Rozdzielnice średniego napięcia w centrach danych i projektach związanych z energią odnawialną

Dwie branże, jedna wspólna zależność

Centra danych i projekty dotyczące energii odnawialnej wydają się mieć niewiele wspólnego. Jednym z nich jest klimatyzowany budynek wypełniony szafami serwerowymi, w którym głównym wyjściem są informacje cyfrowe. Druga to rozległa instalacja zewnętrzna wystawiona na działanie czynników atmosferycznych, której głównym wyjściem jest energia elektryczna wprowadzana do sieci przesyłowej.

Jednak pod powierzchnią łączy je kluczowa zależność: rozdzielnica średniego napięcia, która działa bezbłędnie w warunkach pracy, które dziesięć lat temu uznano by za niezwykłe. Obie branże rozwijają się w niezwykłym tempie. Obie firmy stoją pod dużą presją dotyczącą terminów realizacji projektów i kosztów kapitałowych. Obydwa coraz częściej wybierają sprzęt niezawierający SF₆ – centra danych kierujące się zobowiązaniami przedsiębiorstw w zakresie zrównoważonego rozwoju, a projekty dotyczące energii odnawialnej opierają się na logice, że czyste wytwarzanie nie powinno zależeć od infrastruktury o wysokim współczynniku GWP.

W artykule szczegółowo zbadano wymagania dotyczące rozdzielnic średniego napięcia w tych dwóch sektorach. Nacisk położony jest na wymagania techniczne wpływające na wybór sprzętu, konfiguracje, które okazały się skuteczne, oraz wymagania dotyczące dokumentacji i zgodności, które zespoły zakupowe w obu branżach uważają obecnie za obowiązkowe.

Część pierwsza: Centra danych

Architektura elektryczna nowoczesnego centrum danych

Hiperskalowe centrum danych to zasadniczo obiekt do konwersji energii elektrycznej. Zasilanie dostarczane jest z sieci energetycznej pod wysokim lub średnim napięciem, przechodzi przez wiele etapów transformacji i ostatecznie dociera do szaf serwerowych przy niskim napięciu, co wiąże się z niezwykłymi wymaganiami w zakresie niezawodności. Branżowy standard dotyczący czasu sprawności — pięć dziewiątek, czyli dostępność na poziomie 99,999% — pozwala na nieco ponad pięć minut przestojów rocznie, obejmujących wszystkie zaplanowane prace konserwacyjne.

Rozdzielnica średniego napięciaznajduje się w krytycznym miejscu pomiędzy zasilaniem a wewnętrzną siecią dystrybucyjną centrum danych. W typowej architekturze linie zasilające o napięciu od 10 kV do 36 kV wchodzą do podstacji znajdującej się na miejscu obiektu, gdzie rozdzielnica średniego napięcia zapewnia ochronę pola zasilającego, zabezpieczenie pierwotne transformatora i przełączanie sekcji magistrali. Dodatkowa rozdzielnica średniego napięcia, znajdująca się dalej od tyłu, może obsługiwać duże agregaty chłodnicze, rozdzielnice wejściowe zasilaczy UPS i rozdzielnice pracy równoległej generatorów w systemach zasilania rezerwowego.

Rozdzielnica w tej architekturze musi spełniać jednocześnie kilka wymagających kryteriów. Musi być na tyle kompaktowy, aby zmieścić się w powierzchni budynku, który jest kosztowną nieruchomością. Musi być na tyle niezawodny, aby interwencje konserwacyjne były mierzone w godzinach na dekadę, a nie w godzinach rocznie. Musi także mieć możliwość integracji z systemem zarządzania budynkiem centrum danych i platformą monitorowania zasilania, dostarczając w czasie rzeczywistym dane na temat położenia przełączników, zdarzeń zabezpieczających i stanu sprzętu.

Dlaczego wyłączniki próżniowe są standardem

Wyłącznik próżniowy stał się domyślnym wyborem do przełączania średniego napięcia w centrach danych ze względów technicznych i operacyjnych.

Technicznie rzecz biorąc, przerywacz próżniowy gasi łuk wewnątrz szczelnej ceramicznej obudowy, w której nie ma nic do spalenia, zniszczenia ani wycieku. Brak gazu oznacza brak konserwacji związanej z gazem. W przypadku operatora centrum danych posiadającego obiekt, który może działać przez piętnaście lat bez większych przestojów, każdy sprzęt wymagający okresowej konserwacji stanowi odpowiedzialność. Wyłącznik próżniowy z mechanizmem napędowym klasy M2 wytrzymującym 10 000 operacji mechanicznych może służyć przez cały okres eksploatacji obiektu bez ani jednej interwencji konserwacyjnej na samym wyłączniku.

Pod względem operacyjnym wyłączniki próżniowe są dobrze dostosowane do profilu obciążenia centrum danych. Obciążenie centrum danych jest względnie stałe — serwery nie zatrzymują się i nie uruchamiają jak silniki przemysłowe — co oznacza, że ​​wytrzymałość elektryczna wyłącznika rzadko jest testowana przez częste przerwy spowodowane awarią. Podstawowym wymaganiem operacyjnym jest niezawodne przełączanie podczas planowanych transferów pomiędzy źródłami sieciowymi a generatorami, co jest wymagające mechanicznie, ale proste elektrycznie. Dobrze zaprojektowany mechanizm sprężynowy magazynujący energię może spełniać tę funkcję nieprzerwanie przez dziesięciolecia.

Konfiguracja wysuwna stosowana w rozdzielnicach z powłoką metalową, takich jak seria KYN28 lub KYN61, oferuje kolejną zaletę dla centrów danych: wyłącznik można wysunąć do pozycji testowej lub izolowanej w celu kontroli bez odłączania zasilania całej magistrali. W obiekcie, w którym koszty przestojów mogą przekraczać 100 000 dolarów na minutę, sama ta cecha łatwości konserwacji może uzasadnić specyfikację rozdzielnicy.

Przejście na produkty wolne od SF₆ w sektorze centrów danych

Operatorzy centrów danych stali się jednymi z najbardziej wpływowych zwolenników rozdzielnic niezawierających SF₆, a ich motywacją nie jest przede wszystkim zgodność z przepisami. Wielu największych operatorów – w tym dostawcy chmur hiperskalowych – podjęło publiczne zobowiązania mające na celu osiągnięcie neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla lub zerowej emisji netto w ciągu tej dekady. SF₆, którego potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest 24 300 razy większy niż CO₂, stanowi bezpośrednią sprzeczność z tymi zobowiązaniami, jeśli występuje w infrastrukturze elektrycznej każdego nowego obiektu.

Pojedynczy panel RMU lub GIS średniego napięcia zawierający kilka kilogramów SF₆ sam w sobie nie stanowi dużej części śladu węglowego centrum danych. Jednak duzi operatorzy budują dziesiątki obiektów rocznie, z których każdy zawiera wiele rozdzielnic. Skumulowany zapas SF₆ w całym globalnym portfelu można mierzyć w tonach. Wskaźniki wycieków są niskie, ale nie zerowe, a czas życia SF₆ w atmosferze oznacza, że ​​każdy wyemitowany gram pozostaje w atmosferze przez ponad trzy tysiące lat.

Z tego powodu specyfikacje przetargowe dla centrów danych rutynowo uwzględniają obecnie „niezawierające SF₆” jako obowiązkowy wymógrozdzielnica średniego napięcia. Wymóg pojawia się nie tylko na rynkach europejskich, gdzie ramy prawne zapewnia unijne rozporządzenie w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych, ale także w Ameryce Północnej i regionie Azji i Pacyfiku. Dla producentów rozdzielnic rynek centrów danych stał się potężnym komercyjnym czynnikiem napędzającym rozwój produktów niezawierających SF₆ – być może najpotężniejszym poza sektorem użyteczności publicznej.

COTENELE dostarcza jednostki główne 24 kV wolne od SF₆ z pierścieniem i panele wyłączników próżniowych do projektów centrów danych, z izolacją suchego powietrza i certyfikatem testu typu zgodnie z IEC 62271-200. Szczelnie zamknięty zbiornik ze stali nierdzewnej eliminuje monitorowanie, uzupełnianie i odzyskiwanie gazów po zakończeniu eksploatacji z procedur operacyjnych obiektu. Dla operatora centrum danych oznacza to o jeden system mniej do śledzenia, o jedną umowę serwisową mniej do zarządzania i o jeden element mniej do wyjaśnienia w audycie ESG.

Część druga: Projekty dotyczące energii odnawialnej

Sieci kolektorów farm wiatrowych

Farma wiatrowa charakteryzuje się zasadniczo odmiennym środowiskiem elektrycznym niż centrum danych czy zakład przemysłowy. Poszczególne generatory turbin wiatrowych, zwykle o mocy od 2 MW do 8 MW każdy, są rozproszone na obszarze geograficznym, który może obejmować dziesiątki kilometrów kwadratowych. Każda turbina generuje niskie napięcie – zwykle 690 V lub 1000 V – i zwiększa je do średniego napięcia poprzez transformator zamontowany na podkładce u podstawy wieży. Kable średniego napięcia, zwykle o napięciu 33 kV lub 36 kV, biegną od każdej turbiny do centralnej podstacji kolektorowej, gdzie moc jest agregowana i ponownie zwiększana w celu przesyłania.

Rozdzielnica w podstacji kolektorowej musi wykonywać szereg zadań, których nie da się w pełni odtworzyć w żadnym innym zastosowaniu. Wyłączniki zabezpieczające każdy podajnik kolektora podlegają częstym operacjom przełączania, gdy turbiny uruchamiają się i zatrzymują w odpowiedzi na warunki wiatrowe. Udział prądu zwarciowego pochodzącego z turbin wiatrowych opartych na inwerterach zasadniczo różni się od prądu zwarciowego maszyny synchronicznej — ma mniejszą wartość, szybciej zanika, a czasami konwencjonalne przekaźniki zabezpieczające mają trudności z odróżnieniem od normalnego prądu obciążenia. Sama podstacja często znajduje się w odległej lokalizacji, gdzie wizyty konserwacyjne są drogie, zależne od pogody, a czasami w miesiącach zimowych niemożliwe przez kilka tygodni.

Wyłączniki próżniowe są dobrze dostosowane do tego środowiska. Wysoka wytrzymałość mechaniczna nowoczesnego wyłącznika VCB pozwala na częste przełączanie bez degradacji styków. Przerywacz próżniowy jest obojętny na źródło prądu zwarciowego, który musi przerwać — niezależnie od tego, czy pochodzi z generatora synchronicznego, czy z źródła opartego na falowniku, fizyka gaszenia łuku jest taka sama. A szczelna na całe życie konstrukcja nowoczesnego VCB oznacza, że ​​technik zajmujący się konserwacją nie ma niczego, co mógłby sprawdzić wewnątrz przerywacza, nawet gdyby mógł dotrzeć na miejsce.

Systemy fotowoltaiczne i systemy magazynowania energii

Instalacje fotowoltaiczne na skalę użytkową mają pewne cechy wspólne z farmami wiatrowymi – wytwarzanie w oparciu o falowniki, rozproszenie geograficzne, częste przełączanie w miarę zmian natężenia promieniowania – ale dodają własne złożoności. Elektrownie słoneczne zazwyczaj działają przy niższym napięciu niż farmy wiatrowe: system gromadzenia średniego napięcia może mieć napięcie 12 kV lub 24 kV zamiast 33 kV lub 36 kV. Strona DC instalacji, od modułów, poprzez skrzynki połączeniowe, aż do wejścia falownika, pracuje przy napięciach do 1500 V DC i wymaga całkowicie oddzielnego zestawu urządzeń zabezpieczających i izolujących.

Rosnąca kolokacja systemów magazynowania energii akumulatorów z wytwarzaniem energii słonecznej stwarza kolejny poziom wymagań dotyczących rozdzielnic. System magazynowania energii akumulatorowej może być ładowany z sieci lub z układu fotowoltaicznego i w razie potrzeby rozładowywany z powrotem do sieci, co oznacza, że ​​rozdzielnica średniego napięcia w punkcie połączenia musi obsługiwać dwukierunkowy przepływ mocy. Ustawienia zabezpieczeń muszą uwzględniać udział prądu zwarciowego z falowników akumulatorowych, który może być znaczny i szybko rosnący. A obowiązek przełączania wyłączników dalej wzrasta, a liczba cykli ładowania i rozładowania dziennie zwiększa liczbę operacji mechanicznych.

Warstwa zgodności i dokumentacji

Projekty dotyczące energii odnawialnej, szczególnie te opracowywane przez niezależnych międzynarodowych producentów energii lub finansowane przez wielostronne banki rozwoju, podlegają obecnie wymogom dokumentacyjnym porównywalnym do przetargów na przedsiębiorstwa użyteczności publicznej. Zestaw rozdzielnicy średniego napięcia dla farmy wiatrowej lub elektrowni słonecznej będzie zazwyczaj wymagał certyfikatów badania typu IEC dla każdego wyłącznika i RMU, raportów z rutynowych testów przeprowadzanych w fabryce, deklaracji zgodności z obowiązującymi przepisami ochrony środowiska oraz listy referencyjnej wykazującej wcześniejszą dostawę podobnego sprzętu.

Powód jest prosty: finansowanie projektu. Kredytodawcy i inwestorzy, którzy zapewniają kapitał na projekty dotyczące energii odnawialnej, przeprowadzają analizę techniczną każdego większego pakietu sprzętu. Jeżeli dostawca rozdzielnicy nie będzie w stanie dostarczyć pełnej dokumentacji, projekt może napotkać opóźnienia w osiągnięciu zamknięcia finansowego. Jest to ryzyko, które deweloperzy traktują bardzo poważnie.

COTENELE dostarcza rozdzielnice średniego napięcia do projektów związanych z energią odnawialną z pełnym pakietem dokumentacji zawartym w standardzie. Certyfikaty badań typu, raporty z badań rutynowych i deklaracje zgodności dostarczane są na etapie przetargu, a nie po złożeniu zamówienia. W przypadku projektów w Europie obejmuje to dokumentację wykazującą zgodność z rozporządzeniem UE w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych. W przypadku projektów w innych regionach pakiet dostosowywany jest do lokalnych wymagań.

Nakładanie się technologii: czego potrzebują oba sektory

Pomimo różnic centra danych i projekty dotyczące energii odnawialnej mają wspólny zestaw wymagań dotyczących rozdzielnic. Identyfikacja tego nakładania się pomaga wyjaśnić, dlaczego określone technologie i konfiguracje stały się dominujące na obu rynkach.

Kompaktowy ślad. Centra danych cenią każdy metr kwadratowy wolnej przestrzeni. Podstacje kolektorów energii odnawialnej często znajdują się na lądzie o ograniczonej dostępnej powierzchni. W obu sektorach określono rozdzielnice, które minimalizują rozmiary fizyczne bez utrudniania dostępu w celu konserwacji. Jest to jeden z powodów, dla których rozdzielnice wysuwne w obudowach metalowych i moduły RMU niezawierające SF₆ zyskały na popularności — mieszczą one znaczną funkcjonalność w kompaktowej obudowie.

Niezawodność bez częstej konserwacji. Centra danych nie mogą sobie pozwolić na przestoje. Farm wiatrowych nie stać na wysyłanie co miesiąc technika do odległej podstacji. Wyłączniki próżniowe z przerywaczami uszczelnionymi na cały okres eksploatacji oraz jednostki RMU z uszczelnionymi zbiornikami gazu bezpośrednio odpowiadają na ten wymóg.

Jako wartość bazowa nie zawiera SF₆. W przypadku centrów danych czynnikiem napędzającym są zobowiązania korporacyjne dotyczące zrównoważonego rozwoju. W przypadku projektów dotyczących energii odnawialnej przyczyną jest niestosowność wykorzystania gazu o wysokim współczynniku GWP w istniejącej infrastrukturze do produkcji czystej energii. Obydwa spełniają te same wymagania specyfikacji.

Integracja cyfrowa. Centra danych jako pierwsze wprowadziły inteligentne rozdzielnice z komunikacją IEC 61850, kierując się potrzebą zintegrowania monitorowania elektrycznego z systemem zarządzania budynkiem. Projekty dotyczące energii odnawialnej rozwijają się szybko, napędzane potrzebą zdalnego monitorowania obiektów bezzałogowych. W obu przypadkach rozdzielnica, która może raportować swój stan, rejestrować operacje przełączania i zapewniać wczesne ostrzeganie o pojawiających się problemach, zmniejsza koszty operacyjne i ryzyko.

Kompletna dokumentacja. W obu sektorach dominują wyrafinowani nabywcy – operatorzy hiperskalowych centrów danych, międzynarodowi deweloperzy zajmujący się energią odnawialną, fundusze infrastrukturalne – którzy traktują dokumentację jako wymóg strażnika. Jeśli dokumenty nie są kompletne, sprzęt nie jest brany pod uwagę. Faworyzuje to producentów, którzy zainwestowali w badania typu przeprowadzane przez strony trzecie i którzy utrzymują zorganizowane systemy dokumentacji.

Wybór rozdzielnicy do tych zastosowań: rozważania praktyczne

W przypadku inżynierów projektu i zespołów zakupowych pracujących w obu sektorach przy wyborze rozdzielnicy powinno kierować się kilkoma względami praktycznymi.

Zacznij od napięcia i poziomu zwarcia, ale na tym nie poprzestań. Minimalne kryteria wejścia to napięcie znamionowe i zdolność wyłączania zwarć. Oprócz nich należy ocenić wytrzymałość mechaniczną, wymagania konserwacyjne w całym okresie realizacji projektu oraz dostępność lokalnego wsparcia serwisowego.

Zweryfikuj testowanie typu dla konkretnej konfiguracji. Producent mógł przeprowadzić badanie typu modułu standardowego, ale nie konkretnej kombinacji modułów wymaganej dla schematu jednokreskowego. Potwierdzić, że przetestowano dokładną konfigurację lub że producent może przedstawić uzasadnienie techniczne rozszerzenia zakresu badania typu.

Zapytaj o dokumentację przed złożeniem zamówienia. Jeśli dostawca nie może dostarczyć certyfikatów badania typu, wzorów raportów z badań rutynowych i deklaracji zgodności na etapie przetargu, jest mało prawdopodobne, że przedstawi je niezwłocznie po złożeniu zamówienia. Opóźnienia w dokumentacji mogą wstrzymywać finansowanie i oddanie projektu do użytku, a czas na ich wykrycie przypada przed przyznaniem kontraktu.

Weź pod uwagę całkowity koszt cyklu życia, a nie tylko cenę zakupu. W przypadku centrum danych, którego żywotność projektowana jest na 15 lat, koszt pojedynczego nieplanowanego przestoju przewyższa jakąkolwiek różnicę w cenie zakupu rozdzielnicy. W przypadku farmy wiatrowej składającej się z 50 turbin rozmieszczonych na terenie górskim koszt wysłania technika w celu sprawdzenia wyłącznika przewyższa oszczędności wynikające z wyboru produktu o niższych specyfikacjach. Rozdzielnica stanowi niewielki ułamek całkowitego kosztu inwestycyjnego projektu, ale dużą część wyposażenia, które może spowodować katastrofalną awarię. To nie jest miejsce na optymalizację pod kątem najniższej ceny początkowej.

Wniosek

Centra danych i projekty związane z energią odnawialną to dwa najszybciej rozwijające się segmenty światowego rynku rozdzielnic średniego napięcia. Są to również segmenty, w których najszybciej postępuje przejście na zrównoważony, zintegrowany cyfrowo sprzęt niezawierający SF₆.

Technologie rozdzielnic, które dobrze obsługują te rynki — przerywanie próżni, suche powietrze i izolacja stała, konfiguracje wysuwne o dużej wytrzymałości mechanicznej, zintegrowane monitorowanie stanu z komunikacją zgodnie z normą IEC 61850 — to te same technologie, które będą definiować szerszą branżę rozdzielnic w ciągu następnej dekady. Doświadczenia zdobyte w zastosowaniach związanych z centrami danych i energią odnawialną kształtują rozwój produktów we wszystkich segmentach rynku.

Dla COTENELE obsługa tych sektorów oznacza dostarczanie RMU i paneli wyłączników próżniowych 24 kV wolnych od SF₆, które przeszły badania typu, posiadają kompletną dokumentację i są produkowane seryjnie. Oznacza to zrozumienie, że zespół ds. zakupów centrum danych i deweloper farmy wiatrowej posługują się różnymi językami technicznymi, ale mają te same podstawowe wymagania: sprzęt, który działa niezawodnie przez dziesięciolecia, przy minimalnej interwencji i bez ponoszenia odpowiedzialności za środowisko. Nasza oferta produktów i systemy dokumentacji są odpowiednio zbudowane.

Szukasz rozdzielnicy średniego napięcia do swojego następnego projektu?

COTENELE dostarcza wyłączniki próżniowe od 12 kV do 40,5 kV, jednostki główne z pierścieniem niezawierającym SF₆ i kompletną rozdzielnicę w obudowie metalowej do zastosowań w centrach danych, energii odnawialnej, użyteczności publicznej i przemyśle. Wszystkie produkty przechodzą badania typu zgodnie z obowiązującymi normami IEC, a pełna dokumentacja jest dostarczana na etapie przetargu.

O COTENELE

COTENELE jest wyspecjalizowanym producentem rozdzielnic średniego napięcia, w tym ekologicznych rozdzielnic w izolacji gazowej niezawierających SF₆, wyłączników próżniowych, głównych jednostek pierścieniowych i paneli platerowanych metalem do zastosowań od 12 kV do 40,5 kV. Nasze produkty służą operatorom centrów danych, deweloperom zajmującym się energią odnawialną, przedsiębiorstwom użyteczności publicznej i nabywcom przemysłowym w Europie, Azji i na Bliskim Wschodzie. Każdy produkt poddawany jest testom typu zgodnie z obowiązującymi normami IEC, a kompletna dokumentacja jest dostarczana na potrzeby składania ofert i realizacji projektu.