Расчет мощности главного выключателя и автоматического переключателя (ATS) для системы электропитания модульного центра обработки данных

Почему важно правильно подобрать размеры главного выключателя и автоматического переключателя (ATS)

Когда вы планируете модульный центр обработки данных, первым фактором, который может стать «узким местом», является входящее сетевое напряжение. Если неправильно подобрать размеры главного выключателя и автоматического переключателя (ATS), вы столкнетесь с ложными срабатываниями, падениями напряжения или даже опасностью возникновения дугового разряда, которые приведут к остановке всего объекта. В этой статье подробно рассмотрены ключевые решения — расчет нагрузки, номинальные характеристики выключателей, режимы переключения и испытания — чтобы вы могли спроектировать ввод сетевого питания, соответствующий вашим потребностям в мощности и целям по обеспечению бесперебойной работы.

Начните с общей подключенной нагрузки и темпов роста

Первым шагом при расчете мощности главного распределительного щита и автоматического переключателя (ATS) является расчет общей подключенной нагрузки вашего модульного центра обработки данных. Это означает суммирование мощности ИТ-оборудования, систем охлаждения, потерь в ИБП, освещения и любых вспомогательных нагрузок. Не забывайте, что модульные системы часто расширяются поэтапно — вы можете начать с ИТ-нагрузки в 200 кВт, но планируете удвоить её через два года. Вводной кабель должен быть рассчитан на конечную конфигурацию, а не только на первую фазу.

Распространенный подход заключается в использовании номинальных значений, указанных на паспортных табличках всего оборудования, с последующим применением коэффициента нагрузки. Для ИТ-нагрузок коэффициент нагрузки часто равен 1,0, поскольку серверы могут работать с полной нагрузкой. Для систем охлаждения можно использовать коэффициент 0,8 или 0,9 в зависимости от уровня резервирования. Добавьте запас в 15–20% на будущее расширение и на непредвиденные ситуации, такие как гармонические токи или провалы напряжения. Именно этот запас избавит вас от необходимости перепрокладывать кабели на входе через год.

Понимание мощности инженерных сетей и ввода в дом

Прежде чем выбрать автоматический выключатель, необходимо выяснить, какие параметры может фактически обеспечить энергоснабжающая компания. Проверьте доступный ток замыкания, уровень напряжения (например, 480 В или 13,8 кВ) и максимальную мощность в кВА на вашем объекте. Энергоснабжающая организация укажет конфигурацию ввода электросети — чаще всего это наземный трансформатор и главный отключатель. Этот отключатель является вашим главным сетевым выключателем, и его номинальные характеристики должны быть согласованы с трансформатором и последующим автоматическим переключателем (ATS).

Во многих модульных центрах обработки данных электросеть питает главный распределительный щит, в котором установлены главный автоматический выключатель и автоматический переключатель источников питания (ATS). Затем ATS питает ИБП и механические нагрузки. Если у вас имеется двойное подключение к электросети, вам понадобятся два главных выключателя и соединительный выключатель либо один АТС с двумя источниками питания. В любом случае номинальные характеристики должны соответствовать максимальной потребляемой мощности и доступному току короткого замыкания.

Расчет мощности главного выключателя и автоматического переключателя (ATS): автоматические выключатели и номинальные параметры

При расчете мощности главного выключателя и автоматического переключателя (ATS) следует учитывать не только допустимую нагрузку. Необходимо также принимать во внимание предельный ток отключения выключателя, который должен превышать величину тока замыкания на вводе. Например, если энергоснабжающая организация указывает, что ток замыкания составляет 65 кА при напряжении 480 В, то номинальная отключающая способность вашего главного автоматического выключателя должна быть не менее 65 кА — зачастую она составляет 100 кА с учётом запаса прочности.

Для определения номинального значения постоянного тока необходимо рассчитать ожидаемый ток при полной нагрузке, а затем подобрать автоматический выключатель, рассчитанный как минимум на 125% от этого значения, в соответствии с Национальным электротехническим кодексом (NEC) для постоянных нагрузок. Таким образом, если ваша общая нагрузка составляет 800 кВА при напряжении 480 В в трехфазной сети, тоток полной нагрузки составляет около 962 А. Вам потребуется главный автоматический выключатель с номинальным током не менее 1200 А. Автоматический переключатель (ATS) должен иметь такой же или более высокий номинальный ток, а также должен быть сертифицирован для данного типа нагрузки — резистивной, индуктивной или электронной.

Не забывайте о нейтрали и заземлении. В трёхфазной системе расчётная нагрузка на нейтраль должна учитывать несбалансированную нагрузку и гармонические токи. В модульных центрах обработки данных, где используется большое количество импульсных источников питания, по нейтрали может протекать ток, превышающий ожидаемое значение. Некоторые инженеры рассчитывают серовод с запасом по расчётному току 150% или используют отдельный серовод для гармонических нагрузок. Эта деталь часто упускается из виду при расчёте мощности главного коммутатора электросети и автоматического переключателя (ATS).

Выбор конфигурации ATS: открытый, закрытый или отложенный переход

Конфигурация ATS определяет, как ваш центр обработки данных реагирует на отключение сети. Существует три основных типа: открытый переход, закрытый переход и переход с задержкой. Открытый переход — самый простой: он отключает нагрузку от одного источника, прежде чем подключить её к другому. Это означает кратковременное прерывание питания, обычно продолжительностью 2–10 секунд, что допустимо, если ваш ИБП обеспечивает бесперебойное питание в этот промежуток времени.

Закрытый переход используется, когда требуется переключение между двумя работающими источниками без каких-либо перерывов. Система ATS на мгновение подключает оба источника параллельно, что требует их синхронизации. Такой подход широко применяется в системах с двумя источниками питания, когда необходимо протестировать резервный источник без отключения нагрузки. Однако закрытый переход усложняет систему и увеличивает затраты, а также требует использования контроллера, способного проверять фазу и частоту.

Переход с задержкой представляет собой промежуточный вариант: система автоматического переключения (ATS) подключает основной источник, а затем, после заданной задержки, отключает резервный. Это полезно в тех случаях, когда резервным источником является генератор, которому необходимо стабилизировать частоту и напряжение перед принятием нагрузки. В модульных центрах обработки данных АТС часто используется в паре с ИБП, поэтому время переключения не столь критично — во время переключения нагрузку поддерживает ИБП. Тем не менее, время переключения АТС по-прежнему необходимо согласовывать со временем автономной работы батареи ИБП.

Координация мер защиты и обеспечение безопасности при возникновении дугового разряда

При расчете мощности главного выключателя и автоматического переключателя (ATS) также необходимо учитывать координацию защиты. Это означает, что сначала должен сработать автоматический выключатель, расположенный ближе всего к месту неисправности, а не главный выключатель. В случае неисправности в одной из ответвленных цепей нежелательно, чтобы весь центр обработки данных остался без питания. Вам необходимо настроить кривые «время-ток» автоматических выключателей таким образом, чтобы они работали скоординированно — это называется селективной координацией. Это особенно важно для критически важных нагрузок, таких как серверы и системы охлаждения.

Еще одной серьезной проблемой является дуговой разряд. Главный выключатель и автоматический переключатель (ATS) часто находятся в электроаппаратном помещении, где может работать персонал. Энергия воздействия определяется величиной тока короткого замыкания и временем срабатывания защитных устройств. Необходимо провести расчёт риска дугового разряда и маркировать оборудование с указанием соответствующей категории средств индивидуальной защиты. В некоторых случаях для сокращения времени отключения может потребоваться установка обслуживающих выключателей, снижающих риск дугового разряда, или зонированных блокировок.

Расчет сечения кабеля и падение напряжения

После того как вы определили номинальные характеристики автоматических выключателей, необходимо подобрать кабели от сетевого трансформатора до главного выключателя и от главного выключателя до системы автоматического переключения (ATS). Подбор кабелей осуществляется с учетом токовыдерживающей способности и падения напряжения. Токовыдерживающая способность зависит от материала проводника, типа изоляции и способа прокладки (в кабельном канале, лотке или прямой заделки в грунт). При прокладке кабелей на большие расстояния падение напряжения может стать проблемой — особенно для крупных нагрузок, таких как системы бесперебойного питания (ИБП), чувствительных к колебаниям напряжения.

Хорошим практическим правилом является поддержание падения напряжения на участке от сети до автоматического переключателя (ATS) на уровне ниже 3%. Это означает, что, возможно, потребуется увеличить сечение проводника сверх значения, необходимого для обеспечения допустимой нагрузки. Например, для фидерной линии на 400 А может потребоваться медный провод сечением 500 kcmil, чтобы удержать падение напряжения в пределах нормы на участке длиной 200 футов. Ознакомьтесь с местными электротехническими нормами и требованиями энергоснабжающей компании, так как они могут различаться.

Испытания и ввод в эксплуатацию: не пропускайте приемочные испытания

После установки необходимо тщательно протестировать главный выключатель сети и автоматический переключатель (ATS). Это включает в себя проверку номинальных параметров автоматических выключателей, проверку времени переключения ATS и моделирование сбоя в подаче электроэнергии. Кроме того, следует протестировать АТС в сочетании с ИБП и генератором, чтобы убедиться, что последовательность действий работает так, как задумано. Ведь никому не хотелось бы обнаружить во время реального отключения электроэнергии, что АТС не переключается из-за ошибки в проводке.

Ввод в эксплуатацию обычно включает в себя испытание выключателей методом первичного впрыска для проверки работы устройств отключения, испытание переключения под нагрузкой и испытание ИБП при полной нагрузке. Задокументируйте все настройки и результаты. Также именно сейчас следует обновить однолинейную схему и таблички с предупреждением об опасности дугового разряда. Если вы сотрудничаете с таким поставщиком, как VERHI, его специалисты могут помочь вам интегрировать автоматический переключатель питания (ATS) с вашим ИБП и системами охлаждения, но окончательный проект всегда следует согласовывать с дипломированным инженером-электриком.

Распространенные ошибки при расчете мощности главного выключателя и автоматического переключателя питания (ATS)

• Недооценка тока замыкания на землю и выбор автоматического выключателя со слишком низкой отключающей способностью.
• Расчет размеров системы ATS исходя исключительно из текущей нагрузки, а не с учетом будущего расширения.
• Игнорирование гармоничных токов и выбор сечения нейтрали с запасом.
• Не учли необходимость согласования времени передачи данных через ATS со временем автономной работы аккумулятора системы бесперебойного питания (UPS).
• Отсутствие расчета на дуговой разряд и маркировки оборудования.

Чтобы избежать таких проблем, необходимо провести тщательный анализ нагрузки, на раннем этапе наладить взаимодействие с энергоснабжающей организацией и поручить проверку проекта квалифицированному инженеру. Стоимость доработки значительно превышает затраты на правильное выполнение проекта с самого начала.

Как компания VERHI может помочь в проектировании системы электропитания модульного центра обработки данных

Компания VERHI поставляет системы прецизионного охлаждения, системы бесперебойного питания (ИБП) и решения для микромодульных центров обработки данных. Хотя мы не производим главный сетевой выключатель или автоматический переключатель источников питания (ATS), мы сотрудничаем с вами для интеграции нашего оборудования в вашу энергетическую инфраструктуру. Наши инженеры помогут вам определить требования к нагрузке и скоординировать разработку электрической схемы с вашим поставщиком распределительного оборудования. Мы также предлагаем готовые модули, включающие ИБП и распределительную систему, благодаря чему подключение к ATS не представляет сложности.

Помните, что технические требования, стандарты и местные нормативные акты могут различаться. Информация, приведенная в данной статье, носит общий рекомендательный характер и не заменяет инженерного исследования, проводимого с учетом конкретных условий объекта. Перед заказом оборудования всегда уточняйте мощность сетей электроснабжения, допустимую нагрузку на кабели и местные электротехнические нормы у квалифицированных инженеров и в официальных источниках.