Középfeszültségű kapcsolóberendezések alkalmazása adatközpontokban és megújuló energia projektekben

Két iparág, egy közös függőség

Úgy tűnik, hogy az adatközpontok és a megújuló energia projektek nem sok közös vonást mutatnak. Az egyik egy klímaszabályozott épület, tele szerverállványokkal, ahol az elsődleges kimenet a digitális információ. A másik egy kiterjedt kültéri létesítmény, amely időjárásnak van kitéve, ahol az elsődleges kimenet az átviteli hálózatba betáplált elektromos energia.

A felszín alatt azonban közös a kritikus függőségük: a középfeszültségű kapcsolóberendezések, amelyek hibátlanul működnek olyan üzemi körülmények között, amelyek egy évtizede szokatlannak számítottak volna. Mindkét iparág rendkívüli gyorsasággal fejlődött. Mindkettőre erős nyomás nehezedik a projektek ütemezése és a tőkeköltségek tekintetében. Mindkettő egyre inkább előírja az SF₆-mentes berendezéseket – a vállalati fenntarthatósági kötelezettségvállalások által vezérelt adatközpontokat, a megújuló energiával kapcsolatos projekteket, amelyeket az a logika vezérel, hogy a tiszta termelés nem függhet a magas GWP-s infrastruktúrától.

Ez a cikk részletesen megvizsgálja e két szektor középfeszültségű kapcsolóberendezési követelményeit. A hangsúly a berendezések kiválasztását meghatározó műszaki követelményeken, a hatékonynak bizonyult konfigurációkon, valamint azokon a dokumentációs és megfelelőségi követelményeken van, amelyeket a beszerzési csapatok mindkét iparágban kötelezőnek tartanak.

Első rész: Adatközpontok

Egy modern adatközpont elektromos architektúrája

A hiperskálás adatközpont alapvetően elektromos átalakító létesítmény. A tápfeszültség magas vagy közepes feszültségen érkezik a közüzemi hálózatról, több átalakítási fokozaton keresztül lefelé halad, és végül alacsony feszültségen éri el a szerverállványokat, rendkívüli megbízhatósági követelmények mellett. Az üzemidőre vonatkozó iparági szabvány – ötkilenc, azaz 99,999%-os rendelkezésre állás – évente alig több mint öt perc állásidőt tesz lehetővé, beleértve az összes tervezett karbantartást.

Középfeszültségű kapcsolóberendezésa közműellátás és az adatközpont belső elosztóhálózata közötti kritikus csomópontban helyezkedik el. Egy tipikus architektúra szerint a 10 kV és 36 kV közötti közüzemi betáplálások a létesítmény helyszíni alállomására lépnek be, ahol a középfeszültségű kapcsolóberendezések biztosítják a bejövő betáplálás védelmét, a transzformátor primer védelmét és a buszszakasz kapcsolást. Lefelé további középfeszültségű kapcsolóberendezések szolgálhatnak ki nagy hűtőberendezéseket, UPS bemeneti kapcsolótáblákat és generátorpárhuzamos kapcsolóberendezéseket a tartalék energiaellátó rendszerek számára.

Ebben az architektúrában a kapcsolóberendezéseknek egyszerre több szigorú kritériumnak kell megfelelniük. Elég kompaktnak kell lennie ahhoz, hogy elférjen az épületben, ami drága ingatlan. Elég megbízhatónak kell lennie ahhoz, hogy a karbantartási beavatkozásokat évtizedenkénti órákban mérjék, nem pedig évi órákban. Képesnek kell lennie integrálni az adatközpont épületfelügyeleti rendszerével és energiafelügyeleti platformjával, valós idejű adatokat szolgáltatva a kapcsoló helyzetéről, a védelmi eseményekről és a berendezés állapotáról.

Miért szabványosak a vákuum-megszakítók?

A vákuum-megszakító az adatközpontok középfeszültségű kapcsolásainak alapértelmezett választásává vált műszaki és működési okok miatt.

Technikailag a vákuum-megszakító eloltja az ívet egy lezárt kerámia borítékban, ahol nincs mi égetni, nincs mi lebomlani és nincs mi szivárogni. A gáz hiánya a gázzal kapcsolatos karbantartás hiányát jelenti. Egy olyan adatközpont-üzemeltető számára, amelynek létesítménye akár tizenöt évig is üzemelhet jelentősebb leállás nélkül, minden olyan berendezés, amely rendszeres figyelmet igényel, felelősséget jelent. A 10 000 mechanikai műveletre tervezett M2-osztályú működtetőmechanizmusú vákuummegszakító a létesítmény teljes élettartama alatt ki tudja szolgálni magát a megszakítón végzett karbantartási beavatkozás nélkül.

Működési szempontból a vákuummegszakítók jól illeszkednek az adatközpontok terhelési profiljához. Az adatközpont terhelése viszonylag állandó – a szerverek nem állnak le és nem indulnak el, mint az ipari motorok –, ami azt jelenti, hogy a megszakító elektromos tartósságát ritkán tesztelik gyakori hibamegszakítások. Az elsődleges működési követelmény a közmű- és generátorforrások közötti tervezett átvezetések során a megbízható kapcsolás, amely mechanikailag megerőltető, de elektromosan egyszerű. Egy jól megtervezett, tárolt energiájú rugószerkezet ezt a funkciót tartósan, évtizedekig képes ellátni.

A fémburkolatú kapcsolóberendezésekben, mint például a KYN28 vagy KYN61 sorozatban használt kihúzható konfiguráció további előnyt kínál az adatközpontok számára: a megszakítót a teljes busz feszültségmentesítése nélkül ki lehet rakni a teszt vagy leválasztott helyzetbe. Egy olyan létesítményben, ahol a leállási költségek meghaladhatják a 100 000 dollárt percenként, ez a karbantarthatósági funkció önmagában igazolhatja a kapcsolóberendezés specifikációját.

Az SF₆-mentes váltás az adatközponti szektorban

Az adatközpontok üzemeltetői az SF₆-mentes kapcsolóberendezések legbefolyásosabb szószólóivá váltak, és motivációjuk nem elsősorban a szabályozási megfelelés. A legnagyobb szolgáltatók közül sok – köztük a hiperskálás felhőszolgáltatók – nyilvános kötelezettséget vállalt a szén-dioxid-semlegesség vagy a nettó nulla kibocsátás elérésére ezen az évtizeden belül. Az SF₆, amelynek globális felmelegedési potenciálja 24 300-szorosa a CO₂-énak, egyenesen ellentmond ezeknek a kötelezettségvállalásoknak, ha minden új létesítmény elektromos infrastruktúrájában jelen van.

Egyetlen középfeszültségű RMU vagy GIS panel, amely néhány kilogramm SF₆-t tartalmaz, önmagában nem képviseli az adatközpont szénlábnyomának nagy részét. De a nagy üzemeltetők évente több tucat létesítményt építenek, amelyek mindegyike több kapcsolóberendezés panelt tartalmaz. A globális portfólió összesített SF₆-készlete tonnában mérhető. A szivárgási arány alacsony, de nem nulla, és az SF₆ légköri élettartama azt jelenti, hogy minden kibocsátott gramm több mint háromezer évig a légkörben marad.

Ez az oka annak, hogy az adatközpontok pályázati specifikációiban ma már rendszeresen szerepel az „SF₆-mentes” kötelező követelmény.középfeszültségű kapcsolóberendezés. A követelmény nemcsak az európai piacokon jelenik meg, ahol az EU F-gáz-rendelete ad jogi keretet, hanem Észak-Amerikában és Ázsia-Csendes-óceáni térségben is. A kapcsolóberendezés-gyártók számára az adatközpontok piaca az SF₆-mentes termékfejlesztés erőteljes kereskedelmi mozgatórugója lett – a közüzemi szektoron kívül talán a legerősebb.

A COTENELE 24 kV-os SF₆-mentes gyűrűs főegységeket és vákuummegszakító paneleket szállít adatközponti projektekhez, szárazlevegő-szigeteléssel és az IEC 62271-200 szerinti típusvizsgálati tanúsítvánnyal. Az élettartamra lezárt rozsdamentes acél tartály kiküszöböli a gázfelügyeletet, az újratöltést és az élettartam végén történő visszanyerést a létesítmény működési folyamataiból. Egy adatközpont-üzemeltető számára ez eggyel kevesebb követendő rendszert, eggyel kevesebb kezelendő karbantartási szerződést és eggyel kevesebb magyarázatot jelent az ESG audit során.

Második rész: Megújuló energia projektek

Wind Farm Collector Networks

A szélerőműpark alapvetően más elektromos környezetet képvisel, mint egy adatközpont vagy ipari üzem. Az egyenként 2-8 MW teljesítményű egyedi szélturbina-generátorok egy több tíz négyzetkilométeres földrajzi területen vannak szétszórva. Mindegyik turbina alacsony feszültségen generál – jellemzően 690 V vagy 1000 V –, és a torony alján lévő, alátétre szerelt transzformátoron keresztül közepes feszültségre lép fel. A középfeszültségű, általában 33 kV-os vagy 36 kV-os kábelek mindegyik turbinától egy központi kollektor-alállomásig futnak, ahol a teljesítményt összesítik, és újra megnövelik az átvitelhez.

A kollektor alállomás kapcsolóberendezésének olyan feladatok kombinációját kell kezelnie, amelyet egyetlen más alkalmazás sem képes megismételni. Az egyes kollektor-adagolókat védő megszakítók gyakori kapcsolási műveleteket tapasztalnak, amikor a szélviszonyok hatására a turbinák elindulnak és leállnak. Az inverter alapú szélturbinák hibaáram-hozzájárulása alapvetően különbözik a szinkron gépi hibaáramtól – kisebb nagyságrendű, gyorsabban lecseng, és a hagyományos védelmi relék néha nehezen tudják megkülönböztetni a normál terhelési áramtól. Maga az alállomás pedig gyakran távoli helyen található, ahol a karbantartási látogatások költségesek, időjárásfüggőek, és a téli hónapokban néha hetekig lehetetlenek.

A vákuum-megszakítók jól illeszkednek ehhez a környezethez. A modern VCB nagy mechanikai ellenálló képessége lehetővé teszi a gyakori kapcsolást az érintkezők károsodása nélkül. A vákuummegszakító közömbös a megszakítandó hibaáram forrása iránt – akár szinkron generátorból, akár inverter alapú erőforrásból származik, az ívoltás fizika ugyanaz. A modern VCB élettartamra zárt konstrukciója pedig azt jelenti, hogy a karbantartó technikusnak nincs mit ellenőriznie a megszakító belsejében, még akkor sem, ha elérné a helyszínt.

Napelemes PV és energiatároló rendszerek

A közüzemi méretű napelemes fotovoltaikus berendezéseknek van néhány jellemzője a szélerőműparkokéval – inverter alapú generálás, földrajzi szóródás, gyakori kapcsolás a besugárzás változása miatt –, de hozzáteszik a saját bonyolultságukat. A napelemek jellemzően alacsonyabb feszültséggel működnek, mint a szélerőművek: a középfeszültségű gyűjtőrendszer 12 kV vagy 24 kV lehet, nem pedig 33 kV vagy 36 kV. Az üzem egyenáramú oldala a moduloktól a kombinálódobozokon át az inverter bemenetéig 1500 V DC feszültségig működik, és teljesen különálló védelmi és leválasztó berendezést igényel.

Az akkumulátoros energiatároló rendszerek és a napenergia-termelés növekvő együttállása a kapcsolóberendezésekre vonatkozó követelmények további rétegét növeli. Az akkumulátoros energiatároló rendszer a hálózatról vagy a napelemes tömbből tud tölteni, és szükség szerint kisütni a hálózatba, ami azt jelenti, hogy a középfeszültségű kapcsolóberendezésnek az összekapcsolási ponton kezelnie kell a kétirányú áramáramlást. A védelmi beállításoknak figyelembe kell venniük az akkumulátor-inverterek hibaáram-hozzájárulását, amely jelentős és gyorsan növekvő lehet. A megszakítók kapcsolási feladata pedig tovább növekszik, napi többszöri töltési-kisütési ciklussal, amely növeli a mechanikai műveletek számát.

A megfelelőségi és dokumentációs réteg

A megújulóenergia-projektek, különösen a független nemzetközi áramtermelők által kifejlesztett vagy a multilaterális fejlesztési bankok által finanszírozottak, ma már olyan dokumentációs követelményeket támasztanak, amelyek vetekednek a közüzemi pályázatokéval. Egy szélerőműhöz vagy napelemes erőműhöz való középfeszültségű kapcsolóberendezés-csomaghoz általában minden megszakítóhoz és RMU-hoz IEC-típusvizsgálati tanúsítványra, gyári rutinvizsgálati jegyzőkönyvekre, a vonatkozó környezetvédelmi előírásoknak való megfelelőségi nyilatkozatra, valamint a hasonló berendezések előzetes leszállítására vonatkozó referencialistara van szükség.

Az ok egyértelmű: projektfinanszírozás. A megújuló energia projektekhez tőkét biztosító hitelezők és befektetők minden nagyobb berendezéscsomagnál műszaki átvilágítást végeznek. Ha a kapcsolóberendezések szállítója nem tud teljes dokumentációt benyújtani, a projekt késedelmes lehet a pénzügyi lezárás elérésében. Ez egy olyan kockázat, amelyet a fejlesztők nagyon komolyan vesznek.

A COTENELE középfeszültségű kapcsolóberendezéseket szállít a megújuló energiával kapcsolatos projektekhez, a teljes dokumentációs csomaggal. A típusvizsgálati tanúsítványokat, a rutinvizsgálati jegyzőkönyveket és a megfelelőségi nyilatkozatokat a pályázati szakaszban adják át, nem a megrendelés után. Az európai projektek esetében ez magában foglalja az EU F-gáz rendeletének való megfelelést igazoló dokumentációt. Más régiókban megvalósuló projektek esetében a csomag a helyi igényekhez igazodik.

A technológiai átfedés: amire mindkét ágazatnak szüksége van

Különbségeik ellenére az adatközpontok és a megújuló energiával kapcsolatos projektek a kapcsolóberendezésekre vonatkozó közös követelményekhez közelítenek. Ennek az átfedésnek az azonosítása segít megmagyarázni, hogy bizonyos technológiák és konfigurációk miért váltak dominánssá mindkét piacon.

Kompakt lábnyom. Az adatközpontok minden négyzetméternyi fehér területet értékelnek. A megújulóenergia-gyűjtő alállomások gyakran csak korlátozott területtel rendelkező szárazföldön találhatók. Mindkét szektor olyan kapcsolóberendezést ír elő, amely minimálisra csökkenti a fizikai helyigényt anélkül, hogy a karbantartáshoz való hozzáférést veszélyeztetné. Ez az egyik oka annak, hogy a fémbevonatú kihúzható kapcsolóberendezések és az SF₆-mentes RMU-k egyre nagyobb részesedést szereztek – jelentős funkcionalitást csomagolnak egy kompakt burkolatba.

Megbízhatóság gyakori karbantartás nélkül. Az adatközpontok nem engedhetik meg maguknak az állásidőt. A szélerőművek nem engedhetik meg maguknak, hogy havonta technikust küldjenek egy távoli alállomásra. Az élettartamra zárt megszakítókkal ellátott vákuummegszakítók és a lezárt gáztartállyal rendelkező RMU-k közvetlenül megfelelnek ennek a követelménynek.

SF₆-mentes alapértékként. Az adatközpontok esetében a vezető szerepet a vállalati fenntarthatósági kötelezettségvállalások jelentik. A megújuló energiával kapcsolatos projektek esetében a hajtóerő az, hogy a tiszta energia előállítására szolgáló infrastruktúrában magas GWP-s gázt használnak. Mindkettő ugyanazt a specifikációs követelményt teljesíti.

Digitális integráció. Az adatközpontokban az IEC 61850 kommunikációs intelligens kapcsolóberendezések korai bevezetése volt, ami az elektromos felügyelet épületfelügyeleti rendszerébe való integrálásának igénye volt. A megújuló energiával kapcsolatos projektek gyorsan követik egymást, a pilóta nélküli telephelyek távfelügyeletének szükségessége miatt. Mindkét esetben csökkenti az üzemeltetési költségeket és a kockázatot az a kapcsolóberendezés, amely képes jelenteni a saját állapotát, naplózza a kapcsolási műveleteket, és korai figyelmeztetést nyújt a kialakuló problémákra.

Teljes dokumentáció. Mindkét szektorban a kifinomult vásárlók – nagyméretű adatközpont-üzemeltetők, nemzetközi megújulóenergia-fejlesztők, infrastrukturális alapok – dominálnak, akik a dokumentációt kapuőr-követelményként kezelik. Ha a papírmunka nem teljes, a berendezést nem veszik figyelembe. Ez azokat a gyártókat részesíti előnyben, akik harmadik fél által végzett típusvizsgálatba fektettek be, és szervezett dokumentációs rendszereket tartanak fenn.

Kapcsolóberendezések kiválasztása ezekhez az alkalmazásokhoz: Gyakorlati szempontok

Bármelyik szektorban dolgozó projektmérnökök és beszerzési csoportok számára számos gyakorlati megfontolás vezérelheti a kapcsolóberendezések kiválasztását.

Kezdje a feszültséggel és a hibaszinttel, de ne hagyja abba. A névleges feszültség és a rövidzárlati megszakítóképesség a minimális belépési kritérium. Ezen túlmenően értékelje a mechanikai tartósságot, a karbantartási követelményeket a projekt élettartama során, valamint a helyi szerviztámogatás elérhetőségét.

Ellenőrizze a típustesztet az adott konfigurációhoz. Előfordulhat, hogy a gyártó típustesztelt egy szabványos modult, de nem az egysoros diagramhoz szükséges modulkombinációt. Győződjön meg arról, hogy a pontos konfigurációt tesztelték, vagy hogy a gyártó mérnöki indoklással szolgálhat a típusvizsgálati lefedettség kiterjesztésére.

A megrendelés leadása előtt érdeklődjön a dokumentációról. Ha a beszállító nem tud típusvizsgálati tanúsítványokat, rutinvizsgálati jelentéssablonokat és megfelelőségi nyilatkozatot adni a pályázati szakaszban, nem valószínű, hogy a megrendelés után azonnal bemutatja azokat. A dokumentációs késések akadozhatnak a projektfinanszírozásban és az üzembe helyezésben, és ezek felderítése a szerződés odaítélése előtt van.

Vegye figyelembe az életciklus teljes költségét, ne csak a beszerzési árat. A 15 éves tervezési élettartammal rendelkező adatközpontok esetében egyetlen nem tervezett leállás költsége eltörpül a kapcsolóberendezések vételárában fennálló különbségek mellett. Egy hegyláncon elhelyezkedő, 50 turbinával rendelkező szélerőműpark esetében a megszakító ellenőrzésére küldött technikus költsége eltörpül az alacsonyabb specifikációjú termék választásából származó megtakarítások mellett. A kapcsolóberendezések a projekt teljes tőkeköltségének kis töredékét teszik ki, de a berendezések nagy részét, amelyek katasztrofális meghibásodást okozhatnak. Ez nem az a hely, ahol a legalacsonyabb kezdeti árra kell optimalizálni.

Következtetés

Az adatközpontok és a megújuló energia projektek a globális középfeszültségű kapcsolóberendezések piacának két leggyorsabban növekvő szegmensét képviselik. Ezek azok a szegmensek is, ahol a leggyorsabban halad a fenntartható, digitálisan integrált, SF₆-mentes berendezésekre való átállás.

Az ezeket a piacokat jól kiszolgáló kapcsolóberendezés-technológiák – vákuummegszakítás, száraz levegő és szilárd szigetelés, kihúzható konfigurációk nagy mechanikai tartóssággal, integrált állapotfigyelés IEC 61850 kommunikációval – ugyanazok a technológiák, amelyek a következő évtizedben meghatározzák a tágabb kapcsolóberendezésipart. Az adatközpontokkal és a megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos alkalmazásokban levont tanulságok minden piaci szegmensben meghatározzák a termékfejlesztést.

A COTENELE számára ezeknek az ágazatoknak a kiszolgálása 24 kV-os SF₆-mentes RMU-k és vákuummegszakító panelek biztosítását jelenti, amelyek típustesztelt, teljes dokumentációval rendelkeznek és sorozatgyártásban vannak. Ez azt jelenti, hogy meg kell érteni, hogy az adatközpont-beszerző csapat és a szélerőmű-fejlesztő csapat más-más szaknyelvet beszél, de ugyanaz a mögöttes követelmény: évtizedekig megbízhatóan működő berendezések, minimális beavatkozással és környezetvédelmi felelősség nélkül. Termékpalettánkat és dokumentációs rendszereinket ennek megfelelően építjük fel.

Középfeszültségű kapcsolóberendezést keres következő projektjéhez?

A COTENELE 12 kV-tól 40,5 kV-ig terjedő vákuummegszakítókat, SF₆-mentes gyűrűs főegységeket és komplett fémbevonatú kapcsolóberendezéseket szállít adatközpontokhoz, megújuló energiaforrásokhoz, közművekhez és ipari alkalmazásokhoz. Valamennyi termék típusvizsgálata megtörtént a vonatkozó IEC szabványok szerint, a teljes dokumentációval a pályázati szakaszban.

A COTENELE-ről

A COTENELE középfeszültségű kapcsolóberendezésekre specializálódott gyártó, amely SF₆-mentes, környezetbarát gázszigetelésű kapcsolóberendezéseket, vákuummegszakítókat, gyűrűs főegységeket és fémburkolatú paneleket tartalmaz 12 kV és 40,5 kV közötti alkalmazásokhoz. Termékeink adatközpont-üzemeltetőket, megújulóenergia-fejlesztőket, közműveket és ipari vásárlókat szolgálnak ki Európa, Ázsia és a Közel-Keleten. Minden termék típustesztelésen esik át a vonatkozó IEC szabványok szerint, teljes dokumentációval a pályázat benyújtásához és a projekt szállításához.