开关设备对于数据中心正常运行时间的重要性,开关设备数据中心

在支持数据中心正常运行的所有电气和系统组件中,开关设备通常不被人重视,隐藏在数据中心设施的角落中。但是,如今数字化的快速发展正在改变开关设备的重要性,数据中心设施管理人员必须注意开关设备发挥的重要作用。

随着企业利用移动计算、物联网(IoT)等其他力量产生的海量数据来推动竞争优势,数据中心的作用从未如此重要,因为系统正常运行时间对业务成功越来越重要。业务中断不仅会影响生产力,还会造成重大的财务和声誉损失,影响市场地位。

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虽然发电机在发生短时间的电力干扰的情况下提供备用电源,但是最佳的设备正常运行时间需要可靠的配电系统,其中开关设备是最重要的。开关设备由用于控制、保护和隔离电气设备的电气隔离开关、保险丝和断路器组成,这与电力供应的可靠性直接相关,为整个数据中心设施供电。在很多情况下,电网和柴油发电机的电源都是通过并由开关设备控制的。因此,开关设备的停机时间意味着就是数据中心的停机时间。

开关设备的重要性日益突出

从历史上看,尤其是在数据中心领域中,开关设备主要提供短路保护功能,使其成为整个设施基础设施中相对被动的部分。设备管理人员只有在发生故障时才与设备进行交互,这种情况很少发生。但这些正式在变化。

随着数据消费的爆炸性增长以及数据中心的物理和计算规模的扩大(美国在超大规模数据中心的数量领先世界),对主动式能源保护和电气可靠性的需求也越来越强烈,这使得整个数据中心(包括开关设备)变得更具互动性和适应性。随着自动转换能力等新技术的进步,开关设备可以(而且必须)处理更多的电气操作,并在被要求操作时必须成功运行。例如,当恶劣天气导致电力设施停电时,开关设备负责自动重新配置配电线路以从电网切换到辅助的电力来源,即发电机。

那么,有着巨大的权力就需要承担巨大的责任。但是这种模式转变是困难的。在传统上使用开关设备很少,如果有的话,许多数据中心设施管工作人员可能没有意识到或解决设备转换的重要性。随着美国数据中心设施基础设施迅速老化,业务预算紧缩,员工和支持人数减少,正在进行的开关设备维护工作正在推迟,使电网的性能面临着一定的风险。这可能会造成在整个数据中心设施中出现故障、中断或电弧闪光问题的可能性。

维护的必要性

由于电气开关设备通常被认为是一个低维护量的产品,它通常是配电系统中最容易被忽视的部件。但是,与任何人工制造的设备一样,开关设备也面临一定的操作限制,需要定期维护以避免故障。就像人们为汽车或飞机提供服务一样,开关设备也必须得到维护,其使用周期与其环境成正比,以及如何处理。

巨大的电能不仅能够通过,而且还可以通过开关设备进行有效的路由和重新路由。这会给电气部件带来压力,特别是在环境不理想的情况下,例如当温度超出最佳性能区域、空气质量差或设备暴露在过度潮湿的环境中(值得注意的是,尽管数据中心内的机架和服务器环境受到严格管制,开关设备通常位于数据中心设施的其他部分,通常不具有相同的环境控制水平)。根据开关设备的类型,一些技术可能更容易受到环境的影响(空气绝缘开关最容易受到影响,惰性气体绝缘和屏蔽固体绝缘开关受到的影响最少)。

在制定开关设备维护计划时,首先要确定维修包括哪些内容:设备周围的环境和设备的职责。典型的问题包括:

  • 是否有空气污染物?
  • 是否有腐蚀性环境?
  • 是否有啮齿动物进入的可能性?
  • 温度和湿度是否符合要求?
  • 开关切换有多频繁?
  • 设备上的电流是多少?与设备的额定值有多接近?
  • 正在切换什么水平的电流?

开关设备创新提高可靠性、节省时间和费用

随着行业的不断发展,成功的企业应将开关设备视为竞争优势,使其能够提供最高水平的电力可用性,同时节省时间和费用。

最近在开关设计方面的创新使数据中心人员能够安装和运行具有持续性能和较低风险的中压网络。例如,在美国引入屏蔽式固体绝缘开关设备(2SIS)技术带来了前所未有的可靠性和安全性,通过将固体材料封装在一个屏蔽绝缘的主要电路部件提供保护以防止内部电弧。这种设计大大减少对系统的损害的可能性,保护带电导体免受可能导致故障的灰尘、水分、湿度和其他环境因素的影响,降低了维护人员触电、弧闪危险、电弧放电危险的风险。

设备成本也是一个关键因素,可以通过承诺采用更新的设备来弥补。现代的基础设施允许使用更小的设备,从而能够在较小的空间内提供相同的功率。现代化技术也是高度模块化的,需要较少的维护和不太复杂的维护,大大降低了相关成本。此外,在更换电力基础设施的同时,可以评估增加配电电压,这也大大节省了成本(减少电缆尺寸、减少电缆长度、减少导管/托盘、减少安装的工作量)。

结论

数据中心内的任何配电和备用系统中,开关设备往往是价值最受低估的组件。但是,随着老化的电气设备需要维护,将重要的数据中心性能置于风险之中,数据中心设施管理人员是否真的能够忽略这个经常被忽视的组件,以确保正常运行时间?

数据中心电力故障的影响可能会以多种方式使企业付出代价,虽然不间断电源(UPS)和发电机等备用系统在需要关闭主电源或发生单点故障时提供备用电源,但现代开关设备是一个可靠的电力网络的核心和灵魂,必须妥善维护。

在支持数据中心正常运行的所有电气和系统组件中,开关设备通常不被人…

2016年,美国宣布投资9亿美元用于恢复输电网络。目前,北美市场已拥有更换旧装置和电网升级的市场。容量提高和海上风电场兴起预计将推动市场增长。2015年,埃及的电网基础设施建设带动了开关设备市场增长。2017年,针对非洲电力基础设施发展,世界银行宣布投资2320万美元。

一些UPS型号有内部反馈保护作为标准,但其他UPS型号则没有。在某些情况下,来自同一家供应商的不同UPS型号产品是否具备内部设备会根据版本的不同而变化。因此,在选择UPS产品,并验证是否必须将反馈保护装置安装到UPS电源中时,必须小心留意。

2015年6月15日——得益于我国数据中心产业的高速发展,ABB在华数据中心业务增长强劲。ABB通过领先的电力和自动化产品与解决方案为金融、信息技术和电信等领域数据中心的安全、高效和可靠运行保驾护航。随着国民经济发展和信息化的推进,各行各业对数据中心的需求持续快速增长。稳定可靠的电力供应对数据中心实现安全可靠运行至关重要,一旦供电中断,将会造成大范围金融消费支付结算混乱、数据丢失等灾难性后果。据统计,数据中心断电1小时给企业造成的损失可高达100万美元以上。
在金融领域,仅从2014年至今,ABB就参与了太平洋保险、平安保险、中国建设银行等大型机构的数据中心建设。在高达600米的深圳平安金融中心,ABB提供了近500台MNS3.0后出线低压开关柜;在四川,ABB为太平洋保险成都后援中心提供了包含MNS3.0后出线低压开关柜、配电箱、MNS
iPDU精密配电柜在内的一系列低压开关设备、以及60多台中压开关柜和近20台变压器。ABB
MNS3.0低压开关柜是适用于户内安装的组合式开关柜系列产品,具有极高安全性和可靠性,使用寿命长达40年。其出众的防电弧设计及采用的特殊材料能最大程度地杜绝故障电弧发生;设备设计结构紧凑,可满足抗地震和抗冲击的要求;此外,设备本身采用环保材料制造,在生产和使用中不产生有害气体和物质。ABB还为亚洲最大的金融数据中心之一——位于武汉的占地约20万平方米的中国建设银行总行数据中心——提供多台10千伏UniGear
ZS1空气绝缘一次开关柜。与同配置的中压开关柜相比较,UniGear
ZS1可以节省高达30%的空间,其完善的防护设计可使ABB真空断路器免受灰尘、水分和其他外部损伤的影响。过去五年,ABB为在华数据中心提供了超过1000台UniGear
ZS1开关柜。在信息技术领域,ABB为客户的云计算数据中心提供可靠的电力保障。云计算或者“云”主要依赖资源共享来实现数据一致性和规模经济效益。同数字设备一样,“云”也需要安全、高效、可靠的电力供应,供电的中断或波动将会导致数据丢失等严重后果。在浙江省淳安县,ABB为作为千岛湖云计算数据中心重要组成部分的华硕数据中心提供了iUniGear中压智能化整体解决方案。iUniGear开关柜是ABB中压系统最安全、可靠的开关柜之一,其先进设计理念配合高品质的零部件,在实现监测需求的同时,不改变设备本体的结构及可靠性。同时,其“监测—分析—主动预防—排除风险”的流程可极大降低非预期停电的概率,提高电力供应质量,让客户投资得到回报。千岛湖云数据中心机房总面积26000平米,规划机柜3500个,利用水源热泵空调系统实现制冷。该数据中心利用千岛湖35米以下恒温冷水帮助实现制冷系统近似
“零”能耗。结合高效供电方式,这一节能创新使数据中心效率达到1.25这一国际先进节能水平。在电信领域,除产品和设备外,ABB为数据中心提供软件和一体化的解决方案。例如,在无锡和苏州,ABB为电信运营商提供数据中心基础设施管理系统,通过灵活管理电力、制冷和IT等设备帮助客户提高效率。近年来,ABB在数据中心业务方面的突破还包括:为数据中心的发电机组提供涡轮增压系统,大幅提升机组效率并降低能耗;基于ABB电气小屋解决方案开发出数据中心集装箱解决方案,帮助客户对数据中心配电实现模块化管理。作为数据中心领域的全球领导企业,ABB通过完整智能的数据中心解决方案,为客户的基础设施关键部件提供电力、监控服务及实现智能化。从交流、直流配电系统到电网连接、数据中心基础设施管理解决方案和模块化不间断电源系统,再到本地化项目管理和服务,ABB利用在基础设施关键应用上的成功经验帮助客户打造稳定可靠、绿色节能的数据中心。ABB位列全球500强,是电力和自动化技术领域的领导企业。ABB致力于帮助电力、工业、交通和基础设施等领域客户提高业绩,同时降低对环境的影响。ABB集团业务遍布全球近100个国家,拥有14万名员工。ABB在中国拥有研发、制造、销售和工程服务等全方位的业务活动,员工1.9万名,拥有39家本地企业和遍布全国126个城市的销售与服务网络。

随着采用独立能源系统和可再生能源一体化的鼓励性政府举措,英国开关设备市场将保持强劲增长。英国国家电网公布了全国电网和管网的发展,将刺激开关设备市场的增长。

或者

亚太地区在开关设备市场占主导地位。2016年亚太地区是最有吸引力的开关设备市场。亚太地区,中国和印度等国家的输配电线路数量增加起决定性作用。该地区的发展中国家正在努力加强电力系统,加大投资提高电压水平以连接边远地区。中国正在部署大型电力基础设施和新的输配电线路。

反向馈电保护是由《IEC 62040-1:2008不间断电源系统(UPS)
标准》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》所规定的。该标准也是欧洲规范,并规定了带有法律强制性要求,以确保UPS安装过程中维修人员的安全。该标准允许反向馈电保护的两种替代方案;在UPS内安装一款内部反向馈电隔离装置,或安装外部输入线路隔离装置,只在UPS内部执行反馈检测和控制,同时在安全标准描述的相关开关设备中需要警告标签。当输入电源丢失时,反馈保护装置必须在15秒内通过分离的方式将电源中任何永久连接的UPS的输出隔离,以防止在上游导致可能的危险电压。请注意,
“反馈”这一术语和本文中涉及到的人员安全和危险电压或能量要求,并不是有时被误认为的反向功率流。

参与全球开关设备市场的一些主要参与者包括ABB,Crompton
Greaves,拉森特博洛,施耐德电气,西门子,通用电气,伊顿,三菱电机,东芝,巴拉特重型电气,Hubbell电力系统,
德国威图,明电舍公司和欧玛嘉宝。

【编辑推荐】

在现代电力系统网络中,开关设备保护从发电到配电端的整个过程中发挥重要作用。电力系统中,开关设备包括电气开关,保险丝或断路器来控制保护和绝缘电气设备。开关设备的运送、接通和断开正常负载电流的功能和似,并且还具有清除故障的功能。用于控制电门和保护设备及电路的装置被称为开关设备。除此之外,开关设备还提供计量和调节电力系统各种参数的服务。这种设备与电力供应的可靠性直接相关。

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该标准还要求每个旁路电路必须在可用故障电流水平下保持独立安全。假设所有电路都将共享故障电流,则不能在系统级别评估安全性,因为在维修活动和调试期间或者系统的某些部件出现故障或不运行时,产品和人员的安全也必须得到保证。换句话说,并联更多的UPS单元或静态开关不会降低对各个静态开关或UPS单元的要求

作为法律要求,UPS的安装必须满足人员和基础设施的安全要求。然而,很少有人意识到UPS产品特定的安全要求,造成了这些方面可能被忽视的风险。

图6:如上所述,UPS的耐受额定电流适用于UPS静态旁路电路,无论是在UPS内还是作为集中式系统级旁路。如果这是UPS(系统)的组成部分,它也适用于机械旁路。通常使用外部维护旁路;如果是这样的话,其必须遵循低压开关设备要求。

这是非常真实的,但有很多因素要考虑。这些因素包括组件通常如何发生故障失败,其在系统中如何使用以及可能的影响。

如果外部连接的反馈保护装置在存储能量模式下工作,则可能会受到来自UPS的危险电压的影响。为了让维修人员知晓这种风险,UPS产品安全标准要求用户在UPS和外部反馈保护装置之间的所有开关设备接入点和开关设备上均需明确标示警告标签。

为了降低安全相关要求中的错误风险,指定和使用具有内部SCPD并且具有高故障电流水平的,经过了实验室测试的产品可能是有益的。市场上有具备内部SCPD且高达100
kA额定值的UPS产品。这些超出了标准的最低要求,并且允许它们在几乎任何安装中使用,对于第一天安装使用或之后的变更的供电没有特殊要求。这样,作为产品技术专家的UPS供应商们将通过在产品中内置安全和验证的设计来保护自己。他将放心,产品和安装符合了所有法律监管的强制性要求。

并联系统的静态旁路线路具有冗余性,因为一个静态旁路故障不会阻止其他旁路线路的运行。在冗余并行系统中,静态旁路故障不会以任何方式影响系统的旁路能力;然而,在容量并行系统中,旁路容量将略有降低。

图2:IEC
62040-1:2008中所述的警告标签,与外部反馈保护装置以及在永久连接的UPS上游使用四极开关时一起使用。

e)导体不得从其终端连接器拔出,不得损坏导体或导体绝缘体

并联UPS系统中的反馈保护

SBM与UPS的内部旁路开关一样,包括反并联连接的晶闸管。因此,服务人员存在相同的安全隐患,可能会发生类似的故障机制;因此,反馈保护对于集中式旁路系统同样重要,也是强制性的要求。在并联UPS系统中,内部反馈保护意味着分布式旁路系统中的每个静态开关都包括反馈接触器,因此可以保持配置冗余。相比之下,具有外部反馈接触器通常意味着仅为多个静态开关安装一个接触器,因此其中一个开关的故障或将导致连接到公共反馈接触器的所有静态旁路线路的全部损失。在一些模块化UPS设计中使用了类似的实施方案,其中一个反馈电源接触器用于多个或所有静态开关。对系统冗余和弹性的影响可能更大。

当使用条件短路电流ICC额定值时,通过短路保护装置(SCPD)(通常为保险丝)将故障电流降低到UPS内部电路和组件的安全水平。
SCPD可以是UPS的内部部分,也可以是UPS的上游电源中的外部。

文章中还探讨了必须防止静态开关故障引起的反向馈电电流;借助现代UPS系统减轻这些现象,以及过载条件,特别是阶跃变化,以及整流器电流限制。文中还涉及到相关的国际安全立法。在正常运行、维护期间及发生故障的不同条件下的UPS操作的详细考虑因素;系统的可用性和对关键负载的保护及安全性的影响将凸显在开始任何新的UPS安装或升级之前,咨询经验丰富的UPS供应商的可行性。

UPS在UPS系统中并联,以获得更高的可用性或更大的容量。图4显示了具有内部反向馈电接触器K5的分布式旁路配置的并联UPS系统。

在标准中给出了故障电流水平的最低要求,但这些要求可以略低于实际安装中通常所见,特别是在较大的UPS单元内。无论如何,UPS供应商可以宣称比所需数字更高的数字;从应用程序的角度来看,这些也是可取的。

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