik MTBF w jednostkach względnych dla konkretnej instalacji urządzeń zasilania gwarantowanego i awaryjnego konieczna jest nie tylko bezwzględna wartość określona przez producenta, ale również czas naprawy w rzeczywistych warunkach. Czas naprawy zależy bowiem od: czasu reakcji serwisu na awarię, czasu dojazdu do urządzenia, dostępności części zamiennych, czasu naprawy oraz czasu na wykonanie potrzebnych testów [1, 4].

Wartość MTBF dla urządzeń produkowanych przez różnych producentów jest różna. Można przyjąć, że dla pojedynczego urządzenia dobrej marki wartość MTBF wynosi 99,99790%. Jednak zmienia się wartość współczynnika MTBF dla grupy urządzeń pracujących równolegle z redundancją, w zależności od ich liczby w grupie. Wydawać by się mogło, że im większa liczba jednostek w zestawie, tym wartość MTBF większa. W tym przypadku awaria jednej jednostki UPS lub zespołu prądotwórczego nie powoduje przerwy w zasilaniu odbiorników. Tak jednak nie jest, ponieważ przy większej liczbie jednostek UPS rozbudowany jest układ sterowania tymi jednostkami, który jest wspólny dla całego układu. Ponadto przy większej liczbie jednostek w układzie wzrasta prawdopodobieństwo awarii kolejnej jednostki w czasie, gdy jedna już uległa awarii i jest niesprawna. Nadmierne zwiększanie liczby jednostek w układzie może spowodować, że wypadkowa wartość MTBF dla układu będzie mniejsza niż wartość MTBF dla pojedynczej jednostki [1, 4].

Należy tu jednak zaznaczyć, że współczynniki MTBF podawane przez producentów UPS-ów lub zespołów prądotwórczych dotyczą jedynie tych urządzeń, bez uwzględnienia pozostałych elementów układu zasilania, takich jak: układy rozdzielnic przed  i za, aparatury stosowanej w rozdzielnicach, automatyki rozdzielnic, połączeń kablowych itp. Na niezawodność zasilania odbiorników duży wpływ ma również struktura i aparatura zastosowana w układzie dystrybucji energii oraz w obwodach odbiorczych zasilania odbiorników. Z tego powodu dokładna analiza niezawodności całego układu jest często bardzo złożona i trudna do przeprowadzenia.

Klasyfikacja data center

Klasyfikacja niezawodności dla obiektów typu data center zawiera istotne informacje związane z właściwym projektowaniem układów zasilania gwarantowanego. Klasy Tier zostały wprowadzone w celu podziału obiektów typu data center ze względu na ich fizyczną topologię infrastruktury, która wpływa na działanie systemów teleinformatycznych. Taki podział ułatwia określenie wydajności obiektów data center, ich dostępności, skali inwestycji oraz ich kosztów [5].

Istnieją dwa podziały na klasy, oba zawierają cztery poziomy Tier. Pierwszy podział wprowadził Uptime Institute (UI) pod koniec lat 90. ubiegłego wieku oznaczany od Tier I do Tier IV. Podział zawiera różne topologie centrów przetwarzania danych wraz z ich poziomami dostępności oraz okresami niedostępności. Drugi podział na klasy został wprowadzony w roku 2005 przez Telecommunications Industry Association (TIA-942) należącą do American National Standards Institute (ANSI) i stosuje oznaczenia od Tier 1 do Tier 4. Podział powstał w oparciu o m.in. informacje zawarte w publikacjach UI. Zawiera standardy dla obiektów typu data center, minimalne wymagania dotyczące infrastruktury, metody przechowywania plików i ich archiwizacji, opis kontroli dostępu do sieci, metody dystrybucji treści oraz zasady zastosowania hostingu. Oba standardy, mimo iż są podobne do siebie ze względu na podział na klasy Tier, różnią się od siebie podejściem do zagadnienia projektowania obiektów typu data center. W standardzie TIA, aby osiągnąć pożądany poziom dostępności, czyli w efekcie daną klasę Tier, należy spełnić wszystkie wymogi zawarte w opisie tej klasy. Niespełnienie któregoś z wymogów może uniemożliwić zakwalifikowanie do danego poziomu. W przypadku standardu UI istnieje pewna dowolność rozwiązań stosowanych w poszczególnych zagadnieniach klas Tier pod warunkiem otrzymania wymaganego poziomu dostępności dla danej klasy [5].

Warto zwrócić uwagę na fakt, że Uptime Institute jest niezależną firmą konsultingową specjalizującą się w tematyce obiektów data center o wysokiej dostępności i tworzy standardy przede wszystkim opisowe, analizujące rozwiązania stosowane w nich pod kątem potrzeb biznesowych. Są to opracowania raczej o charakterze strategii postępowania niż opisujące konkretne rozwiązania techniczne [5]. Podstawowy dokument odnoszący się do rozważanej tematyki to Tier Standard: Topology. Drugi dokument to Tier Standard: Operational Sustainability, który określa procedury, jakie należy stosować, aby zapewnić odpowiednią trwałość i niezawodność operacyjną centrum przetwarzania danych odpowiedniej klasy Tier. Podkreślić należy, że obecnie UI certyfikuje projektantów i obsługę układów zasilania i chłodzenia [6].

Klasyfikacja Tier wg Uptime Institute wyróżnia 4 poziomy niezawodności zasilania data center [5]:

• poziom Tier I – jeden obwód do dystrybucji zasilania i chłodzenia, brak elementów redundantnych,
• poziom Tier II – jeden obwód do dystrybucji zasilania i chłodzenia, elementy redundantne,
• poziom Tier III – zwielokrotnione obwody dystrybucji zasilania i chłodzenia, elementy redundantne, ale tylko jeden obwód aktywny,
• poziom Tier IV – zwielokrotnione aktywne obwody dystrybucji zasilania i chłodzenia, elementy redundantne, odporne na błędy.

współpraca zespołu prądotwórczego z UPS-em

Moc zespołu prądotwórczego należy dobierać do mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki. Jej wartość należy oszacować drogą analityczną lub przeprowadzić pomiary tygodniowych obciążeń, na podstawie których można ustalić wartości szczytowych obciążeń danej sieci [2]. W przypadku zasilacza awaryjnego moc pobierana z sieci energetycznej jest większa od mocy znamionowej. Przy zastosowaniu zespołu prądotwórczego jego moc powinna być wyższa co najmniej o sprawność zasilacza UPS oraz o moc potrzebną na ładowanie baterii akumulatorów. W przypadku zasilaczy True On-Line sprawność waha się w granicach od 80 do 97%, w zależności od wielkości urządzenia, a moc potrzebna na ładowanie baterii akumulatorów może dochodzić do kilkunastu procent mocy zasilacza. W takim przypadku moc zespołu powinna być co najmniej równa mocy pobieranej przez UPS i powiększona o współczynnik przewymiarowania agregatu. Jest to konsekwencją zniekształceń THDi wprowadzanych do sieci przez zasilacz oraz zależy od charakteru obciążeń odbiorników [2, 3].

Uwzględnienie prądów rozruchowych oraz odkształconych przy doborze mocy zasilacza UPS jest niezbędne do jego poprawnego funkcjonowania. UPS o zbyt małej mocy przeznaczony do zasilania odbiorników nieliniowych lub silników elektrycznych przy wzroście obciążenia automatycznie przejdzie na by-pass zewnętrzny, co będzie skutkowało pozbawieniem układu zasilania funkcji napięcia gwarantowanego. Przy doborze zasilacza UPS należy również zwrócić uwagę na znamionowy współczynnik szczytu, który określa, ile może zostać przekroczona chwilowa wartość szczytowa prądu w stosunku do rzeczywistej wartości skutecznej tego prądu. W produkowanych obecnie zasilaczach UPS współczynnik szczytu wynosi na ogół 3:1. Jeżeli wartość współczynnika szczytu w przebiegu prądu pobieranego z UPS-a przekroczy wartość znamionowego współczynnika szczytu, to mogą wystąpić zakłócenia w pracy zasilacza, łącznie z jego wyłączeniem [1, 3].

Warunki instalowania zespołu

Zespół prądotwórczy pracujący w układach zasilania awaryjnego może być instalowany w kontenerze ustawianym na fundamencie betonowym poza budynkiem lub w specjalnie do tego celu przygotowanym pomieszczeniu, powszechnie nazywanym agregatornią. Zarówno w pierwszym, jak i w drugim przypadku, instalacja zespołu wymaga czerpni powietrza oraz odprowadzenia spalin i odpowiedniej wentylacji pomieszczenia. Problem ten powinien zostać rozwiązany przez projektanta instalacji sanitarnych na podstawie wymagań określonych przez producenta zespołu. Zespół instalowany przez producenta w kontenerze stanowi kompletne urządzenie pod względem elektrycznym oraz sanitarnym. Natomiast w przypadku adaptowania pomieszczenia do celów instalacji zespołu prądotwórczego, należy spełnić wszelkie wymagania określone przez producenta [2]. Na fotografii 1. został przedstawiony przykład instalacji zespołu prądotwórczego w pomieszczeniu.

Instalacja odbiorcza powinna być przystosowana do zasilania rezerwowego z zespołu prądotwórczego. W tym celu obwody wymagające zasilania rezerwowego powinny być wydzielone. Dobierając parametry zespołu należy uwzględnić: rodzaj, moc i tryb pracy odbiorów, np. prądy rozruchowe silników, pobór mocy biernej, odkształcenie prądu oraz niesymetrię obciążenia [3].

Zespół prądotwórczy wraz z wyposażeniem zaleca się instalować w wydzielonym pomieszczeniu (fot. 1). Pomieszczenie to powinno być łatwo dostępne, dobrze wentylowane, suche i w razie potrzeby ogrzewane, aby temperatura wynosiła co najmniej kilka °C. Silnik spalinowy wymaga czerpni i kanałów dolotowych świeżego powietrza, które zasysa, oraz przewodów odprowadzających spaliny oczyszczone w układzie wydechowym. Pomieszczenie, w którym zostanie zainstalowany zespół prądotwórczy, należy wyposażyć również w rozdzielnicę potrzeb własnych, oświetlenie, gniazda odbiorcze oraz instalację elektryczną sterowania wentylacją, oraz innymi urządzeniami uwzględnionymi w projekcie w zależności od potrzeb [2].

Prądnica powinna być zabezpieczona przed przeciążeniami i skutkami zwarć za pomocą układów zabezpieczających usytuowanych w jej pobliżu. Dopuszcza się umieszczenie urządzenia zabezpieczającego w najbliższej rozdzielnicy pod warunkiem, że odcinek przewodów między prądnicą a urządzeniem zabezpieczającym był odporny na zwarcia. Dla prądnic o dużej mocy znamionowej stosuje się ponadto zabezpieczenie ziemnozwarciowe dobrane stosownie do zaleceń producenta.

Przełącznik zasilania rezerwowego i jego elementy napędowe powinny być należycie oznakowane. W polu linii zasilania podstawowego powinna być kontrolowana obecność napięcia. Jeśli zespół może być uruchamiany zdalnie lub samoczynnie, to w jego pobliżu należy przewidzieć możliwość wprowadzania blokady przed zdalnym lub samoczynnym uruchomieniem, na przykład podczas prac konserwacyjnych.

Zespoły spalinowo-elektryczne powinny być wyposażone w układ do normalnego zatrzymywania ręcznego lub automatycznego, który odcina dopływ paliwa (silnik wysokoprężny) lub wyłącza zapłon (silnik o zapłonie iskrowym). Urządzenie do awaryjnego zatrzymywania (ręcznego lub samoczynnego) jest wymagane w przypadku zespołów spalinowo-elektrycznych zdalnie sterowanych oraz zespołów w obudowie, do wnętrza której mają dostęp ludzie. W drugim przypadku przycisk do awaryjnego zatrzymywania powinien być umieszczony zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obudowy.

Ręcznie sterowany układ do awaryjnego zatrzymywania jest wymagany, jeżeli można zatrzymać zespół prądotwórczy w czasie krótszym niż przy zastosowaniu układu do normalnego zatrzymywania. Dopuszcza się rezygnację z układu do awaryjnego zatrzymywania zespołów spalinowo-elektrycznych małej mocy [3].

Ze względu na występujące wibracje zespoły ruchome oraz stacjonarne należy przyłączać przewodami giętkimi o żyłach miedzianych, przeznaczonymi do ciężkich warunków pracy z powłoką o zwiększonej grubości [3].

Przy przełączaniu przez układ SZR zasilania z sieci na zespół prądotwórczy lub z powrotem nie może dojść do równoległego łączenia obu źródeł. Grozi to bowiem zwrotnym zasilaniem sieci zewnętrznej lub niekontrolowanym podwyższeniem potencjału przewodu neutralnego N albo przewodu ochronno-neutralnego PEN względem ziemi. Przełącznik zasilania powinien być usytuowany w takim miejscu układu instalacji, aby odbiory wymagające zasilania rezerwowego mogły być odłączone zarówno od sieci zewnętrznej, jak i od zespołu zasilania rezerwowego [3].

Układ chłodzenia i wentylacji

Silnik spalinowy, generator oraz układ wydechowy są źródłami ciepła mającymi wpływ na pracę i wydajność całego zespołu prądotwórczego. Wzrastająca temperatura w pomieszczeniu zespołu prądotwórczego stanowi zagrożenie dla zgromadzonego tam paliwa. Niekontrolowany wzrost temperatury ponad dopuszczalne wartości może spowodować samozapłon paliwa oraz uszkodzenie wyposażenia elektrycznego. W celu odprowadzenia nagrzanego powietrza i konieczności utrzymywania w pomieszczeniu odpowiedniej temperatury, konieczna jest wentylacja nawiewno-wywiewna. Powietrze chłodzące zasysane jest przez wentylator zamocowany na chłodnicy. Przekroje czerpni (wlotu) i wyrzutni (wylotu) muszą zapewniać swobodny przepływ powietrza do pomieszczenia i z pomieszczenia agregatorni. Orientacyjnie powierzchnia przekroju czerpni oraz wyrzutni powinny być większe o 50% od powierzchni wlotu chłodnicy. W celu sprawnego wyrzucania nagrzanego powietrza, agregatownia powinna być wyposażona w wentylator wyciągowy. Czerpnię i wyrzutnię należy chronić przed wpływami atmosferycznymi. W tym celu w otworach czerpni i wyrzutni instalowane są żaluzje sterowane automatycznie. Podczas gdy zespół prądotwórczy nie pracuje, żaluzje są zamknięte. Zostają one automatycznie otwarte z chwilą uruchomienia zespołu [2].

Wraz z otwarciem żaluzji czerpni i wyrzutni automatycznie muszą zostać uruchomione wentylatory nawiewne i wywiewne. W przypadku zespołów pracujących w trybie automatycznym, pomieszczenie agregatorni należy ogrzewać tak, aby utrzymywana była stała temperatura otoczenia wynosząca 10°C. Zaleca się instalowanie nagrzewnic elektrycznych wyposażonych w termostat, zasilanych z rozdzielnicy potrzeb własnych agregatorni, która jest zasilana z sieci elektroenergetycznej. Po uruchomieniu zespołu prądotwórczego układ automatyki samorozruchu oraz samozatrzymania przełącza zasilanie agregatorni na zasilanie z zespołu prądotwórczego z jednoczesnym odłączeniem zasilania nagrzewnic [2].

Podsumowanie

Artykuł nie jest gotową receptą na zasilanie gwarantowane. Zwraca on uwagę na pewne istotne problemy, które należy rozwiązać, aby zapewnić niezawodne zasilanie obiektu. Przy doborze zespołu prądotwórczego należy zwrócić również uwagę na rodzaj i moc zasilanych odbiorników, prąd znamionowy generatora oraz dopuszczalne przeciążenia. Ciekawym rozwiązaniem dla obiektów wymagających ciągłego zasilania jest zastosowanie dynamicznego systemu zasilania składającego się z zespołu prądotwórczego połączonego sprzęgłem z kinematycznym zasobnikiem energii.

Literatura

1. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną, COSiW SEP, Warszawa 2007
2. J. Wiatr, M. Orzechowski, Podstawy zasilania budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i innych obiektów nieprzemysłowych w energię elektryczną, Poradnik projektanta elektryka, DWM, Warszawa 2012,
3. E. Musiał, Problemy zasilania z zespołów spalinowo-elektrycznych, Konferencja „Automatyka, pomiary, zakłócenia” Jurata, 19-21 maja 2005 r.
4. K. Kuczyński, Możliwości zwiększenia niezawodności przy zastosowaniu zasilacza UPS, „elektro.info” 9/2017.
5. P. Piotrowski, Problematyka niezawodności zasilania gwarantowanego oraz systemu informatycznego w obiektach data center, „elektro.info” 12/2015.
6. https://uptimeinstitute.com

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!